Même si le Cassini Orbiteur a terminé sa mission le 15 septembre 2017, les données qu'il a recueillies sur Saturne et sa plus grande lune, Titan, continuent d'étonner et d'étonner. Au cours des treize années passées en orbite autour de Saturne et à effectuer des survols de ses lunes, la sonde a recueilli une multitude de données sur l'atmosphère, la surface, les lacs de méthane et le riche environnement organique de Titan que les scientifiques continuent de parcourir.
Par exemple, il y a la question des mystérieuses «dunes de sable» de Titan, qui semblent être de nature organique et dont la structure et les origines demeurent sont restées un mystère. Pour résoudre ces mystères, une équipe de scientifiques de l'Université John Hopkins (JHU) et de la société de recherche Nanomechanics ont récemment mené une étude sur les dunes de Titan et ont conclu qu'elles se sont probablement formées dans les régions équatoriales de Titan.
Leur étude, «D'où vient le sable Titan: aperçu des propriétés mécaniques des candidats Titan Sand», a récemment été publiée en ligne et a été soumise au Journal of Geophysical Research: Planets. L'étude a été dirigée par Xinting Yu, un étudiant diplômé du Département des sciences de la terre et des planètes (EPS) à JHU, et comprenait les professeurs adjoints EPS Sarah Horst (conseiller de Yu) Chao He, et Patricia McGuiggan, avec le soutien de Bryan Crawford de Nanomechanics Inc.
Pour le décomposer, les dunes de sable de Titan ont été repérées à l'origine par Cassini's instruments radar dans la région de Shangri-La près de l'équateur. Les images obtenues par la sonde montraient de longues stries sombres linéaires qui ressemblaient à des dunes balayées par le vent similaires à celles trouvées sur Terre. Depuis leur découverte, les scientifiques ont émis l'hypothèse qu'ils sont constitués de grains d'hydrocarbures qui se sont déposés à la surface de l'atmosphère de Titan.
Dans le passé, les scientifiques ont supposé qu’ils se forment dans les régions du nord autour des lacs de méthane de Titan et sont distribués dans la région équatoriale par les vents de la lune. Mais d'où proviennent ces grains et comment ils ont été distribués dans ces formations ressemblant à des dunes, est resté un mystère. Cependant, comme Yu l'a expliqué à Space Magazine par e-mail, ce n'est qu'une partie de ce qui rend ces dunes mystérieuses:
«Tout d'abord, personne ne s'attendait à voir des dunes de sable sur Titan avant la mission Cassini-Huygens, car les modèles de circulation mondiale prédisaient que les vitesses du vent sur Titan étaient trop faibles pour souffler les matériaux pour former des dunes. Cependant, à travers Cassini, nous avons vu de vastes champs de dunes linéaires qui couvrent près de 30% des régions équatoriales de Titan!
"Deuxièmement, nous ne savons pas comment les sables Titan sont formés. Les matériaux dunaires sur Titan sont complètement différents de ceux sur Terre. Sur Terre, les matériaux des dunes sont principalement des fragments de sable silicaté altérés par les roches silicatées. Sur Titan, les matériaux des dunes sont des matières organiques complexes formées par photochimie dans l'atmosphère, tombant au sol. Des études montrent que les particules de dunes sont assez grosses (au moins 100 microns), tandis que les particules organiques formées par photochimie sont encore assez petites près de la surface (seulement environ 1 micron). Nous ne savons donc pas comment les petites particules organiques sont transformées en grosses particules de dunes de sable (vous avez besoin d'un million de petites particules organiques pour former une seule particule de sable!)
"Troisièmement, nous ne savons pas non plus où les particules organiques de l'atmosphère sont traitées pour devenir plus grosses et former les particules de dunes. Certains scientifiques pensent que ces particules peuvent être traitées partout pour former les particules de dunes, tandis que d'autres chercheurs pensent que leur formation doit être impliquée dans les liquides de Titan (méthane et éthane), qui ne sont actuellement situés que dans les régions polaires. "
Pour éclairer cela, Yu et ses collègues ont mené une série d'expériences pour simuler des matériaux transportés sur des corps terrestres et glacés. Cela consistait à utiliser plusieurs sables naturels de la Terre, comme le sable de plage silicaté, le sable carbonaté et le sable de gypse blanc. Pour simuler les types de matériaux trouvés sur Titan, ils ont utilisé des tholines produites en laboratoire, qui sont des molécules de méthane qui ont été soumises à un rayonnement UV.
La production de tholines a été spécifiquement menée pour recréer les types d'aérosols organiques et les conditions de photochimie qui sont courants sur Titan. Cela a été fait en utilisant le système expérimental Planetary HAZE Research (PHAZER) de l'Université Johns Hopkins - pour lequel la chercheuse principale est Sarah Horst. La dernière étape a consisté à utiliser une technique de nano-identification (supervisée par Bryan Crawford de Nanometrics Inc.) pour étudier les propriétés mécaniques des sables et tholins simulés.
Cela consistait à placer les simulants de sable et les tholins dans une soufflerie pour déterminer leur mobilité et voir s'ils pouvaient être répartis selon les mêmes schémas. Comme Yu l'a expliqué:
«La motivation derrière l'étude est d'essayer de répondre au troisième mystère. Si les matériaux des dunes sont traités par des liquides, qui sont situés dans les régions polaires de Titan, ils doivent être suffisamment solides pour être transportés des pôles aux régions équatoriales de Titan, où se trouvent la plupart des dunes. Cependant, les tholines que nous avons produites en laboratoire sont en quantités extrêmement faibles: l'épaisseur du film de tholin que nous avons produit n'est que d'environ 1 micron, environ 1 / 10-1 / 100 de l'épaisseur des cheveux humains. Pour y faire face, nous avons utilisé une technique à l'échelle nanométrique très intrigante et précise appelée nanoindentation pour effectuer les mesures. Même si les indentations et les fissures produites sont toutes à l'échelle nanométrique, nous pouvons toujours déterminer avec précision les propriétés mécaniques comme le module de Young (indicateur de rigidité), la dureté de nanoindentation (dureté) et la ténacité à la rupture (indicateur de fragilité) du film mince. »
En fin de compte, l'équipe a déterminé que les molécules organiques trouvées sur Titan sont beaucoup plus molles et plus cassantes par rapport aux sables les plus mous de la Terre. En termes simples, les tholins qu'ils ont produits ne semblaient pas avoir la force de parcourir l'immense distance qui sépare les lacs de méthane du nord de Titan et la région équatoriale. À partir de cela, ils ont conclu que les sables organiques de Titan se sont probablement formés près de leur emplacement.
"Et leur formation ne peut pas impliquer de liquides sur Titan, car cela nécessiterait une énorme distance de transport de plus de 2000 kilomètres des pôles du Titan à l'équateur", a ajouté Yu. «Les particules organiques molles et cassantes seraient broyées en poussière avant d'atteindre l'équateur. Notre étude a utilisé une méthode complètement différente et a renforcé certains des résultats déduits des observations de Cassini. »
En fin de compte, cette étude représente une nouvelle direction pour les chercheurs en ce qui concerne l'étude de Titan et d'autres corps du système solaire. Comme Yu l'a expliqué, dans le passé, les chercheurs étaient pour la plupart contraints de Cassini données et modélisation pour répondre aux questions sur les dunes de sable de Titan. Cependant, Yu et ses collègues ont pu utiliser des analogues produits en laboratoire pour répondre à ces questions, malgré le fait que Cassini la mission est maintenant terminée.
De plus, cette étude la plus récente est sûre d’être d’une immense valeur alors que les scientifiques continuent de Cassini's données en prévision de futures missions à Titan. Ces missions visent à étudier plus en détail les dunes de sable de Titan, les lacs de méthane et la riche chimie organique. Comme Yu l'a expliqué:
«[N] es résultats peuvent non seulement aider à comprendre l'origine des dunes et des sables de Titan, mais ils fourniront également des informations cruciales pour d'éventuelles futures missions d'atterrissage sur Titan, comme Dragonfly (l'un des deux finalistes (sur douze propositions) sélectionnés pour développement du concept par le programme New Frontiers de la NASA). Les propriétés matérielles des matières organiques sur Titan peuvent en fait fournir des indices incroyables pour résoudre certains des mystères de Titan.
«Dans une étude que nous avons publiée l'année dernière dans JGR-planets (2017, 122, 2610–2622), nous avons découvert que les forces interparticulaires entre les particules de tholin sont beaucoup plus grandes que le sable ordinaire sur Terre, ce qui signifie que les matières organiques sur Titan sont beaucoup plus cohésif (ou plus collant) que les sables silicatés sur Terre. Cela implique que nous avons besoin d'une plus grande vitesse du vent pour souffler les particules de sable sur Titan, ce qui pourrait aider les chercheurs en modélisation à répondre au premier mystère. Cela suggère également que les sables Titan pourraient se former par simple coagulation de particules organiques dans l'atmosphère, car elles sont beaucoup plus faciles à coller ensemble. Cela pourrait aider à comprendre le deuxième mystère des dunes de sable de Titan. »
De plus, cette étude a des implications pour l'étude de corps autres que Titan. "Nous avons trouvé des matières organiques sur de nombreux autres corps du système solaire, en particulier les corps glacés du système solaire externe, tels que Pluton, la lune de Triton de Neptune et la comète 67P", a déclaré Yu. «Et certains des produits organiques sont produits photochimiquement de la même manière que Titan. Et nous avons également découvert des caractéristiques soufflées par le vent (appelées caractéristiques éoliennes) sur ces corps, de sorte que nos résultats pourraient également être appliqués à ces corps planétaires. »
Au cours de la prochaine décennie, plusieurs missions devraient explorer les lunes du système solaire externe et révéler des choses sur leurs environnements riches qui pourraient aider à faire la lumière sur les origines de la vie ici sur Terre. De plus, le Télescope spatial James Webb (qui devrait maintenant être déployé en 2021) utilisera également sa combinaison d'instruments avancés pour étudier les planètes du système solaire dans l'espoir de répondre à ces questions brûlantes.
