Titan, Saturnus största måne, är ett naturligt laboratorium för att studera livets ursprung. Som jorden, Titan har en tät atmosfär och säsongsbetonade vädercykler, men den kemiska och mineralogiska sammansättningen är väsentligt olika. Nu, jordbundna forskare har återskapat månens förhållanden i små glascylindrar, avslöjar grundläggande egenskaper hos två organiska molekyler som tros existera som mineraler på Titan.

Forskarna kommer att presentera sina resultat i dag på höstmötet i American Chemical Society (ACS).

"Enkla organiska molekyler som är flytande på jorden är typiskt fasta iskalla mineralkristaller på Titan på grund av dess extremt låga temperaturer, ner till -290 F, " säger Tomče Runčevski, Ph.D., projektets huvudutredare. "Vi fann att två av molekylerna som sannolikt är rikliga på Titan - acetonitril (ACN) och propionitril (PCN) - förekommer övervägande i en kristallin form som skapar mycket polära nanoytor, som skulle kunna fungera som mallar för självmontering av andra molekyler av prebiotiskt intresse."

Det mesta av det vi vet nu om denna isiga värld är tack vare Cassini-Huygens uppdrag 1997-2017 till Saturnus och dess månar. Från det uppdraget, forskare vet att Titan är en övertygande plats att studera hur livet uppstod. Som jorden, Titan har en tät atmosfär, men den består till största delen av kväve, med en touch av metan. Det är den enda kända kroppen i rymden, annat än jorden, där tydliga bevis på stabila pooler av ytvätska har hittats. Drivs av solens energi, Saturnus magnetfält och kosmiska strålar, både kväve och metan reagerar på Titan för att producera organiska molekyler av olika storlekar och komplexitet. ACN och PCN tros finnas närvarande i månens karakteristiska gula dis som aerosoler, och de regnar ner på ytan, lägger sig som fasta bitar av mineraler.

Egenskaperna hos dessa molekyler på jorden är välkända, men deras egenskaper under titanliknande förhållanden har inte studerats förrän nu. "I labbet, vi återskapade förhållanden på Titan i små glascylindrar, " säger Runčevski. "Vanligtvis, vi introducerar vatten, som fryser till is när vi sänker temperaturen för att simulera Titan-atmosfären. Vi toppar det med etan, som blir en vätska, efterlikna kolvätesjöarna som Cassini-Huygens hittade." Kväve läggs till cylindern, och ACN och PCN introduceras för att simulera den atmosfäriska nederbörden. Forskarna höjer och sänker sedan temperaturerna något för att imitera temperatursvängningarna på månens yta.

Kristallerna som bildades analyserades med synkrotron- och neutrondiffraktionsinstrument, spektroskopiska experiment och kalorimetriska mätningar. Arbetet, med stöd av beräkningar och simuleringar, involverade Runčevskis team från Southern Methodist University, såväl som forskare från Argonne National Laboratory, National Institute of Standards and Technology, och New York University.

"Vår forskning avslöjade mycket om strukturerna hos planetariska isar som tidigare var okända, " säger Runčevski. "T.ex. fann vi att en kristallin form av PCN inte expanderar likformigt längs dess tre dimensioner. Titan går igenom temperatursvängningar, och om den termiska expansionen av kristallerna inte är enhetlig i alla riktningar, det kan få månens yta att spricka." Sådan detaljerad kunskap om dessa mineraler kan hjälpa teamet att bättre förstå hur Titans yta är.

Runčevski förbereder nu kristaller av ACN, PCN, och ACN- och PCN-blandningar för att erhålla detaljerade spektra. "Forskare kommer då att kunna jämföra dessa kända spektra med spektralbiblioteket som samlats in av Cassini-Huygens och tilldela oidentifierade band, " säger han. Studierna kommer att hjälpa till att bekräfta mineralsammansättningen på Titan och kommer sannolikt att ge insikter för forskare som arbetar på ett kommande NASA-uppdrag till Titan, lanseras 2027.