Titan ist der zweitgrößte Mond im Sonnensystem und der einzige mit einer dichten Atmosphäre. An der Spitze dieser stickstoff- und methanreichen Atmosphäre erzeugt die Sonnenstrahlung eine große Vielfalt organischer Moleküle, von denen wir einige auch auf der Erde als Bestandteile der Grundeinheit des Lebens, der Zelle, finden.
Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Rafael Silva vom Institut für Astrophysik und Weltraumwissenschaften und Master von der Fakultät für Naturwissenschaften der Universität Lissabon (Ciáncias ULisboa) analysierte das von der Titanatmosphäre reflektierte Sonnenlicht und identifizierte erstmals fast hundert Signaturen dass das Methanmolekül (CH4) im sichtbaren Band des elektromagnetischen Spektrums Spuren einschreibt, die für die Entdeckung in anderen Atmosphären unerlässlich sind.
Darüber hinaus fand das Team mögliche Hinweise auf das Vorhandensein des Trikohlenstoffmoleküls (C3), eines Moleküls, das an der Kette chemischer Reaktionen beteiligt sein könnte, die komplexe Titanmoleküle erzeugen. Wenn dies bestätigt wird, handelt es sich um den ersten Nachweis des Trikohlenstoffmoleküls ein Planetenkörper.
„Titans Atmosphäre funktioniert wie ein chemischer Reaktor in Planetengröße und produziert viele komplexe Moleküle auf Kohlenstoffbasis“, sagt Rafael Silva und fügt hinzu: „Von allen Atmosphären, die wir im Sonnensystem kennen, ist die Atmosphäre von Titan dieser Atmosphäre am ähnlichsten.“ Wir glauben, dass es auf der frühen Erde existierte.“
Methan, das auf der Erde ein Gas ist, liefert Informationen über geologische Prozesse und möglicherweise auch über biologische Prozesse. Es handelt sich um ein Molekül, das in der Erd- oder Titanatmosphäre nicht lange überlebt, da es durch Sonneneinstrahlung schnell und irreversibel zerstört wird. Aus diesem Grund muss Methan auf Titan durch geologische Prozesse wie die Freisetzung von unterirdischem Gas wieder aufgefüllt werden.
Diese Arbeit brachte neue Informationen über die Chemie von Methan selbst. Die 97 neuen Linien seiner spektralen Absorption in Wellenlängen des sichtbaren Lichts – in den Farbbereichen Orange, Gelb und Grün – wurden in Linienbändern identifiziert, die zuvor mit der Absorption durch Methan in Verbindung gebracht, aber nie individualisiert wurden. Zum ersten Mal sind die Wellenlänge und Intensität jeder dieser Linien bekannt.
„Selbst in hochauflösenden Spektren sind die Methanabsorptionslinien bei der Gasmenge, die wir in einem Labor auf der Erde haben können, nicht stark genug. Aber auf Titan haben wir eine ganze Atmosphäre, und der Weg, den das Licht durch die Atmosphäre zurücklegt, kann sein.“ Hunderte von Kilometern lang. Dadurch sind die unterschiedlichen Bänder und Linien, die in Laboren auf der Erde ein schwaches Signal haben, auf Titan sehr deutlich zu erkennen“, sagt Rafael Silva.
Die Kenntnis und Katalogisierung aller Signaturen des Methanmoleküls wird auch dabei helfen, neue Moleküle zu identifizieren, insbesondere in Atmosphären mit solch komplexer Chemie, wo die Analyse der Spektren aufgrund der Dichte der molekularen Signaturen selbst mit hochauflösenden Instrumenten eine Herausforderung darstellt.
So fand das Team Hinweise auf das mögliche Vorhandensein des Trikohlenstoffmoleküls (C3) in den hohen Schichten, in einer Höhe von 600 Kilometern. Im Sonnensystem war dieses Molekül, das sich als bläuliche Emission manifestiert, bisher nur in der Materie bekannt, die den Kern eines Kometen umgibt.
Die Absorptionslinien auf Titan, die das Team mit Trikohlenstoff in Verbindung brachte, sind zahlreich und von geringer Intensität, obwohl sie für diesen Molekültyp sehr spezifisch sind. Daher werden in Zukunft neue Beobachtungen durchgeführt, um zu versuchen, diesen Nachweis zu bestätigen.
„Je mehr wir über die verschiedenen Moleküle wissen, die an der chemischen Komplexität der Titanatmosphäre beteiligt sind, desto besser werden wir die Art der chemischen Evolution verstehen, die möglicherweise die Entstehung des Lebens auf der Erde ermöglicht hat oder damit in Zusammenhang steht“, sagt Rafael Silva , und fügt hinzu: „Es wird angenommen, dass ein Teil der organischen Materie, die zur Entstehung des Lebens auf der Erde beigetragen hat, in ihrer Atmosphäre durch Prozesse entstanden ist, die denen, die wir auf Titan beobachtet haben, relativ ähnlich sind.“
Derzeit ist dieser Saturnmond eine einzigartige Welt im Sonnensystem und ein Testgelände für die Vorbereitung zukünftiger Beobachtungen der Atmosphären von Planeten außerhalb unseres Planetensystems, den sogenannten Exoplaneten. Darunter befinden sich möglicherweise kleine, kalte Körper wie Titan.
„Die Erfahrungen aus anspruchsvollen Analysen wie dieser könnten Infrarotbeobachtungen mit dem James Webb-Weltraumteleskop oder in der Zukunft zugute kommen.“ Ariel Weltraummission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA)“, kommentiert Pedro Machado, zweiter Autor dieses jetzt veröffentlichten Artikels.
Die für diese Arbeit verwendeten Daten stammen aus Beobachtungen, die im Juni 2018 mit dem hochauflösenden sichtbaren und ultravioletten Spektrographen UVES durchgeführt wurden, der am Very Large Telescope (VLT) der ESO in Chile installiert ist. Es wurden auch archivierte Daten verwendet, die 2005 mit demselben Instrument gesammelt wurden.
Die Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch Planeten- und Weltraumwissenschaft.
Mehr Informationen:
Rafael Rianço-Silva et al, Eine Studie über sehr hochauflösende sichtbare Spektren von Titan: Liniencharakterisierung in sichtbaren CH4-Banden und die Suche nach C3, Planeten- und Weltraumwissenschaft (2024). DOI: 10.1016/j.pss.2023.105836