土卫六上有沙子？是从哪里来的？

来源：天文物理

尽管卡西尼号轨道飞行器在2017年9月15日结束了任务，它在土星和它最大的卫星土卫六上收集到的数据仍然让人惊讶和惊奇。在环绕土星飞行并对其卫星进行飞越的13年里，探测器收集了大量有关土卫六大气、地表、甲烷湖和丰富的有机环境的数据，科学家们一直在仔细研究这些数据。例如在土卫六上有一个神秘的“沙丘”，看起来是有机的，其结构和起源仍然是个谜。为了解开这些谜团，来自约翰霍普金斯大学(JHU)和研究公司纳米力学的科学家们最近对土卫六的沙丘进行了研究，并得出结论，它们很可能形成于土卫六的赤道地区。

这张由卡西尼号太空船拍摄的土卫六的真彩色图像显示了月球浓厚的、朦胧的大气层。图片：NASA

博科园-科学科普：研究“土卫六的沙子从哪里来：土卫六沙源的力学性质的洞察力”，最近提交给地球物理研究期刊：行星。这项研究由JHU地球与行星科学系的研究生Yu Xinting Yu领导，包括EPS助理教授Sarah Horst (Yu的顾问)Chao He和Patricia McGuiggan，由纳米力学公司的Bryan Crawford提供支持。为了将其分解，“泰坦”的沙丘最初是由卡西尼号的雷达设备在靠近赤道地区发现的。探测器获得的图像显示出长长的、线性的黑色条纹，看上去就像被风吹过的沙丘，与地球上发现的类似。

自从他们的发现，科学家们已经建立了理论，认为是由土卫六大气中沉积在地表的碳氢化合物颗粒组成。在过去科学家们推测它们是在土卫六的甲烷湖周围的北部地区形成，并被卫星风分布到赤道地区。但是这些颗粒究竟从何而来，以及它们是如何在这些沙丘状的地层中分布的，仍然是一个谜。然而正如余华解释的那样，这只是这些沙丘神秘的部分原因：首先在卡西尼-惠更斯号执行任务之前，没有人会想到土卫六上有任何沙丘，因为全球环流模型预测土卫六上的风速过于微弱，无法将这些物质吹成沙丘。

土卫六上的沙丘，在卡西尼的雷达(上图)上可以看到，类似于地球上的纳米比亚沙丘。在最上面的图片中看起来像云的特征实际上是地形特征。图片：NASA

然而，通过卡西尼号我们看到了巨大的线性沙丘场，几乎覆盖了土卫六赤道地区的30%！其次不确定土卫六的沙子是如何形成。土卫六上的沙丘物质与地球上的完全不同。在地球上，沙丘物质主要是由硅酸盐岩石风化的硅酸盐砂岩碎片。在土卫六上，沙丘材料是由大气中的光化学组成的复杂的有机物，落到地面上。研究表明，沙丘颗粒相当大(至少100微米)，而光化学形成的有机颗粒在表面附近仍然很小(只有大约1微米)，所以不确定小的有机颗粒是如何转化成大沙丘颗粒。

第三：也不知道大气中的有机粒子是如何被“加工”成更大，形成沙丘颗粒。一些科学家认为，这些颗粒可以在任何地方被加工成沙丘颗粒，而另一些研究人员认为，它们的形成需要与土卫六的液体(甲烷和乙烷)有关，这些液体目前只存在于极地区域。为了阐明这一点，Yu和她的同事们进行了一系列的实验，以模拟在陆地和冰冷的物体上传输的物质。这包括使用几种天然的土砂，如硅酸盐海滩砂、碳酸盐砂和白色的石膏沙。为了模拟在土卫六上发现的各种物质，他们使用实验室生产的tholins，这种tholins是甲烷分子，受到紫外线辐射。

卡西尼号，图片：NASA

tholins的生产是专门用来重现土卫六上常见的有机气溶胶和光化学条件的。这是通过约翰霍普金斯大学的行星雾霾研究(PHAZER)实验系统完成，主要研究人员是萨拉·霍斯特(Sarah Horst)。最后一步是使用纳米化技术(由纳米计量公司的布莱恩·克劳福德监督)来研究模拟沙子和钍林的力学性能。这包括将沙子模拟物和松脂放入风洞中，以确定它们的流动性，并看看它们是否能以同样的模式分布。这项研究的动机是试图解开第三个谜团。

如果沙丘材料是通过位于土卫六极地区域的液体来处理的，那么它们需要足够的强度，以便从两极运送到土卫六的赤道区域，大部分的沙丘都位于那里。然而我们在实验室中生产的tholins含量非常低：我们生产的tholin film的厚度只有1微米，大约是人类头发厚度的1/10-1/100。为了解决这个问题，使用了一种非常有趣和精确的纳米尺度技术——纳米压痕技术来进行测量。即使在纳米尺度下产生的缩进和裂纹，仍然可以精确地确定薄膜的力学性质，如杨氏模量(刚度指标)、纳米压痕硬度(硬度)和断裂韧性(脆性指标)。

泰坦上沙丘的雷达图像。图片：NASA/JPL–Caltech/ASI/ESA and USGS/ESA

最后研究小组确定，与地球上最柔软的沙子相比，土卫六上发现的有机分子更加柔软和脆弱。简单地说，他们生产的tholins似乎没有足够的力量去穿越泰坦北部甲烷湖和赤道地区之间的巨大距离。由此得出结论，土卫六上的有机沙子很可能是在它们所在的地方附近形成的。形成可能不涉及土卫六上的液体，因为这需要从土卫六的两极到赤道长达2000多公里的巨大运输距离。柔软而脆弱的有机颗粒在到达赤道之前会被磨成粉末。

研究采用了一种完全不同的方法，并从卡西尼的观测中得到了一些结论。最后这项研究为研究泰坦和太阳系中的其他天体提供了一个新方向。正如余先生所解释的：在过去研究人员大多局限于卡西尼的数据和模型来回答关于泰坦的沙丘的问题。然而Yu和她的同事能够使用实验室制作的模拟来解决这些问题，尽管“卡西尼”任务现在已经结束。

更重要的是这项最新的研究肯定具有巨大的价值，因为科学家们将继续研究卡西尼的数据，以预测未来土卫六的任务。这些任务旨在更详细地研究土卫六的沙丘、甲烷湖和丰富的有机化学。就像余先生解释的：研究结果不仅有助于了解土卫六的沙丘和沙滩的起源，还将为土卫六未来可能的着陆任务提供重要的信息，比如“蜻蜓”(“蜻蜓”)(“蜻蜓”是美国宇航局新前沿项目”(New Frontiers program)选择的两项最终方案中的一项)。土卫六上有机物的物质特性可以提供惊人的线索来解决泰坦上的一些谜团。

概念蜻蜓被部署到泰坦并开始它的探索任务。图片：APL/Michael Carroll

去年在jgra -行星(2017年，122,2610-2622)上发表的一项研究中发现，在地球上，tholin粒子之间的粒子间的作用力要比地球上的普通沙子大得多，这意味着土卫六上的有机物比地球上的硅酸盐更有粘性(或者更粘稠)。这意味着我们需要更大的风速来吹散土卫六上的沙粒，这将有助于建模研究人员解开第一个谜团。它还表明，土卫六的沙子可以通过大气中有机颗粒的简单凝结形成，因为它们更容易粘在一起，这可能有助于理解土卫六沙丘的第二个谜团。

此外，本研究对除土卫六外的其他天体的研究也有一定启示。已经在许多太阳系外的天体上发现了有机物，尤其是太阳系的冰冷天体，比如冥王星、海王星的卫星Triton和67P彗星。有些有机物的光化学性质与土卫六类似。也在这些星体上发现了风吹的特征(被称为风吹的特征)，所以我们的结果也可以应用到这些行星上。在未来的十年里，多个任务预计将探索太阳系外的卫星，揭示它们丰富的环境，有助于揭示地球上生命的起源。此外詹姆斯韦伯太空望远镜(目前预计将于2021年部署)也将使用其先进的仪器来研究太阳系的行星，希望能解决这些亟待解决的问题。

文：Matt Williams

参考期刊：arXiv