على الرغم من أن كاسيني أنهت المركبة المدارية مهمتها في 15 سبتمبر 2017 ، البيانات التي جمعتها على كوكب زحل وأكبر قمره ، تيتان ، لا تزال تذهل وتدهش. خلال الثلاثة عشر عامًا التي قضاها في الدوران حول زحل وإجراء تحليق لأقماره ، جمع المسبار ثروة من البيانات حول الغلاف الجوي لسطح تيتان ، والسطح ، وبحيرات الميثان ، والبيئة العضوية الغنية التي يواصل العلماء حفرها.
على سبيل المثال ، هناك مسألة "الكثبان الرملية" الغامضة على تيتان ، والتي تبدو عضوية بطبيعتها والتي ظل هيكلها وأصولها لغزًا. لمعالجة هذه الألغاز ، أجرى فريق من العلماء من جامعة جون هوبكنز (JHU) وشركة الأبحاث Nanomechanics مؤخرًا دراسة لكثبان تيتان وخلصوا إلى أنه من المحتمل أنها تشكلت في المناطق الاستوائية تيتان.
ظهرت دراستهم ، "من أين تأتي تيتان ساند من: نظرة من الخواص الميكانيكية لمرشحي تيتان ساند" ، على الإنترنت مؤخرًا وتم تقديمها إلى مجلة البحوث الجيوفيزيائية: الكواكب. قادت الدراسة Xinting Yu ، وهي طالبة دراسات عليا في قسم علوم الأرض والكواكب (EPS) في JHU ، وشملت أستاذ مساعد EPS سارة هورست (مستشار يو) تشاو هي ، وباتريشيا ماكجيجان ، بدعم من بريان كروفورد شركة Nanomechanics
لتكسيرها ، تم رصد كثبان تيتان الرملية في الأصل كاسيني أدوات الرادار في منطقة شانغريلا بالقرب من خط الاستواء. أظهرت الصور التي حصل عليها المسبار خطوطًا داكنة طويلة وخطية تشبه كثبانًا اجتاحتها الرياح شبيهة بتلك الموجودة على الأرض. منذ اكتشافهم ، افترض العلماء أنهم يتألفون من حبيبات الهيدروكربونات التي استقرت على السطح من الغلاف الجوي لتيتان.
في الماضي ، افترض العلماء أنهم يتشكلون في المناطق الشمالية حول بحيرات الميثان تيتان ويتم توزيعهم على المنطقة الاستوائية بواسطة رياح القمر. ولكن من أين جاءت هذه الحبوب بالفعل ، وكيف تم توزيعها في هذه التكوينات الشبيهة بالكثبان ، ظل لغزًا. ومع ذلك ، كما أوضح يو لمجلة الفضاء عبر البريد الإلكتروني ، فإن هذا ليس سوى جزء مما يجعل هذه الكثبان الرملية غامضة:
"أولاً ، لم يتوقع أحد رؤية أي كثبان رملية على تيتان قبل مهمة كاسيني-هيجنز ، لأن نماذج الدوران العالمي تنبأت بأن سرعة الرياح في تيتان أضعف من أن تسمح بنفث المواد لتكوين الكثبان الرملية. ومع ذلك ، من خلال كاسيني ، رأينا حقول الكثبان الخطية الشاسعة التي تغطي ما يقرب من 30 ٪ من المناطق الاستوائية من تيتان!
"ثانيًا ، لسنا متأكدين من كيفية تكوين رمال تيتان ، والمواد الكثيرة على تيتان مختلفة تمامًا عن تلك الموجودة على الأرض. على الأرض ، تعتبر مواد الكثبان الرملية عبارة عن شظايا رملية سيليكاتية ناتجة عن صخور سيليكات. أثناء وجوده في تيتان ، تكون المواد الكثبان العضوية المعقدة التي تشكلت بواسطة الكيمياء الضوئية في الغلاف الجوي ، تسقط على الأرض. تظهر الدراسات أن جزيئات الكثبان كبيرة جدًا (100 ميكرون على الأقل) ، في حين أن الجزيئات العضوية التي شكلت الكيمياء الضوئية لا تزال صغيرة جدًا بالقرب من السطح (حوالي 1 ميكرون فقط). لذا فنحن لسنا متأكدين من كيفية تحول الجسيمات العضوية الصغيرة إلى جزيئات الكثبان الرملية الكبيرة (تحتاج إلى مليون جزيئات عضوية صغيرة لتكوين جسيم رملي واحد!)
"ثالثًا ، لا نعلم أيضًا أين تتم معالجة الجزيئات العضوية في الغلاف الجوي لتصبح أكبر لتكوين جزيئات الكثبان الرملية. يعتقد بعض العلماء أن هذه الجسيمات يمكن معالجتها في كل مكان لتكوين جزيئات الكثبان الرملية ، في حين يعتقد بعض الباحثين الآخرين أن تكوينها يحتاج إلى المشاركة في سوائل تيتان (الميثان والإيثان) ، والتي توجد حاليًا فقط في المناطق القطبية ".
ولإلقاء الضوء على هذا ، أجرت يو وزملاؤها سلسلة من التجارب لمحاكاة المواد التي يتم نقلها على كل من الأجسام الأرضية والجليدية. ويتكون هذا من استخدام العديد من رمال الأرض الطبيعية ، مثل رمل الشاطئ سيليكات ، رمال الكربونات ورمل الزنجبيل الأبيض. لمحاكاة أنواع المواد الموجودة في تيتان ، استخدموا الثولين المنتج في المختبر ، وهي جزيئات الميثان التي تعرضت للأشعة فوق البنفسجية.
تم إنتاج الثولين بشكل خاص لإعادة إنتاج أنواع الهباء الجوي العضوي وظروف الكيمياء الضوئية الشائعة في Titan. تم ذلك باستخدام النظام التجريبي لأبحاث HAZE Research (PHAZER) في جامعة جونز هوبكنز - التي كانت الباحث الرئيسي فيها سارة هورست. تتألف الخطوة الأخيرة من استخدام تقنية تحديد النانو (التي يشرف عليها براين كروفورد من شركة Nanometrics Inc.) لدراسة الخصائص الميكانيكية للرمال والثولين المحاكاة.
يتألف هذا من وضع محاكيات الرمل والثولين في نفق الرياح لتحديد حركتها ومعرفة ما إذا كان يمكن توزيعها بنفس الأنماط. كما أوضح يو:
"الدافع وراء الدراسة هو محاولة الإجابة عن اللغز الثالث. إذا تمت معالجة مواد الكثبان الرملية من خلال السوائل ، الموجودة في المناطق القطبية من تيتان ، فيجب أن تكون قوية بما يكفي ليتم نقلها من القطبين إلى المناطق الاستوائية من تيتان ، حيث توجد معظم الكثبان الرملية. ومع ذلك ، فإن الثولين الذي أنتجناه في المختبر بكميات منخفضة للغاية: يبلغ سمك غشاء الثولين الذي أنتجناه حوالي 1 ميكرون فقط ، حوالي 1 / 10-1 / 100 من سمك شعر الإنسان. للتعامل مع هذا ، استخدمنا تقنية مقياس نانوي مثيرة للاهتمام ودقيقة للغاية تسمى التثبيط بالنانو لإجراء القياسات. على الرغم من أن المسافات البادئة والشقوق المنتجة كلها بمقاييس نانومترية ، لا يزال بإمكاننا تحديد الخواص الميكانيكية بدقة مثل معامل Young (مؤشر الصلابة) ، وصلابة النانو (صلابة) ، وصلابة الكسر (مؤشر هشاشة) الفيلم الرقيق ".
في النهاية ، قرر الفريق أن الجزيئات العضوية الموجودة في Titan هي أكثر نعومة وهشاشة مقارنةً حتى بالرمال الرقيقة على الأرض. ببساطة ، لا يبدو أن الثولين الذي أنتجوه يمتلكون القدرة على قطع المسافة الهائلة التي تقع بين بحيرات الميثان الشمالية في تيتان والمنطقة الاستوائية. من هذا ، استنتجوا أن الرمال العضوية على تيتان من المحتمل أن تتشكل بالقرب من مكان تواجدهم.
وأضاف يو "وقد لا يتضمن تكوينها سوائل على تيتان ، لأن ذلك سيتطلب مسافة نقل ضخمة تزيد عن 2000 كيلومتر من أقطاب تيتان إلى خط الاستواء". "سوف تطحن الجزيئات العضوية الناعمة والهشة إلى الغبار قبل أن تصل إلى خط الاستواء. استخدمت دراستنا طريقة مختلفة تمامًا وعززت بعض النتائج المستنتجة من ملاحظات كاسيني ".
في النهاية ، تمثل هذه الدراسة اتجاهًا جديدًا للباحثين عندما يتعلق الأمر بدراسة تيتان والأجسام الأخرى في النظام الشمسي. كما أوضح يو ، في الماضي ، كان الباحثون مقيدين في الغالب كاسيني البيانات والنمذجة للإجابة على الأسئلة حول الكثبان الرملية تيتان. ومع ذلك ، تمكنت يو وزملاؤها من استخدام النظير المنتج في المختبر لمعالجة هذه الأسئلة ، على الرغم من حقيقة أن كاسيني المهمة الآن في نهايتها.
علاوة على ذلك ، من المؤكد أن هذه الدراسة الأخيرة ستكون ذات قيمة هائلة مع استمرار العلماء في المسام كاسيني البيانات تحسبا لبعثات مستقبلية لتيتان. تهدف هذه المهام إلى دراسة الكثبان الرملية في تيتان وبحيرات الميثان والكيمياء العضوية الغنية بمزيد من التفاصيل. كما أوضح يو:
"[O] لا يمكن لنتائجك أن تساعد في فهم أصل كثبان تيتان ورمالها فحسب ، بل ستوفر أيضًا معلومات مهمة لمهمات الهبوط المستقبلية المحتملة على تيتان ، مثل Dragonfly (واحد من اثنين من المتأهلين للتصفيات النهائية (من أصل اثني عشر عرضًا) تم اختيارهم من أجل مزيد من تطوير المفهوم من قبل برنامج ناسا الحدود الجديدة). يمكن أن توفر الخصائص المادية للمواد العضوية على Titan في الواقع أدلة مذهلة لحل بعض الألغاز على Titan.
"في دراسة نشرناها العام الماضي في JGR- الكواكب (2017 ، 122 ، 2610–2622) ، اكتشفنا أن قوى الجسيمات بين جزيئات الثولين أكبر بكثير من الرمل الشائع على الأرض ، مما يعني أن المواد العضوية على تيتان أكثر بكثير متماسكة (أو لزجة) من رمال السيليكات على الأرض. هذا يعني أننا بحاجة إلى سرعة رياح أكبر لتفجير جزيئات الرمل على تيتان ، والتي يمكن أن تساعد الباحثين في النمذجة على الإجابة على اللغز الأول. كما يقترح أن رمال تيتان يمكن أن تتشكل عن طريق تجلط بسيط للجسيمات العضوية في الغلاف الجوي ، لأنها أسهل بكثير في الالتصاق ببعضها البعض. هذا يمكن أن يساعد في فهم اللغز الثاني لكثبان الرمال تيتان ".
بالإضافة إلى ذلك ، فإن هذه الدراسة لها آثار على دراسة أجسام أخرى غير تيتان. قال يو: "لقد وجدنا مواد عضوية في العديد من أجسام النظام الشمسي الأخرى ، خاصة الأجسام الجليدية في النظام الشمسي الخارجي ، مثل بلوتو ، قمر نبتون تريتون ، والمذنب 67 بي". "ويتم إنتاج بعض المواد العضوية كيميائيًا بشكل مشابه لـ Titan. وقد وجدنا بالفعل خصائص الرياح التي تحملها الرياح (تسمى السمات الأيولية) على تلك الأجسام أيضًا ، لذا يمكن تطبيق نتائجنا على هذه الأجسام الكوكبية أيضًا ".
في العقد القادم ، من المتوقع أن تستكشف بعثات متعددة أقمار النظام الشمسي الخارجي وتكشف أشياء عن بيئاتها الغنية التي يمكن أن تساعد في تسليط الضوء على أصول الحياة هنا على الأرض. بالإضافة إلى ذلك ، فإن تلسكوب جيمس ويب الفضائي (من المتوقع الآن نشرها في عام 2021) ستستخدم أيضًا مجموعة أدواتها المتقدمة لدراسة كواكب النظام الشمسي على أمل معالجة هذه الأسئلة الملحة.
