В лаборатории на Земле воссоздали атмосферу Титана

Международная исследовательская группа, возглавляемая доктором Фабианом Шульцем и доктором Жюльеном Майяром, впервые в истории сумела воссоздать в лабораторных условиях атмосферу Титана, самого большого спутника Сатурна.

Работа описана в статье "Визуализация органической дымки Титана в атомном масштабе", опубликованной в журнале Astrophysical Journal Letters. Коротко об этом сообщает Phys.org.

Исследование дало интригующие результаты, поскольку Титан по некоторым своим характеристикам похож на Землю. Существует мнение, что этот спутник Сатурна является объектом, пригодным для колонизации.

Основные знания о Титане были получены при помощи космического аппарата Cassini, который вращался вокруг Сатурна с 2004 по 2017 годы. За это время он провел и множество прямых измерений атмосферы Титана. Благодаря полученным данным удалось установить, что между атмосферой и поверхностью этого объекта происходят реакции, характерные для органической химии.

Кроме того, было установлено, что Титан - это единственное, помимо Земли, космическое тело в Солнечной системе, на котором присутствует плотная азотная атмосфера и происходят органические процессы. Ученые считают, что примерно 2,8 миллиарда лет назад аналогичной атмосферой обладала и Земля.

На основании имеющихся данных исследователи решили воссоздать атмосферу Титана в лабораторных условиях. Однако сделать это оказалось совсем непросто. Она буквально пропитана плотной фотохимической дымкой, рассеивающей свет.

"Мгла Титана состоит из наночастиц, состоящих из самых разных крупных и сложных органических молекул, содержащих углерод, водород и азот, - пишут исследователи. - Эти молекулы образуются в каскаде химических реакций, когда (ультрафиолетовое и космическое) излучение попадает в смесь метана, азота и других газов".

Аналогов такой системы до сих пор не находили, поэтому наука многого не знает о процессах, управляющих атмосферой Титана. Нет в распоряжении ученых и точных данных о химической структуре крупных молекул, из которых состоит упомянутая дымка. В течение десятилетий астрохимики проводили лабораторные эксперименты с аналогичными органическими молекулами, известными как толины.

Последние относятся к широкому спектру органических углеродсодержащих соединений, которые образуются при воздействии солнечного ультрафиолета или космических лучей. Эти молекулы распространены во внешней части Солнечной системы и обычно встречаются в ледяных телах.

Вот и в новом исследовании группа ученых провела эксперимент, наблюдая толины на различных стадиях образования. Исследователи пишут, что для этого они сначала заполнили сосуд из нержавеющей стали смесью метана и азота.

Затем искусственно инициировали химические реакции при помощи электрических разрядов. Тем самым ученые имитировали атмосферные условия Титана. На завершающем этапе были проанализированы более 100 молекул, полученных в результате искусственно вызванных химических реакций.

Ученым удалось получить около десятка изображений толинов с атомным разрешением. Изучение этих снимков дало представление о различных стадиях роста молекул, а также об их химическом составе. По сути, исследователям удалось воссоздать не только ключевой компонент атмосферы Титана, но и сам процесс формирования дымки.

"Впервые мы наблюдаем молекулярную архитектуру синтетических соединений, аналогичную тем, которые, как считается, вызывают оранжевую дымку атмосферы Титана, - пишут исследователи. - Это дает нам новый инструмент для анализа образцов астробиологических материалов, включая метеориты и образцы, полученные с различных планет".

Кроме того, полученные результаты могут пролить свет на загадочный гидрологический цикл Титана. На Земле подобный цикл заключается в переходе воды из газообразного состояния в жидкое. На Титане тот же цикл основан на метане, который выпадает в виде метанового дождя, образуя знаменитые углеводородные озера.