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    L'habitabilité de Titan et de son océan

    La plus grosse lune de Saturne, Titan, cache un océan souterrain qui pourrait potentiellement abriter la vie. Crédit :NASA/JPL–Caltech/Space Science Institute

    La plus grosse lune de Saturne, Titan, est un foyer de molécules organiques, abritant une soupe d'hydrocarbures complexes similaire à celle qui aurait existé il y a plus de quatre milliards d'années sur la Terre primordiale. la surface de Titan, cependant, est dans un congélateur à -179 degrés Celsius (-290 degrés Fahrenheit, ou 94 kelvins). La vie telle que nous la connaissons ne peut pas exister sur la surface glaciale de la lune.

    Profond souterrain, cependant, est une autre affaire. Les mesures de la gravité effectuées lors des survols du vaisseau spatial Cassini de la NASA ont révélé que Titan contient un océan sous sa coquille de glace, et dans cet océan, les conditions sont potentiellement propices à la vie.

    Une équipe financée par le NAI et dirigée par des chercheurs du Jet Propulsion Laboratory de la NASA cherche à mieux comprendre le potentiel de vie dans l'océan de Titan, et sa relation possible avec les molécules organiques dans l'atmosphère de la lune et à sa surface. La riche diversité de molécules organiques de Titan est un produit de la lumière ultraviolette du Soleil qui initie des réactions chimiques avec les gaz dominants de l'atmosphère de Titan :l'hydrogène, méthane et azote. Les hydrocarbures complexes résultants pourraient être les éléments constitutifs de la vie, ou fournir des nutriments chimiques pour la vie, et dans son océan, Titan abrite un habitat potentiel pour cette vie.

    Sous la direction de Rosaly Lopes du JPL, les quatre objectifs clés de l'équipe NAI sont de déterminer comment ces molécules organiques sont transportées entre l'atmosphère, la surface et l'océan, quels processus se produisent alors dans l'océan pour le rendre habitable, quelles biosignatures la vie océanique produit alors, et enfin comment ces biosignatures sont ensuite transportées vers la surface, où ils pourraient être détectés.

    Planification de projet

    Le projet, qui a été financé par le NAI pendant cinq ans jusqu'en avril 2023, est organisé autour des voies que les molécules organiques et les biosignatures empruntent à travers l'atmosphère et la coquille de glace entourant l'océan.

    L'équipe compte actuellement 30 membres répartis dans plusieurs institutions. « Sous chaque objectif, nous avons plusieurs enquêtes, et chaque enquête a un enquêteur principal, " dit Lopes. Chaque enquête fonctionne selon un calendrier, de sorte que les résultats produits par les investigations sur le premier objectif, le transport des molécules organiques, puissent alimenter les études des objectifs suivants.

    La formation de composés organiques dans l'atmosphère de Titan, qui contribuent à la brume qui obscurcit la surface. Crédit :ESA/ATG Medialab

    "Notre science suit les molécules organiques sur leur chemin depuis le sommet de l'atmosphère où elles se construisent, à travers la croûte et dans l'océan, et s'il y a de la biologie là-bas, comment ces matières organiques remontent à la surface et deviennent visibles, " explique le géochimiste et chercheur principal adjoint sur le projet, Mike Malaska du JPL.

    Objectif 1 :Transports

    Les premiers résultats scientifiques du projet proviennent de Conor Nixon et de son équipe de la NASA Goddard, qui ont utilisé l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) au Chili pour étudier le contenu chimique de l'atmosphère de Titan. Savoir exactement quelles espèces moléculaires se trouvent dans l'atmosphère permet aux chercheurs de construire un modèle photochimique complet de l'atmosphère qui jette les bases pour comprendre quelles matières organiques sont capables d'atteindre la surface et potentiellement d'entrer dans l'océan.

    Une grande partie de notre connaissance de l'atmosphère de Titan provient du vaisseau spatial Cassini, spécifiquement l'instrument de spectromètre infrarouge CIRS. Cependant, dit Nixon, certaines espèces moléculaires étaient trop faibles dans l'infrarouge pour être détectées par le CIRS, mais ils sont beaucoup plus brillants pour ALMA. En particulier, Nixon cite plusieurs molécules de cyanure, CH3CN, C2H3CN et C2H5CN, qui sont des molécules clés contenant de l'azote dans l'atmosphère de Titan qu'ALMA a pu détecter. Pendant ce temps, il y a beaucoup plus d'espèces moléculaires qui ont été détectées par Cassini et ALMA. Ce dernier a détecté des variations spatiales des gaz organiques à l'état de traces créés par la décomposition du méthane et de l'azote moléculaire par la lumière ultraviolette solaire. Au fur et à mesure que ces gaz traces dérivent dans l'atmosphère vers la surface, ils peuvent réagir avec d'autres molécules organiques pour former des composés organiques toujours plus complexes. La variation spatiale observée peut donc avoir un impact sur l'abondance et les types de matières organiques à la surface, et quelles matières organiques sont proches des voies d'accès dans le sous-sol.

    Cassini a observé Titan pendant une demi-année saturnienne, de l'hiver nordique à l'été nordique; maintenant que la mission Cassini est terminée, ALMA pourra observer comment l'atmosphère change pendant le reste de l'année de Saturne et de Titan, et comment l'abondance des molécules organiques change avec elle. Par exemple, L'analyse des données de Cassini par l'équipe NAI a révélé des variations saisonnières des hydrocarbures C3Hx tels que le propane et le propyne dans la stratosphère de Titan.

    Les recherches restantes dans le cadre de l'Objectif 1 consistent à comprendre comment les molécules sont transportées à la surface après leur précipitation hors de l'atmosphère, qui est une tâche dirigée par le groupe d'Alex Hayes à l'Université Cornell. L'étape suivante consiste à comprendre comment les matières organiques sont modifiées en surface, et ensuite comment ils sont déplacés de la surface à l'océan.

    Cette dernière requête a donné une possibilité surprenante. L'un des principaux résultats du projet à ce jour est un article de Kelly Miller, Hunter Waite et Christopher Glein, membre de l'équipe NAI du Southwest Research Institute au Texas, qui propose que l'atmosphère d'azote de Titan provient de molécules organiques qui ont été piégées à l'intérieur de Titan lorsque la lune s'est formée, et le chauffage ultérieur de ces gaz a libéré de l'azote qui s'est infiltré jusqu'à la surface. Aux fins du projet NAI, cela suggère qu'il y a déjà des matières organiques à l'intérieur de Titan qui pourraient entrer dans l'océan par le bas, donc même si les matières organiques ne peuvent pas atteindre l'océan depuis la surface, l'océan pourrait encore contenir les éléments constitutifs de la vie.

    Un schéma montrant la création, précipitation et transport à la surface de composés organiques. Crédit :ESA

    "Ces matières organiques peuvent en fait être capables de s'infiltrer par cryovolcanisme, " dit Lopes, créant également une origine possible pour certains des éléments organiques à la surface de Titan.

    Objectif 2 :Habitabilité

    S'il existe des voies permettant aux matières organiques de traverser la coquille de glace de la surface à l'océan en dessous, alors la prochaine étape est de déterminer si l'océan, ou n'importe où dans la glace sur le voyage vers l'océan, est potentiellement habitable. C'est là que les biologistes de l'équipe, étudier la haute pression, organismes tolérants au froid, entrer en jeu.

    Avant que cela puisse être fait, il faut en savoir plus sur l'océan. Bien que Cassini ait confirmé que l'océan existe via des mesures de gravité, "Ce que nous ne savons pas, c'est la composition exacte de l'océan, sa densité, son profil thermique, la structure globale de la croûte de glace au-dessus de celle-ci, " dit Malaska.

    Pour mieux comprendre l'océan et son potentiel d'habitabilité, les chercheurs de l'équipe partent de plusieurs compositions possibles dont on peut raisonnablement s'attendre à ce qu'elles existent, et travailler à l'envers, développer des modèles théoriques.

    Bien qu'il puisse être impossible d'explorer directement le sous-sol profond ou l'océan de Titan, l'équipe NAI a l'intention d'utiliser à la fois la modélisation théorique et les expériences de laboratoire pour simuler les conditions possibles, pour mieux comprendre l'interface entre la banquise et l'océan, et l'océan au noyau rocheux, et le flux d'oxydants et de réducteurs à ces interfaces qui pourraient soutenir les microbes.

    Une coupe transversale de ce à quoi pourrait ressembler l'intérieur de Titan, avec la chimie organique dans l'atmosphère et en surface, au-dessus d'une croûte de glace qui enveloppe un océan mondial, qui à son tour peut se trouver au-dessus d'une autre couche de glace entourant un noyau rocheux. Crédit :A.D. Fortes/UCL/STFC

    Objectif 3 :Vie

    Pour que la vie puisse exister dans ou près de l'océan de Titan, il doit y avoir une source d'énergie chimique à métaboliser. En s'appuyant sur les travaux réalisés dans les objectifs 1 et 2 relatifs à ce que les matières organiques atteignent l'océan et à quoi ressemble l'environnement de l'océan, l'équipe pourra alors construire des modèles théoriques de la quantité d'énergie disponible dans l'océan, ainsi que les métabolismes possibles qui pourraient exister dans ces conditions, pour évaluer la probabilité que la vie puisse y survivre.

    En supposant que l'océan soit habitable, avec des sources d'énergie chimique et un approvisionnement sain en matières organiques, l'environnement à haute pression et à basse température peut restreindre la variété des formes de vie qui pourraient y exister. Cependant, un organisme terrestre que l'équipe considère comme un exemple approprié est Pelobacter acétylenicus , qui peut survivre sur l'acétylène comme seule source d'énergie métabolique et de carbone.

    « Notre objectif est de penser à Pelobacter acétylenicus comme organisme modèle, quelque chose qui pourrait exister dans le sous-sol profond de Titan, " dit Malaska. Des expériences de laboratoire seront menées, placer des microbes tels que Pelobacter acétylenicus dans des environnements simulés décrits par la modélisation théorique susmentionnée pour voir si les microbes peuvent s'y développer, apprendre comment ils s'adaptent pour survivre, et quels nouveaux types de biomolécules pourraient résulter de ces adaptations. Ces biomolécules peuvent alors laisser derrière elles des biosignatures, des traces moléculaires de vie.

    Cependant, alors que l'existence possible de la vie dans l'océan de Titan est bien beau, nous devons également être en mesure de détecter cette vie via des biosignatures. Comprendre ce que la vie pourrait laisser de biomarqueurs est donc le deuxième volet de l'Objectif 3, et une base de données de biosignatures potentielles sera produite, y compris les isotopes du carbone, l'azote et l'oxygène, ainsi que des structures biologiques telles que les lipides dans les membranes cellulaires.

    Objectif 4 :Détection

    Bien sûr, si les biosignatures restent dans l'océan, ils seront impossibles à détecter depuis l'orbite ou en surface. Par conséquent, l'objectif final est de rechercher les moyens par lesquels ces biosignatures peuvent être transportées à la surface - l'inverse de la partie de l'objectif 1 qui a exploré les moyens par lesquels les matières organiques pourraient atteindre l'océan depuis la surface.

    Une fausse couleur, Représentation 3D des données radar de Cassini montrant une caractéristique sur Titan appelée Sotra Facula, qui semble être un cryovolcan inactif. Crédit :NASA/JPL–Caltech/USGS/University of Arizona

    Les principaux moyens de transport sont susceptibles d'être soit convectifs (c'est-à-dire plus chauds, neige fondante) la glace s'élevant vers le haut, ou peut-être le cryovolcanisme.

    "Le méthane dans l'atmosphère est détruit par la lumière ultraviolette, il doit donc y avoir un réapprovisionnement, " fait remarquer Lopes. " Et il se peut qu'il y ait encore du dégazage. "

    Bien qu'aucun cryovolcanisme actif n'ait encore été détecté sur Titan, plusieurs caractéristiques à la surface ont été identifiées comme potentiellement cryovolcaniques. « Nous étudions déjà les moyens théoriques selon lesquels le cryovolcanisme peut transporter de la matière, " dit Lopes, en prévision de la disponibilité des résultats de l'objectif 3.

    Le transport vers la surface pourrait également créer des environnements habitables en cours de route. Lorsque Mike Malaska fait référence au sous-sol profond, il ne veut pas seulement dire l'océan, mais des réservoirs qui pourraient également exister dans des poches le long des voies que la matière organique entre et sort de la coquille de glace. En particulier, il dit, entre 7 et 30 kilomètres sous la surface, à la frontière entre le raide, glace cassante et la plus ductile, glace plus douce, où les températures et les pressions seraient quelque peu similaires à 2 ou 3 kilomètres sous l'Antarctique, il pourrait exister de minuscules espaces entre les grains de glace de la coquille de glace où des microbes tels que Pelobacter acétylenicus pourrait prospérer. Être plus près de la surface que la coquille de glace pourrait également signifier que les biomarqueurs résultants de ces poches de vie souterraine pourraient atteindre la surface plus facilement.

    Cela soulève également la question de savoir comment les biosignatures pourraient être modifiées chimiquement lorsqu'elles s'élèvent à travers les voies dans la coquille de glace, rencontrer des environnements différents - eau liquide, glace fondante, et de la glace solide, qui aurait alors un impact sur ce que nous pourrions nous attendre à détecter à la surface. Finalement, une fois qu'ils atteignent la surface, Comment les futures missions sur Titan détecteront-elles ces biomarqueurs ? Le but ultime de l'enquête est de brosser un tableau d'une biosphère potentielle sur Titan, pour que les scientifiques sachent quoi chercher, et quoi concevoir des instruments à détecter, quand nous reviendrons sur Titan.

    "C'est notre grand objectif, pour essayer d'évaluer Titan comme un système potentiellement habitable, " dit Malaska. "Nous allons créer une liste de biomarqueurs potentiels et essayer d'indiquer où sur la surface pourrait être un bon endroit pour les rechercher."

    Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du magazine Astrobiology de la NASA. Explorez la Terre et au-delà sur www.astrobio.net .




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