Các nhà khoa học đã tái tạo lại các điều kiện hóa học độc đáo tồn tại trên Titan, mặt trăng lớn nhất của Sao Thổ, trong các hình trụ thủy tinh nhỏ bé ở đây trên Trái đất, và thí nghiệm đã tiết lộ các đặc điểm chưa từng biết trước đây về thành phần khoáng chất của Mặt trăng.
Titan là vệ tinh lớn thứ hai trong hệ mặt trời sau Ganymede, thuộc sao Mộc, nó có bầu khí quyển dày đặc bao gồm chủ yếu là nitơ với phụ gia là mêtan. Đám mây hơi vàng này duy trì nhiệt độ khoảng -180 ° C. Bên dưới bầu khí quyển là các hồ, biển và sông chứa khí mê-tan và etan lỏng bao phủ lớp vỏ băng giá của Titan, đặc biệt là gần các cực. Giống như nước lỏng trên Trái đất, những khí tự nhiên này tham gia vào một chu kỳ trong đó chúng bay hơi, tạo thành mây, và sau đó mưa xuống bề mặt Mặt trăng.
Bầu khí quyển dày đặc, bề mặt chất lỏng và chu kỳ thời tiết theo mùa của Titan khiến mặt trăng lạnh giá này giống Trái đất, và giống như hành tinh của chúng ta, nó có các phân tử hữu cơ chứa carbon, hydro và oxy. Do hóa học hữu cơ xảy ra trên Titan, các nhà khoa học tin rằng mặt trăng có thể đóng vai trò như một phòng thí nghiệm lớn để nghiên cứu các phản ứng hóa học xảy ra trên Trái đất trước khi sự sống xuất hiện trên hành tinh.
Nhưng chỉ có một tàu vũ trụ, Cassini, đã quan sát chi tiết Sao Thổ và các vệ tinh của nó, gây khó khăn cho việc tiến hành các nghiên cứu trên mặt đất về thành phần hóa học kỳ lạ được phát hiện trên Titan. Do đó, một nhóm các nhà khoa học mới đây đã quyết định tạo mô hình Titan trong một ống nghiệm.
Đầu tiên, nhóm đặt nước lỏng vào các bình thủy tinh nhỏ và hạ nhiệt độ xuống các điều kiện tương tự như ở điều kiện của titanic. Nước đóng băng, bắt chước lớp vỏ băng giá của Titan. Sau đó, nhóm nghiên cứu thêm etan vào ống, chất này trở thành chất lỏng giống như các hồ trên bề mặt Titan. Cuối cùng, họ thêm nitơ để tạo ra bầu khí quyển của Titan, và sau đó thay đổi một chút nhiệt độ trong ống để mô phỏng sự dao động nhiệt độ trên bề mặt Titan và trong các lớp khác nhau của khí quyển.
Trong nghiên cứu mới nhất của họ, được trình bày vào ngày 26 tháng tại Cuộc họp mùa thu của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ, nhóm nghiên cứu đã bổ sung hai hợp chất, acetonitrile (ACN) và propionitrile (PCN). Dữ liệu từ sứ mệnh Cassini chỉ ra rằng những hợp chất này có rất nhiều trên Titan. Hầu hết các nghiên cứu trước đây đã nghiên cứu hai hợp chất riêng biệt, ở dạng tinh khiết của chúng, nhưng nhóm nghiên cứu muốn xem điều gì sẽ xảy ra nếu các hợp chất được trộn lẫn, như trường hợp có thể xảy ra trên Titan. Không giống như làm việc với từng hợp chất riêng biệt, nếu bạn trộn chúng với nhau, bạn có thể nhận được một kết quả hoàn toàn khác về cấu trúc, đó là cách các phân tử sẽ được tổ chức, và cách các phân tử sẽ kết tinh, hoặc chuyển thành dạng rắn.
Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng trong các điều kiện giống như titan, ACN và PCN hoạt động khá khác biệt so với một trong hai hợp chất. Cụ thể, nhiệt độ mà các hợp chất tan chảy hoặc kết tinh thay đổi đáng kể, theo thứ tự hàng trăm độ C.
Những điểm nóng chảy và kết tinh này sẽ có liên quan trong bầu khí quyển màu vàng mơ hồ của Titan. Các lớp khác nhau của khí quyển có nhiệt độ khác nhau tùy thuộc vào độ cao trên bề mặt mặt trăng, do đó, để hiểu cách các hóa chất trong khói mù hoạt động, nghiên cứu mới cho rằng cần phải tính đến những dao động nhiệt độ này.
Ngoài ra, các nhà khoa học phát hiện ra rằng khi ACN và PCN kết tinh, chúng có cấu trúc tinh thể khác nhau tùy thuộc vào việc chúng ở một mình hay có sự hiện diện của một hợp chất khác. Tinh thể được hình thành khi các phân tử riêng lẻ của một hợp chất được kết hợp thành một cấu trúc có tổ chức cao. Mặc dù các khối xây dựng của cấu trúc này - các phân tử - vẫn giống nhau, nhưng tùy thuộc vào các yếu tố như nhiệt độ, chúng có thể liên kết với nhau theo các cấu hình hơi khác nhau.
Những biến thể trong cấu trúc tinh thể này được gọi là đa hìnhvà khi ACN và PCN tự tồn tại, chúng áp dụng một dạng đa hình ở nhiệt độ cao và dạng đa hình khác ở nhiệt độ thấp. Nhưng các nhà khoa học nhận thấy rằng nếu có một hỗn hợp, thì tính ổn định của nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp, theo một nghĩa nào đó, có thể bị thay đổi. Những chi tiết nhỏ này về thời điểm và cách thức các hợp chất đạt được cấu trúc ổn định có thể thực sự thay đổi hiểu biết về những khoáng chất có thể tìm thấy trên Titan.
Sứ mệnh Dragonfly của NASA, dự kiến khởi động vào năm 2026 và đến Sao Thổ vào năm 2034, có thể cung cấp thêm thông tin về thành phần khoáng chất của Titan tại chỗ.
Đọc thêm: