Jättemolekyler spårade på Titan

Institutet för rymdfysik, IRF, deltar med ett instrument på Cassini. Det är en så kallad Langmuir-sond som byggts av IRF i Uppsala. Instrumentet mäter de joner och elektroner som finns i rymden runt Cassini, och har bland annat bidragit till att forskarna nu har en helt annan och mycket bättre bild av hur den kemiska "fabrik" som finns i Titans övre atmosfär fungerar.

Titan är den enda månen i solsystemet som har en tät atmosfär. Den består mestadels av kväve och metan, vilket gör att den är lik den atmosfär jorden hade i sin tidigaste barndom. Dessutom kan det bildas komplexa organiska föreningar på Titan, när solljuset och annan strålning träffar molekyler i Titans övre atmosfär.

Långa kedjor av kolväten och kväve

Och organiska föreningar bildas det. Enorma makromolekyler och i mycket stora mängder.

– Tack vare Cassinis masspektrometer har vi ett tag vetat att det finns molekyler med en vikt på åtminstone 100 atommasseenheter, säger Jan-Erik Wahlund, docent vid Institutet för rymdfysik i Uppsala och ansvarig för gruppen som sköter Langmuir-sonden på Cassini.

Atommasseenheter, eller "u", är den enhet forskare använder för att mäta vikten på atomer och molekyler. En kolatom väger 12 u, en kvävemolekyl 28 u och en vattenmolekyl 20 u.

– Men vi har sett att det måste finnas tyngre molekyler också. Upp till den gräns spektrometern kan mäta finns det fortfarande gott om molekyler, och det finns inget skäl till att fördelningen skulle ta slut just där instrumentets mätgräns går. Det har också funnits en hel del annan information som pekat på det.

Och nu har man hittat större molekyler. Mycket större, åtminstone upp till 40 000–50 000 u, och gott om dem.

– Det kom en hel drös vetenskapliga publikationer om detta i våras, baserade på data från olika instrument. Bland annat publicerade vi en hel del riktigt intressanta data från vår Langmuir-sond.

De artiklarna visade att det i Titans atmosfär finns långa kedjor av kolväten och kväve, bland annat så kallade nitriler, kedjor som är tusentals atomer långa. Det finns också långa kedjor av polycykliska kolväten, där bensen utgör den enklaste formen. När molekylerna är så stora kan man nästan börja prata om dem som små korn.

Exakt vad det rör sig om för molekyler vet man inte. Det gäller både de riktigt stora molekylerna, men även de betydligt mindre. Det finns helt enkelt inga experimentella data på vilken typ av molekyl som ger vilken typ av signal, inte minst för att det finns en sådan ofantlig mängd tänkbara kombinationer av kol, väte och kväve. Därför pågår nu en febril aktivitet i laboratorier världen över för att försöka återskapa det som sker i Titans atmosfär.

Material till molnen

Relativt sett är Titans övre atmosfär fullsmockad av sådana molekyler.

– Vi ser också att det blir mer tunga molekyler ju längre ner i atmosfären vi mäter. Så den nedre jonosfären domineras av de tunga molekylerna. Där utgör dessa molekyler 70 procent av den totala jonmassan.

Detta visar flera saker. Dels visar det att den här komplexa kemin uppstår när den joniserande strålningen slår in i Titans övre atmosfär. Det visar också att dessa dimpartikelstora molekyler utgör början till de partiklar längre ner i atmosfären som bygger upp de brun-röda molnslöjorna runt Titan.

Det bildas mellan hundra tusen ton och en miljon ton av dessa brun-röda partiklar per år, och "regnet" av dem ner från jonosfären kan mycket väl förklara var allt material till molnen kommer ifrån. För att få en uppfattning om hur mycket material det är så kan man jämföra med det totala infallet av stoft, grus och annat rymdmaterial på jorden, vilket är ungefär en tiondel så stort.

En annan upptäckt som IRF bidragit till är att det finns en liten men påtaglig andel negativa joner i Titans atmosfär. Det är inte helt självklart att det skulle finnas några sådana bland alla positiva joner. Men det gör det alltså.

Kittlande resultat för astrobiologerna

Titan är inte så lite rena julafton för planetforskare och astrobiologer. De sitter på första parkett vid en värld som har en tjock atmosfär, sjöar och hav och där det bevisligen bildas enorma mängder komplicerade organiska molekyler. Ett problem för astrobiologerna är att temperaturen på Titan är -180 grader, ännu lite kallare än det skulle behöva vara på grund av Titans negativa växthuseffekt. De låga temperaturerna och frånvaron av flytande vatten har gjort att man betraktat möjligheterna till den typ av liv man känner från jorden som mycket avlägsna.

Ett tänkbart alternativ som seglat upp de senaste åren är så kallat metanogent liv, som inte baseras på vatten och som skulle "andas" väte och "äta" kolväteföreningar som acetylen, och kanske etan, och "andas ut" metan. Bland annat NASA:s chefsastrobiolog Chris McKay postulerade att om det fanns sådana organismer på Titan skulle den nedre atmosfären innehålla relativt sett mindre väte än den övre, det skulle finnas mindre acetylen än väntat på ytan och mer metan i atmosfären.

Det har då av förklarliga skäl höjts ett och annat ögonbryn när resultat trillat in som pekar på en nedåt avtagande vätekoncentration, att Cassini inte kan se något acetylen på Titans yta och att det finns ett överskott av metan där.

– Nu ska man vara på det klara med att det här inte behöver betyda någonting, poängterar Jan-Erik Wahlund. Den klart sannolikast förklaringen är att det rör sig om kemiska reaktioner på ytan med en hittills okänd katalysator. Men det kittlar helt klart fantasin, visst gör det det!

Han tror att det kommer att vara svårt att få så mycket tydligare besked i denna fråga från Cassini.

– För det måste vi nog dit och gräva, konstaterar han.

Syre i kolbollar

Det finns andra forskare som menar att det borde bildas mer ordinära livsmolekyler på Titan också, genom en märklig men fullt tänkbar process. Enligt denna teori skulle trasiga vattenmolekyler från den inre saturnusmånen Enceladus blåsas ut till Titan av Saturnus magnetfält. Väl där skulle de kapslas in i en typ av klotformade kolföreningar som kallas fullerener, och i dessa "kolbollar" transporteras ner till ytan. Där skulle de syrerika molekylerna reagera med andra föreningar och bilda bland annat aminosyror. På så sätt skulle det kunna finnas en jordliknande prebiotisk kemi på Titan, trots att månen i övrigt är i stort sett syrefri.

– Det är en väldigt spekulativ teori, säger Jan-Erik Wahlund. Men Sittler, forskaren som lanserat den, är en mycket duktig forskare, så teorin måste nog tas på allvar i alla fall.