Saturnus största måne, Titan, är en härd av organiska molekyler, som hyser en soppa av komplexa kolväten som liknar den som troddes ha funnits för över fyra miljarder år sedan på den ursprungliga jorden. Titans yta, dock, är i en djupfrysning vid –179 grader Celsius (–290 grader Fahrenheit, eller 94 kelvin). Livet som vi känner det kan inte existera på månens kyliga yta.

Djupt under jorden, dock, är en annan sak. Tyngdkraftsmätningar som gjordes under förbiflygningar av NASA:s rymdfarkost Cassini avslöjade att Titan innehåller ett hav under sitt isskal, och inom detta hav, förhållanden är potentiellt lämpliga för livet.

Ett NAI-finansierat team ledd av forskare vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory försöker bättre förstå potentialen för liv i Titans hav, och dess möjliga samband med de organiska molekylerna i månens atmosfär och på dess yta. Titans rika mångfald av organiska molekyler är en produkt av ultraviolett ljus från solen som initierar kemiska reaktioner med de dominerande gaserna i Titans atmosfär - väte, metan och kväve. De resulterande komplexa kolvätena kan vara livets byggstenar, eller tillhandahålla kemiska näringsämnen för livet, och inom sitt hav har Titan en potentiell livsmiljö för det livet.

Leds av JPL:s Rosaly Lopes, NAI-teamets fyra huvudmål är att bestämma hur dessa organiska molekyler transporteras mellan atmosfären, ytan och havet, vilka processer sker sedan i havet för att göra det beboeligt, vilka biosignaturer havslivet sedan producerar, och slutligen hur dessa biosignaturer sedan transporteras tillbaka till ytan, där de kunde upptäckas.

Projekt planering

Projektet, som har finansierats av NAI i fem år fram till april 2023, är organiserad kring de vägar som organiska molekyler och biosignaturer tar genom atmosfären och isskalet som omger havet.

Teamet har för närvarande 30 medlemmar fördelade på ett antal institutioner. "Under varje mål har vi flera utredningar, och varje utredning har en ledande utredare, " säger Lopes. Varje utredning fungerar enligt ett schema, så att resultat från undersökningar av det första målet - transporten av organiska molekyler - kan ingå i studier i de efterföljande målen.

"Vår vetenskap följer de organiska molekylerna på deras väg från toppen av atmosfären där de konstrueras, ner genom jordskorpan och in i havet, och om det händer biologi där nere, hur dessa organiska ämnen arbetar sig tillbaka upp till ytan och blir synliga, " säger geokemist och biträdande huvudutredare om projektet, Mike Malaska från JPL.

Mål 1:Transport

De första vetenskapliga resultaten från projektet har kommit från Conor Nixon och hans team vid NASA Goddard, som har använt Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) i Chile för att studera det kemiska innehållet i Titans atmosfär. Att veta exakt vilka molekylarter som finns i atmosfären gör det möjligt för forskare att bygga en omfattande fotokemisk modell av atmosfären som lägger grunden för att förstå vilka organiska ämnen som kan nå ytan och potentiellt komma in i havet.

Mycket av vår kunskap om Titans atmosfär kommer från rymdfarkosten Cassini, specifikt CIRS infraröda spektrometerinstrument. Dock, säger Nixon, vissa molekylarter var för svaga i infrarött för att kunna detekteras av CIRS, men de är mycket ljusare för ALMA. Särskilt, Nixon citerar flera cyanidmolekyler, CH3CN, C2H3CN och C2H5CN, som är viktiga kvävehaltiga molekyler i Titans atmosfär som ALMA kunde detektera. Under tiden, det finns många fler molekylära arter som har upptäckts av både Cassini och ALMA. Den senare har upptäckt rumsliga variationer i spårorganiska gaser som skapats genom uppdelningen av metan och molekylärt kväve av solens ultravioletta ljus. När dessa spårgaser driver genom atmosfären mot ytan, de kan reagera med andra organiska molekyler för att bilda allt mer komplexa organiska ämnen. Den observerade rumsliga variationen kan därför påverka mängden och typerna av organiska ämnen på ytan, och vilka organiska ämnen som ligger nära vägar in i underytan.

Cassini observerade Titan i ett halvt Saturnian år, från nordlig vinter till nordlig sommar; nu när Cassini-uppdraget har avslutats, ALMA kommer att kunna observera hur atmosfären förändras under resten av Saturnus och Titans år – och hur mängden organiska molekyler förändras med den. Till exempel, analys av Cassini-data av NAI-teamet har hittat säsongsvariationer i C3Hx-kolvätena som propan och propyn i Titans stratosfär.

De återstående undersökningarna som en del av mål 1 handlar om att förstå hur molekyler transporteras över ytan efter att de har fällts ut ur atmosfären, som är en uppgift som leds av Alex Hayes grupp vid Cornell University. Nästa steg är att förstå hur de organiska materialen modifieras vid ytan, och sedan hur de flyttas från ytan till havet.

Denna senare fråga har gett en överraskande möjlighet. Ett av de viktigaste resultaten från projektet hittills är en artikel av Kelly Miller, Hunter Waite och NAI-teammedlem Christopher Glein från Southwest Research Institute i Texas, som föreslår att Titans kväveatmosfär härstammar från organiska molekyler som fångades inuti Titan när månen bildades, och den efterföljande uppvärmningen av dessa gaser frigjorde kväve som sipprade upp till ytan. För NAI-projektet, det tyder på att det redan finns organiska ämnen inuti Titan som kan komma in i havet underifrån, så även om organiska ämnen inte kan nå havet från ytan, havet kan fortfarande innehålla livets byggstenar.

"Dessa organiska ämnen kanske faktiskt kan tränga upp genom kryovulkanism, säger Lopes, skapar ett möjligt ursprung också för några av de organiska ämnen på Titans yta.

Mål 2:Beboelighet

Om det finns vägar för organiska ämnen att passera genom isskalet från ytan till havet nedanför, sedan är nästa steg att ta reda på om havet, eller var som helst i isen på resan till havet, är potentiellt beboelig. Det är här biologerna i laget, studera högtryck, kyltoleranta organismer, komma till spel.

Innan det kan göras, mer behöver veta om havet. Även om Cassini bekräftade att havet existerar via gravitationsmätningar, "Vad vi inte vet är den exakta sammansättningen av havet, dess täthet, dess termiska profil, den övergripande strukturen av den isiga skorpan ovanpå den, säger Malaska.

För att bättre förstå havet och dess potentiella beboelighet, forskare i teamet börjar med flera möjliga sammansättningar som rimligen kan förväntas existera, och arbeta baklänges, utveckla teoretiska modeller.

Även om det kan vara omöjligt att någonsin direkt utforska Titans djupa underyta eller hav, NAI-teamet avser att använda både teoretisk modellering och laboratorieexperiment för att simulera de möjliga förhållandena, för att bättre förstå gränssnittet mellan isskalet och havet, och havet med den steniga kärnan, och flödet av oxidanter och reduktionsmedel vid dessa gränssnitt som kan stödja mikrober.

Mål 3:Livet

För att liv ska kunna existera i eller nära Titans hav, det måste finnas en källa till kemisk energi för att metabolisera. Att bygga vidare på det arbete som gjorts i mål 1 och 2 angående vilka organiska ämnen som når havet och hur miljön i havet är, teamet kommer sedan att kunna konstruera teoretiska modeller för hur mycket energi som finns tillgängligt i havet, såväl som möjliga metabolismer som kan existera under dessa förhållanden, för att bedöma sannolikheten att livet skulle kunna överleva där.

Förutsatt att havet är beboeligt, med källor till kemisk energi och en hälsosam tillgång på organiska ämnen, miljön med högt tryck och låg temperatur kan begränsa mängden livsformer som kan finnas där. Dock, en landlevande organism som teamet överväger som ett lämpligt exempel är Pelobacter acetylenicus , som kan överleva på acetylen som sin enda källa till metabolisk energi och kol.

"Vårt mål är att tänka på Pelobacter acetylenicus som modellorganism, något som kan existera i den djupa underytan på Titan, " säger Malaska. Laboratorieexperiment kommer att genomföras, placera mikrober som t.ex Pelobacter acetylenicus i simulerade miljöer som beskrivs av den tidigare nämnda teoretiska modelleringen för att se om mikroberna kan frodas i dem, att lära sig hur de anpassar sig för att överleva, och vilka nya typer av biomolekyler som kan bli resultatet av dessa anpassningar. Dessa biomolekyler kan sedan lämna efter sig biosignaturer - molekylära spår av liv.

Dock, medan den möjliga existensen av liv i Titans hav är väl och bra, vi måste också kunna upptäcka det livet via biosignaturer. Att förstå vilka biomarkörer livet kan lämna är därför den andra delen av mål 3, och en databas med potentiella biosignaturer kommer att tas fram, inklusive isotoper av kol, kväve och syre, samt biologiska strukturer som lipiderna i cellmembranen.

Mål 4:Detektion

Självklart, om biosignaturerna finns kvar i havet, de kommer att vara omöjliga att upptäcka från omloppsbana eller på ytan. Därför, det slutliga målet är att hitta sätt med vilka dessa biosignaturer kan transporteras till ytan – motsatsen till den del av mål 1 som undersökte hur organiska ämnen skulle kunna nå havet från ytan.

Det huvudsakliga transportmedlet är sannolikt antingen konvektivt (d.v.s. varmare, slaskig) is som stiger uppåt, eller kanske kryovulkanism.

"Metan i atmosfären förstörs av ultraviolett ljus, så det måste bli lite påfyllning, " påpekar Lopes. "Och det kan fortfarande förekomma utgasning."

Även om ingen aktiv kryovulkanism har upptäckts på Titan ännu, flera funktioner på ytan har identifierats som potentiellt kryovulkaniska. "Vi studerar redan teoretiska sätt som kryovulkanism kan transportera material, säger Lopes, i väntan på när resultaten av mål 3 är tillgängliga.

Transporten till ytan skulle också kunna skapa beboeliga miljöer längs vägen. När Mike Malaska hänvisar till den djupa underytan, han menar inte bara havet, men reservoarer som också kan finnas i fickor längs vägarna som organiskt material tar in och ut ur isskalet. Särskilt, han säger, mellan 7 och 30 kilometer under ytan, vid gränsen mellan det stela, spröd is och desto mer seg, mjukare is, där temperaturer och tryck skulle vara något liknande 2 eller 3 kilometer under Antarktis, det kan finnas små utrymmen mellan iskornen på isskalet där mikrober som t.ex Pelobacter acetylenicus kunde trivas. Att vara närmare ytan än isskalet kan också innebära att de resulterande biomarkörerna från dessa fickor av liv under ytan lättare kan nå ytan.

Det väcker också frågan om hur biosignaturer skulle kunna förändras kemiskt när de stiger upp genom banorna i isskalet, möter olika miljöer - flytande vatten, slaskig is, och fast is – som sedan skulle påverka vad vi kunde förvänta oss att upptäcka på ytan. Till sist, när de väl når ytan, hur kommer framtida uppdrag till Titan att upptäcka dessa biomarkörer? Det slutliga målet med undersökningen är att måla en bild av en potentiell biosfär på Titan, så att forskare vet vad de ska leta efter, och vad man ska designa instrument för att upptäcka, när vi återvänder till Titan.

"Detta är vårt stora mål, att försöka utvärdera Titan som ett potentiellt beboeligt system, " säger Malaska. "Vi kommer att skapa en lista över potentiella biomarkörer och försöka ange var på ytan kan vara ett bra ställe att leta efter dem."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av NASAs Astrobiology Magazine. Utforska jorden och bortom på www.astrobio.net.