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Es braucht mindestens drei Elemente, um das Leben, wie wir es kennen, zu beherbergen: Wasser, Energie und eine Atmosphäre. Unter dem Mars und den Monden um Jupiter und Saturn gibt es Hinweise auf ein oder zwei dieser drei Elemente, aber weniger ist bekannt, wenn ein vollständiger Satz verfügbar ist. Nur der Saturnmond Titan hat eine mit dem Druck der Erde vergleichbare Atmosphäre und ist viel dicker als der Mars (1% des Meeresspiegeldrucks der Erde).
Der interessanteste Punkt bei Simulationen des Kohlenwasserstoffdunstes von Titan ist, dass diese smogige Komponente Moleküle enthält, die Tholine genannt werden (vom griechischen Wort schlammig) und die Grundlage für die Bausteine des Lebens bilden können. Zum Beispiel bilden sich Aminosäuren, einer der Bausteine des irdischen Lebens, wenn diese rotbraunen smogartigen Partikel in Wasser gegeben werden. Wie Carl Sagan betonte, kann Titan in Bezug auf seine Chemie als eine breite Parallele zur frühen terrestrischen Atmosphäre angesehen werden, und auf diese Weise ist es sicherlich für die Ursprünge des Lebens relevant.
In diesem Sommer soll das 1997 gestartete Cassini-Raumschiff der NASA vier Jahre lang in die Umlaufbahn um Saturn und seine Monde fliegen. Anfang 2005 soll die huckepack-Huygens-Sonde in die dunstige Titanatmosphäre eintauchen und auf der Mondoberfläche landen. An Bord des Cassini Spacecraft-Orbiters befinden sich 12 Instrumente und an Bord der Huygens-Sonde 6 Instrumente. Die Huygens-Sonde ist hauptsächlich auf die Probenahme in der Atmosphäre ausgerichtet. Die Sonde kann Messungen durchführen und Bilder bis zu einer halben Stunde an der Oberfläche aufzeichnen. Die Sonde hat jedoch keine Beine. Wenn sie sich auf der Oberfläche des Titanen niederlässt, ist ihre Ausrichtung zufällig. Und seine Landung darf nicht an einem Ort erfolgen, der organische Stoffe trägt. Bilder, in denen sich Cassini in seiner aktuellen Umlaufbahn befindet, werden ständig aktualisiert und können im Verlauf der Mission eingesehen werden.
Das Astrobiology Magazine hatte Gelegenheit, mit dem Forscher Jean-Michel Bernard von der Universität Paris darüber zu sprechen, wie die komplexe Chemie von Titan in einem terrestrischen Reagenzglas simuliert werden kann. Seine Simulationen der Titan-Umgebung bauen auf der klassischen präbiotischen Suppe auf, die vor fünfzig Jahren von den Forschern der Universität Chicago, Harold Urey und Stanley Miller, entwickelt wurde.
Astrobiology Magazine (AM): Was hat Ihr Interesse an der atmosphärischen Chemie von Titan geweckt?
Jean-Michel Bernard (JB): Wie erzeugen zwei einfache Moleküle (Stickstoff und Methan) eine sehr komplexe Chemie? Wird Chemie zur Biochemie? Die jüngsten Entdeckungen des Lebens unter extremen Bedingungen auf der Erde (Bakterien am Südpol bei -40 ° C und Archaeen bei mehr als +110 ° C in der Nähe hydrothermaler Quellen) lassen vermuten, dass Leben auf anderen Welten und anderen vorhanden sein könnte Bedingungen.
Titan hat astrobiologisches Interesse, da es der einzige Satellit im Sonnensystem mit einer dichten Atmosphäre ist. Die Titanatmosphäre besteht aus Stickstoff und Methan. Die energetischen Partikel, die aus der Umgebung von Sonne und Saturn stammen, ermöglichen eine komplexe Chemie wie die Bildung von Kohlenwasserstoffen und Nitrilen. Die Partikel erzeugen auch einen permanenten Dunst um den Satelliten, Regen von Methan, Winde, Jahreszeiten. Kürzlich scheinen auf der Oberfläche des Titanen Kohlenwasserstoffseen entdeckt worden zu sein. Ich denke, dass diese Entdeckung, wenn sie von der Cassini-Huygens-Mission bestätigt wird, von großem Interesse sein wird.
Es würde Titan zu einem Analogon zur Erde machen, da es eine Atmosphäre (Gas), Seen (Flüssigkeit), Dunst und Boden (Feststoff) haben würde, die drei notwendigen Umgebungen für das Erscheinen von Leben.
Die Zusammensetzung von Titans Dunst ist unbekannt. Es sind nur optische Daten verfügbar, die aufgrund der Komplexität dieses kohlenstoffhaltigen Materials schwer zu analysieren sind. Es wurden viele Experimente durchgeführt, um die Chemie der Titanatmosphäre nachzuahmen, insbesondere die Aerosolanaloga, die von Carl Sagans Gruppe als "Tholine" bezeichnet wurden. Es scheint, dass Tholine am Ursprung des Lebens beteiligt sein könnten. In der Tat führt die Hydrolyse dieser Titan-Aerosolanaloga zur Bildung von Aminosäuren, den Vorläufern des Lebens.
AM: Können Sie Ihre experimentelle Simulation zur Erweiterung der Miller-Urey-Experimente auf eine Weise beschreiben, die auf die niedrigen Temperaturen und die einzigartige Chemie von Titan zugeschnitten ist?
JB: Seit den Miller-Urey-Experimenten wurden viele experimentelle Simulationen des vermeintlichen präbiotischen Systems durchgeführt. Nach dem Abrufen der Voyager-Daten schien es jedoch notwendig, auf diesen Ansatz zurückzukommen, um die Atmosphäre des Titanen zu simulieren. Dann führten mehrere Wissenschaftler solche Simulationsexperimente durch, indem sie ein Stickstoff-Methan-Gemisch in ein System wie Millers Apparat einführten. Ein Problem wurde jedoch aufgrund des Unterschieds zwischen den Versuchsbedingungen und den Bedingungen des Titanen offensichtlich. Der Druck und die Temperatur waren nicht repräsentativ für die Umgebung von Titan. Dann beschlossen wir, Experimente durchzuführen, die den Druck und die Temperatur der Titan-Stratosphäre reproduzieren: ein Gasgemisch aus 2% Methan in Stickstoff, einen niedrigen Druck (ca. 1 mbar) und ein kryogenes System, um eine niedrige Temperatur zu erreichen. Darüber hinaus befindet sich unser System in einem Handschuhfach, das reinen Stickstoff enthält, um eine Kontamination der festen Produkte durch die Umgebungsluft zu vermeiden.
AM: Was ist Ihrer Meinung nach die beste Energiequelle, um die synthetische Chemie von Titan auszulösen: die Magnetosphäre von Saturnpartikeln, Sonnenstrahlung oder etwas anderem?
JB: Wissenschaftler diskutieren darüber, welche Energiequelle die Energiequellen in der Titanatmosphäre am besten simulieren würde. Ultraviolette (UV) Strahlung? Kosmische Strahlung? Elektronen und andere energetische Teilchen aus der Saturn-Magnetosphäre? Alle diese Quellen sind beteiligt, aber ihr Auftreten hängt von der Höhe ab: extreme ultraviolette Strahlung und Elektronen in der Ionosphäre, UV-Licht in der Stratosphäre, während kosmische Strahlen in der Troposphäre auftreten.
Ich denke, die passende Frage sollte lauten: Was ist das experimentelle Ziel? Um die Cyanwasserstoff (HCN) -Chemie in der Titan-Stratosphäre zu verstehen, ist eine Simulation mit UV-Strahlung von HCN angebracht. Wenn das Ziel darin besteht, die Auswirkungen elektrischer Felder zu bestimmen, die durch galaktische kosmische Strahlen in der Troposphäre erzeugt werden, ist eine Koronaentladung einer simulierten Titanatmosphäre vorzuziehen.
Bei der Untersuchung der stratosphärischen Bedingungen von Titan haben wir uns für eine elektrische Entladung in unserer Simulation entschieden. Diese Wahl wird von einer Minderheit von Wissenschaftlern bestritten, da die Hauptenergiequelle in der Stratosphäre von Titan UV-Strahlung ist. Aber unsere Ergebnisse bestätigten unser Experiment. Wir haben alle auf Titan beobachteten organischen Spezies entdeckt. Wir haben das Vorhandensein von CH3CN (Acetonitril) vor seiner Beobachtung vorhergesagt. Wir haben zum ersten Mal Dicyanoacetylen, C4N2, nachgewiesen, ein instabiles Molekül bei Raumtemperatur, das auch in der Titanatmosphäre nachgewiesen wurde. Die mittlere Infrarotsignatur der in unserem Experiment erzeugten festen Produkte stimmte mit den Beobachtungen von Titan überein.
AM: Wie sind Ihre Ergebnisse Teil der geplanten atmosphärischen Tests für die Cassini-Huygens-Sonde?
JB: In Zusammenarbeit mit einem Team des Observatoire Astronomique de Bordeaux in Frankreich haben wir die Dielektrizitätskonstanten von Aerosolanaloga bestimmt. Auf diese Weise können wir abschätzen, wie sich die Atmosphäre und die Oberflächeneigenschaften von Titan auf die Leistung der Cassini-Huygens-Radarexperimente auswirken könnten. Der Höhenmesser an Bord der Huygens-Sonde könnte durch die Aerosoleigenschaften beeinflusst werden. Es müssen jedoch ergänzende Experimente durchgeführt werden, um dieses Ergebnis zu bestätigen.
Vor zwei Jahren haben wir ein Gasgemisch eingeführt, N2 / CH4 / CO (98 / 1,99 / 0,01). Ziel war es, den Einfluss von Kohlenmonoxid, der am häufigsten mit Sauerstoff angereicherten Verbindung auf Titan, zu bestimmen. Überraschenderweise haben wir Oxiran in der Gasphase als das sauerstoffhaltige Hauptprodukt nachgewiesen. Dieses instabile Molekül wurde im interstellaren Medium entdeckt, aber theoretische Modelle sagen es für die Chemie des Titanen nicht voraus. Vielleicht ist dieses Molekül jedoch auf Titan vorhanden.
Derzeit analysieren wir die ersten Moleküle, Radikale, Atome und Ionen (oder „Spezies“), die in unserem experimentellen Reaktor erzeugt werden. Wir verwenden Infrarotspektrometrie und UV-sichtbare Emission, um angeregte Spezies wie CN, CH, NH, C2, HCN, C2H2 zu untersuchen. Als nächstes werden wir die Korrelation zwischen der Häufigkeit dieser Arten und den Strukturen der festen Produkte beobachten. Wenn wir diese experimentellen Ergebnisse mit einem theoretischen Modell kombinieren, das in Zusammenarbeit mit der Universität von Porto in Portugal entwickelt wurde, erhalten wir ein besseres Verständnis für die Chemie, die im experimentellen Reaktor auftritt. Auf diese Weise können wir die Cassini-Huygens-Daten und die Trübungsbildung von Titan analysieren.
Unser Team ist auch auf der Ebene der Missionswissenschaften beteiligt, da einer der Wissenschaftler der Mission auch in unserer Gruppe am Laboratoire Interuniversitaire des Systems Atmosphären (LISA) ist. Unsere Labor-Tholine werden als Leitfaden zur Kalibrierung mehrerer Instrumente auf der Huygens-Sonde und dem Cassini-Orbiter verwendet.
An Bord der Sonde und des Orbiters befinden sich 18 Instrumente. Für die Gaschromatographie und Massenspektroskopie [GC-MS] sind Kalibrierungstests erforderlich. Die GC-MS wird Chemikalien in der Titanatmosphäre identifizieren und messen.
Kalibrierungstests sind auch für den Aerosolkollektor und den Pyrolysator (ACP) erforderlich. Bei diesem Experiment werden Aerosolpartikel durch Filter aus der Atmosphäre angesaugt und anschließend die in Öfen eingeschlossenen Proben erhitzt, um flüchtige Stoffe zu verdampfen und die komplexen organischen Materialien zu zersetzen.
Das Composite Infrared Spectrometer (CIRS), ein thermisches Messgerät am Orbiter, muss ebenfalls kalibriert werden. Im Vergleich zu früheren Weltraummissionen ist das Spektrometer an Bord von Cassini-Huygens eine signifikante Verbesserung. Die spektrale Auflösung ist zehnmal höher als die des Spektrometers des Voyager-Raumfahrzeugs.
AM: Haben Sie zukünftige Pläne für diese Forschung?
JB: Unser nächster Schritt ist ein von Marie-Claire Gazeau entwickeltes Experiment namens „SETUP“. Das Experiment besteht aus zwei Teilen: einem kalten Plasma zur Dissoziation von Stickstoff und einem photochemischen Reaktor zur Photodissoziation von Methan. Dies wird uns eine bessere globale Simulation des Titan-Zustands geben.
Ursprüngliche Quelle: NASA Astrobiology Magazine
