土衛六上有沙子？是從哪裡來的？

原標題：土衛六上有沙子？是從哪裡來的？

儘管卡西尼號軌道飛行器在2017年9月15日結束了任務，它在土星和它最大的衛星土衛六上收集到的數據仍然讓人驚訝和驚奇。在環繞土星飛行並對其衛星進行飛越的13年里，探測器收集了大量有關土衛六大氣、地表、甲烷湖和豐富的有機環境的數據，科學家們一直在仔細研究這些數據。例如在土衛六上有一個神秘的「沙丘」，看起來是有機的，其結構和起源仍然是個謎。為了解開這些謎團，來自約翰霍普金斯大學(JHU)和研究公司納米力學的科學家們最近對土衛六的沙丘進行了研究，並得出結論，它們很可能形成於土衛六的赤道地區。

這張由卡西尼號太空船拍攝的土衛六的真彩色圖像顯示了月球濃厚的、朦朧的大氣層。圖片：NASA

博科園-科學科普：研究「土衛六的沙子從哪裡來：土衛六沙源的力學性質的洞察力」，最近提交給地球物理研究期刊：行星。這項研究由JHU地球與行星科學系的研究生Yu Xinting Yu領導，包括EPS助理教授Sarah Horst (Yu的顧問)Chao He和Patricia McGuiggan，由納米力學公司的Bryan Crawford提供支持。為了將其分解，「泰坦」的沙丘最初是由卡西尼號的雷達設備在靠近赤道地區發現的。探測器獲得的圖像顯示出長長的、線性的黑色條紋，看上去就像被風吹過的沙丘，與地球上發現的類似。

自從他們的發現，科學家們已經建立了理論，認為是由土衛六大氣中沉積在地表的碳氫化合物顆粒組成。在過去科學家們推測它們是在土衛六的甲烷湖周圍的北部地區形成，並被衛星風分布到赤道地區。但是這些顆粒究竟從何而來，以及它們是如何在這些沙丘狀的地層中分布的，仍然是一個謎。然而正如余華解釋的那樣，這只是這些沙丘神秘的部分原因：首先在卡西尼-惠更斯號執行任務之前，沒有人會想到土衛六上有任何沙丘，因為全球環流模型預測土衛六上的風速過於微弱，無法將這些物質吹成沙丘。

土衛六上的沙丘，在卡西尼的雷達(上圖)上可以看到，類似於地球上的納米比亞沙丘。在最上面的圖片中看起來像雲的特徵實際上是地形特徵。圖片：NASA

然而，通過卡西尼號我們看到了巨大的線性沙丘場，幾乎覆蓋了土衛六赤道地區的30%！其次不確定土衛六的沙子是如何形成。土衛六上的沙丘物質與地球上的完全不同。在地球上，沙丘物質主要是由硅酸鹽岩石風化的硅酸鹽砂岩碎片。在土衛六上，沙丘材料是由大氣中的光化學組成的複雜的有機物，落到地面上。研究表明，沙丘顆粒相當大(至少100微米)，而光化學形成的有機顆粒在表面附近仍然很小(只有大約1微米)，所以不確定小的有機顆粒是如何轉化成大沙丘顆粒。

第三：也不知道大氣中的有機粒子是如何被「加工」成更大，形成沙丘顆粒。一些科學家認為，這些顆粒可以在任何地方被加工成沙丘顆粒，而另一些研究人員認為，它們的形成需要與土衛六的液體(甲烷和乙烷)有關，這些液體目前只存在於極地區域。為了闡明這一點，Yu和她的同事們進行了一系列的實驗，以模擬在陸地和冰冷的物體上傳輸的物質。這包括使用幾種天然的土砂，如硅酸鹽海灘砂、碳酸鹽砂和白色的石膏沙。為了模擬在土衛六上發現的各種物質，他們使用實驗室生產的tholins，這種tholins是甲烷分子，受到紫外線輻射。

卡西尼號，圖片：NASA

tholins的生產是專門用來重現土衛六上常見的有機氣溶膠和光化學條件的。這是通過約翰霍普金斯大學的行星霧霾研究(PHAZER)實驗系統完成，主要研究人員是薩拉·霍斯特(Sarah Horst)。最後一步是使用納米化技術(由納米計量公司的布萊恩·克勞福德監督)來研究模擬沙子和釷林的力學性能。這包括將沙子模擬物和松脂放入風洞中，以確定它們的流動性，並看看它們是否能以同樣的模式分布。這項研究的動機是試圖解開第三個謎團。

如果沙丘材料是通過位於土衛六極地區域的液體來處理的，那麼它們需要足夠的強度，以便從兩極運送到土衛六的赤道區域，大部分的沙丘都位於那裡。然而我們在實驗室中生產的tholins含量非常低：我們生產的tholin film的厚度只有1微米，大約是人類頭髮厚度的1/10-1/100。為了解決這個問題，使用了一種非常有趣和精確的納米尺度技術——納米壓痕技術來進行測量。即使在納米尺度下產生的縮進和裂紋，仍然可以精確地確定薄膜的力學性質，如楊氏模量(剛度指標)、納米壓痕硬度(硬度)和斷裂韌性(脆性指標)。

泰坦上沙丘的雷達圖像。圖片：NASA/JPL–Caltech/ASI/ESA and USGS/ESA

最後研究小組確定，與地球上最柔軟的沙子相比，土衛六上發現的有機分子更加柔軟和脆弱。簡單地說，他們生產的tholins似乎沒有足夠的力量去穿越泰坦北部甲烷湖和赤道地區之間的巨大距離。由此得出結論，土衛六上的有機沙子很可能是在它們所在的地方附近形成的。形成可能不涉及土衛六上的液體，因為這需要從土衛六的兩極到赤道長達2000多公里的巨大運輸距離。柔軟而脆弱的有機顆粒在到達赤道之前會被磨成粉末。

研究採用了一種完全不同的方法，並從卡西尼的觀測中得到了一些結論。最後這項研究為研究泰坦和太陽系中的其他天體提供了一個新方向。正如余先生所解釋的：在過去研究人員大多局限於卡西尼的數據和模型來回答關於泰坦的沙丘的問題。然而Yu和她的同事能夠使用實驗室製作的模擬來解決這些問題，儘管「卡西尼」任務現在已經結束。

更重要的是這項最新的研究肯定具有巨大的價值，因為科學家們將繼續研究卡西尼的數據，以預測未來土衛六的任務。這些任務旨在更詳細地研究土衛六的沙丘、甲烷湖和豐富的有機化學。就像余先生解釋的：研究結果不僅有助於了解土衛六的沙丘和沙灘的起源，還將為土衛六未來可能的著陸任務提供重要的信息，比如「蜻蜓」(「蜻蜓」)(「蜻蜓」是美國宇航局新前沿項目」(New Frontiers program)選擇的兩項最終方案中的一項)。土衛六上有機物的物質特性可以提供驚人的線索來解決泰坦上的一些謎團。

概念蜻蜓被部署到泰坦並開始它的探索任務。圖片：APL/Michael Carroll

去年在jgra -行星(2017年，122,2610-2622)上發表的一項研究中發現，在地球上，tholin粒子之間的粒子間的作用力要比地球上的普通沙子大得多，這意味著土衛六上的有機物比地球上的硅酸鹽更有粘性(或者更粘稠)。這意味著我們需要更大的風速來吹散土衛六上的沙粒，這將有助於建模研究人員解開第一個謎團。它還表明，土衛六的沙子可以通過大氣中有機顆粒的簡單凝結形成，因為它們更容易粘在一起，這可能有助於理解土衛六沙丘的第二個謎團。

此外，本研究對除土衛六外的其他天體的研究也有一定啟示。已經在許多太陽系外的天體上發現了有機物，尤其是太陽系的冰冷天體，比如冥王星、海王星的衛星Triton和67P彗星。有些有機物的光化學性質與土衛六類似。也在這些星體上發現了風吹的特徵(被稱為風吹的特徵)，所以我們的結果也可以應用到這些行星上。在未來的十年里，多個任務預計將探索太陽系外的衛星，揭示它們豐富的環境，有助於揭示地球上生命的起源。此外詹姆斯韋伯太空望遠鏡(目前預計將於2021年部署)也將使用其先進的儀器來研究太陽系的行星，希望能解決這些亟待解決的問題。

博科園-科學科普｜文：Matt Williams｜來自：Universe Today｜參考期刊：arXiv

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