Crédito de imagen: ESA
Se necesitan al menos tres elementos para albergar la vida tal como la conocemos: agua, energía y una atmósfera. Entre Marte y las lunas alrededor de Júpiter y Saturno, hay evidencia de uno o dos de estos tres elementos, pero se sabe menos si hay un conjunto completo disponible. Solo la luna de Saturno, Titán, tiene una atmósfera comparable a la presión de la Tierra, y es mucho más gruesa que la marciana (1% de la presión del nivel del mar de la Tierra).
El punto más interesante sobre las simulaciones de la neblina de hidrocarburos de Titán es que este componente de smog contiene moléculas llamadas tholins (de la palabra griega, fangosa) que pueden formar los cimientos de los componentes básicos de la vida. Por ejemplo, los aminoácidos, uno de los componentes básicos de la vida terrestre, se forman cuando estas partículas de color rojo pardo se colocan en el agua. Como señaló Carl Sagan, Titán puede considerarse como un amplio paralelo a la atmósfera terrestre temprana con respecto a su química y, de esta manera, es ciertamente relevante para los orígenes de la vida.
Este verano, la nave espacial Cassini de la NASA, lanzada en 1997, entrará en órbita alrededor de Saturno y sus lunas durante cuatro años. A principios de 2005, la sonda Huygens a cuestas está programada para sumergirse en la brumosa atmósfera de Titán y aterrizar en la superficie de la luna. Hay 12 instrumentos a bordo del orbitador de la nave espacial Cassini, y 6 instrumentos a bordo de la sonda Huygens. La sonda Huygens está orientada principalmente al muestreo de la atmósfera. La sonda está equipada para tomar medidas y grabar imágenes durante una media hora en la superficie. Pero la sonda no tiene patas, por lo que cuando se coloque en la superficie de Titán su orientación será aleatoria. Y su aterrizaje puede no ser por un sitio que contenga productos orgánicos. Las imágenes de dónde está Cassini en su órbita actual se actualizan continuamente y están disponibles para verlas a medida que avanza la misión.
La revista Astrobiology tuvo la oportunidad de hablar con el investigador científico Jean-Michel Bernard, de la Universidad de París, sobre cómo simular la compleja química de Titán en un tubo de ensayo terrestre. Sus simulaciones del entorno de Titán se basan en la clásica sopa prebiótica, iniciada por primera vez hace cincuenta años por los investigadores de la Universidad de Chicago, Harold Urey y Stanley Miller.
Astrobiology Magazine (AM): ¿Qué fue lo primero que estimuló su interés en la química atmosférica de Titán?
Jean-Michel Bernard (JB): ¿Cómo dos moléculas simples (nitrógeno y metano) crean una química muy compleja? ¿La química se convierte en bioquímica? Los descubrimientos recientes de la vida en condiciones extremas en la Tierra (bacterias en el Polo Sur a -40 ° C y arqueas a más de +110 ° C en las proximidades de fuentes hidrotermales) permiten suponer que la vida podría estar presente en otros mundos y otros condiciones
Titán tiene interés astrobiológico porque es el único satélite del sistema solar con una atmósfera densa. La atmósfera de Titán está hecha de nitrógeno y metano. Las partículas energéticas que provienen del Sol y el medio ambiente de Saturno permiten una química compleja, como la formación de hidrocarburos y nitrilos. Las partículas también generan una neblina permanente alrededor del satélite, lluvias de metano, vientos, estaciones. Recientemente, lagos de hidrocarburos parecen haberse detectado en la superficie de Titán. Creo que este descubrimiento, si es confirmado por la misión Cassini-Huygens, será de gran interés.
Haría de Titán un análogo a la Tierra, ya que tendría una atmósfera (gas), lagos (líquido), neblina y tierra (sólida), los tres ambientes necesarios para la aparición de la vida.
La composición de la bruma de Titán es desconocida. Solo hay datos ópticos disponibles y son difíciles de analizar debido a la complejidad de este material carbonoso. Se han llevado a cabo muchos experimentos para imitar la química de la atmósfera de Titán, especialmente los análogos de aerosoles llamados "tholins" por el grupo de Carl Sagan. Parece que las tholins podrían estar involucradas en el origen de la vida. De hecho, la hidrólisis de estos análogos de aerosol Titán da lugar a la formación de aminoácidos, los precursores de la vida.
A.M: ¿Puede describir su simulación experimental para extender los experimentos de Miller-Urey de una manera personalizada para las bajas temperaturas y la química única de Titán?
JB: Desde los experimentos de Miller-Urey, se han llevado a cabo muchas simulaciones experimentales del supuesto sistema prebiótico. Pero después de la recuperación de los datos de la Voyager, parecía necesario volver a este enfoque para simular la atmósfera de Titán. Luego, varios científicos llevaron a cabo tales experimentos de simulación mediante la introducción de una mezcla de nitrógeno y metano en un sistema como el aparato de Miller. Pero un problema se hizo evidente debido a la diferencia entre las condiciones experimentales y las condiciones de Titán. La presión y la temperatura no eran representativas del medio ambiente de Titán. Luego decidimos llevar a cabo experimentos que reproducen la presión y la temperatura de la estratosfera de Titán: una mezcla de gases del 2% de metano en nitrógeno, una presión baja (aproximadamente 1 mbar) y un sistema criogénico para tener una temperatura baja. Además, nuestro sistema se coloca en una guantera que contiene nitrógeno puro para evitar la contaminación del aire ambiente de los productos sólidos.
A.M: ¿Cuál consideras que es la mejor fuente de energía para activar la química sintética de Titán: la magnetosfera de partículas de Saturno, la radiación solar u otra cosa?
JB: Los científicos debaten sobre qué fuente de energía simularía mejor las fuentes de energía en la atmósfera de Titán. Radiación ultravioleta (UV)? ¿Rayos cósmicos? ¿Electrones y otras partículas energéticas procedentes de la magnetosfera de Saturno? Todas estas fuentes están involucradas, pero su ocurrencia depende de la altitud: radiación ultravioleta extrema y electrones en la ionosfera, luz UV en la estratosfera, mientras que los rayos cósmicos ocurren en la troposfera.
Creo que la pregunta adecuada debería ser: ¿Cuál es el objetivo experimental? Si se trata de comprender la química del cianuro de hidrógeno (HCN) en la estratosfera de Titán, es apropiada una simulación con radiación UV de HCN. Si el objetivo es determinar los efectos de los campos eléctricos generados por los rayos cósmicos galácticos en la troposfera, es preferible una descarga en corona de una atmósfera de Titán simulada.
Al estudiar las condiciones estratosféricas de Titán, elegimos usar una descarga eléctrica en nuestra simulación. Esta elección es cuestionada por una minoría de científicos porque la principal fuente de energía en la estratosfera de Titán es la radiación UV. Pero nuestros resultados validaron nuestro experimento. Detectamos todas las especies orgánicas observadas en Titán. Predijimos la presencia de CH3CN (acetonitrilo) antes de su observación. Detectamos por primera vez dicianoacetileno, C4N2, una molécula inestable a temperatura ambiente que también se ha detectado en la atmósfera de Titán. La firma infrarroja media de los productos sólidos creados en nuestro experimento estaba en línea con las observaciones de Titán.
A.M: ¿Cómo son sus resultados parte de las pruebas atmosféricas planificadas para la sonda Cassini-Huygens?
JB: Después de colaborar con un equipo del Observatorio Astronómico de Burdeos en Francia, determinamos las constantes dieléctricas de los análogos de aerosoles. Esto nos permitirá estimar cómo la atmósfera y las propiedades de la superficie de Titán podrían afectar el rendimiento de los experimentos de radar Cassini-Huygens. El altímetro a bordo de la sonda Huygens podría verse afectado por las propiedades del aerosol, pero deben realizarse experimentos complementarios para confirmar este resultado.
Hace dos años, introdujimos una mezcla de gases, N2 / CH4 / CO (98 / 1.99 / 0.01). El objetivo era determinar el impacto del monóxido de carbono, el compuesto oxigenado más abundante en Titán. Sorprendentemente, detectamos oxirano en la fase gaseosa como el principal producto oxigenado. Esta molécula inestable fue descubierta en el medio interestelar, pero los modelos teóricos no la predicen para la química de Titán. Sin embargo, tal vez esta molécula está presente en Titán.
Actualmente, estamos analizando las primeras moléculas, radicales, átomos e iones (o "especies") creados dentro de nuestro reactor experimental. Estamos utilizando espectrometría de infrarrojos y emisión UV-visible para estudiar especies excitadas como CN, CH, NH, C2, HCN, C2H2. A continuación, observaremos la correlación entre la abundancia de estas especies y las estructuras de los productos sólidos. Al unir estos resultados experimentales con un modelo teórico desarrollado en colaboración con la Universidad de Oporto en Portugal, tendremos una mejor comprensión de la química que se produce en el reactor experimental. Esto nos permitirá analizar los datos de Cassini-Huygens y la formación de turbidez de Titán.
Nuestro equipo también participa en el nivel de la ciencia de la misión, ya que uno de los científicos de la misión también está en nuestro grupo en el Laboratoire Inter-Universitaire des Syst? Mes Atmosph? Riques, LISA). Nuestros tholins de laboratorio se utilizarán como guías para calibrar varios de los instrumentos en la sonda Huygens y el orbitador Cassini.
Hay 18 instrumentos a bordo de la sonda y el orbitador. Se necesitan pruebas de calibración para cromatografía de gases y espectroscopía de masas [GC-MS]. El GC-MS identificará y medirá los productos químicos en la atmósfera de Titán.
También se necesitan pruebas de calibración para el Aerosol Collector and Pyrolyser (ACP). Este experimento extraerá partículas de aerosol de la atmósfera a través de filtros, luego calentará las muestras atrapadas en hornos para vaporizar los volátiles y descomponer los materiales orgánicos complejos.
El espectrómetro infrarrojo compuesto (CIRS), un instrumento de medición térmica en el orbitador, también necesita ser calibrado. En comparación con las misiones anteriores del espacio profundo, el espectrómetro a bordo de Cassini-Huygens es una mejora significativa, con una resolución espectral diez veces mayor que el espectrómetro de la nave espacial Voyager.
A.M: ¿Tienes planes futuros para esta investigación?
JB: Nuestro siguiente paso es un experimento desarrollado por Marie-Claire Gazeau, llamado "CONFIGURACIÓN". El experimento tiene dos partes: un plasma frío para disociar el nitrógeno y un reactor fotoquímico para fotodisociar el metano. Esto nos dará una mejor simulación global de la condición de Titán.
Fuente original: Revista de Astrobiología de la NASA
