과학자들은 토성의 가장 큰 위성인 타이탄에 존재하는 독특한 화학적 조건을 지구상의 작은 유리 실린더로 재현했으며, 실험을 통해 이전에 알려지지 않은 달의 광물 구성 특성이 밝혀졌습니다.
타이탄은 목성에 속한 가니메데에 이어 태양계에서 두 번째로 큰 위성으로, 메탄이 혼합된 질소와 주로 질소로 구성된 조밀한 대기를 가지고 있습니다. 이 노란 안개는 약 -180°C의 온도를 유지합니다. 대기 아래에는 특히 극 근처에서 타이탄의 얼음 지각을 덮고 있는 액체 메탄과 에탄의 호수, 바다, 강이 있습니다. 지구의 액체 물처럼 이 천연 가스는 증발하여 구름을 형성한 다음 달 표면에 비가 내리는 주기에 참여합니다.
타이탄의 빽빽한 대기, 액체 표면 및 계절적 날씨 주기로 인해 이 차가운 달은 지구와 약간 비슷하고 우리 행성과 마찬가지로 탄소, 수소 및 산소를 포함하는 유기 분자가 있습니다. 타이탄에서 발생하는 이러한 유기 화학 때문에 과학자들은 달이 지구에 생명체가 나타나기 전에 지구에서 발생한 화학 반응을 연구하는 거대한 실험실 역할을 할 수 있다고 믿습니다.
그러나 단 하나의 우주선 카시니만이 토성과 그 위성을 자세히 관찰했기 때문에 타이탄에서 발견된 이상한 화학 성분에 대한 지상 기반 연구를 수행하기가 어렵습니다. 따라서 과학자 그룹은 최근 테스트 튜브에서 Titan을 모델링하기로 결정했습니다.
첫째, 그룹은 액체 물을 작은 유리 실린더에 넣고 온도를 타이타닉과 유사한 조건으로 낮췄습니다. 타이탄의 얼음 껍질을 모방하여 물이 얼었습니다. 그런 다음 팀은 튜브에 에탄을 추가하여 타이탄 표면의 호수처럼 액체가 되었습니다. 마지막으로 그들은 질소를 첨가하여 타이탄의 대기를 생성한 다음 튜브의 온도를 약간 변경하여 타이탄 표면과 대기의 다른 층에서 온도 변동을 시뮬레이션했습니다.
26월 일 American Chemical Society Fall Meeting에서 발표된 최신 연구에서 팀은 두 가지 화합물인 아세토니트릴(ACN)과 프로피오니트릴(PCN)을 추가했습니다. Cassini 임무의 데이터에 따르면 이러한 화합물은 Titan에 풍부합니다. 대부분의 이전 연구는 순수한 형태로 두 화합물을 개별적으로 연구했지만 팀은 Titan의 경우처럼 화합물이 혼합되면 어떤 일이 발생하는지 확인하기를 원했습니다. 각 화합물을 개별적으로 작업하는 것과 달리 함께 혼합하면 구조, 즉 분자가 어떻게 구성되는지, 분자가 어떻게 결정화되거나 고체 형태로 변하는지 완전히 다른 결과를 얻을 수 있습니다.
팀은 티타늄과 같은 조건에서 ACN과 PCN이 단독으로 사용하는 화합물과 상당히 다르게 작용한다는 것을 발견했습니다. 즉, 화합물이 녹거나 결정화되는 온도는 섭씨 수백 도 정도로 급격하게 변합니다.
이 녹는점과 결정화점은 타이탄의 흐릿한 노란색 대기와 관련이 있습니다. 대기의 다른 층은 달 표면 위의 고도에 따라 온도가 달라지므로 연무의 화학 물질이 어떻게 작용하는지 이해하려면 이러한 온도 변동을 고려해야 한다는 새로운 연구 결과가 나왔습니다.
또한, 과학자들은 ACN과 PCN이 결정화될 때 이들이 단독인지 아니면 다른 화합물의 존재 여부에 따라 다른 결정 구조를 채택한다는 것을 발견했습니다. 결정은 화합물의 개별 분자가 고도로 조직화된 구조로 결합될 때 형성됩니다. 이 구조의 구성 요소인 분자는 동일하게 유지되지만 온도와 같은 요인에 따라 약간 다른 구성으로 결합될 수 있습니다.
이러한 결정 구조의 변화는 다음과 같이 알려져 있습니다. 다형체, ACN과 PCN이 단독으로 존재할 때 고온에서는 하나의 다형체를, 저온에서는 다른 다형체를 채택한다. 그러나 과학자들은 혼합물이 있으면 고온과 저온의 안정성이 어떤 의미에서 바뀔 수 있음을 알아 냈습니다. 화합물이 안정화된 구조에 도달하는 시기와 방법에 대한 이러한 세부 사항은 Titan에서 어떤 광물을 찾을 수 있는지에 대한 이해를 실제로 바꿀 수 있습니다.
2026년에 발사되어 2034년에 토성에 도착할 예정인 NASA의 잠자리 임무는 타이탄의 현지 광물 구성에 대한 더 많은 정보를 제공할 수 있습니다.
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