โรเตอร์คราฟต์ของ NASA ซึ่งคล้ายกับโดรนสี่ใบพัดขนาดใหญ่ จะบินผ่านเมฆสีส้มของดวงจันทร์ในมหาสมุทรในระบบสุริยะชั้นนอก
ไม่มีใครรู้แน่ชัดว่าทรายทำมาจากอะไรบนไททัน ดวงจันทร์ที่ใหญ่ที่สุดของดาวเสาร์ ซึ่งใหญ่กว่าดาวพุธเล็กน้อย มีชั้นของเปลือกโลกที่ก่อตัวเป็นน้ำแข็งเป็นหลัก แข็งตัวเป็นน้ำแข็งเหมือนหินในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิติดลบ 180 องศาเซลเซียส และในบางสถานที่ ดันขึ้นไปถึงยอดภูเขาที่สูงกว่า กว่า 10,000 ฟุต
ในขณะที่ทรายบนโลกเป็นพื้นหินฐานของซิลิกาเป็นหลัก แต่ทรายบนไททันไม่ได้มาจากชั้นหินที่เย็นยะเยือก อย่างน้อยก็ไม่ใช่ทั้งหมด พื้นผิวมีฝุ่นเกาะค่อนข้างมากในสารประกอบอินทรีย์—โมเลกุลที่มีคาร์บอนเช่นเดียวกับองค์ประกอบเช่นไฮโดรเจนและไนโตรเจน ยานอวกาศแคสสินีซึ่งโคจรรอบดาวเสาร์ตั้งแต่ปี 2547 ถึง พ.ศ. 2560ทำให้ไททันบินผ่านได้ 126 ลำสามารถตรวจจับสารอินทรีย์บนพื้นผิวได้ แต่ไม่สามารถระบุได้ว่าสารประกอบใดมีอยู่ นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าวัสดุเหล่านี้เมื่อสัมผัสกับน้ำและพลังงานสามารถจุดประกายปฏิกิริยาที่สร้างเซลล์ที่มีชีวิตและสืบพันธุ์ได้
“เรารู้ว่าไททันมีส่วนผสมทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับชีวิตอย่างที่เรารู้” เต่าเอลิซาเบธ “ซิบิ” นักวิทยาศาสตร์ด้านดาวเคราะห์ที่ Applied Physics Lab (APL) ของมหาวิทยาลัยจอห์นส์ ฮอปกิ้นส์ กล่าว “ดังนั้นเราจึงมีโอกาสประเมินขั้นตอนและกระบวนการที่ยอมให้โมเลกุลและวัสดุสามารถพัฒนาไปตามเส้นทางที่นำเคมีไปสู่ชีววิทยาบนโลกได้ในที่สุด”
เพื่อไขความลึกลับของทรายของไททัน และอาจเป็นปริศนาที่ยิ่งใหญ่กว่าในการเริ่มต้นชีวิต นาซ่าเพิ่งอนุมัติภารกิจมูลค่า 1 พันล้านดอลลาร์ไปยังดวงจันทร์สีส้มหม่น หน่วยงานอวกาศร่วมกับ APL วางแผนที่จะส่งยานอวกาศที่มีลักษณะคล้ายกับโดรนควอดคอปเตอร์ขนาดยักษ์ที่มีโรเตอร์คู่เพื่อบินผ่านชั้นบรรยากาศอันหนาทึบของไททัน ยานโรเตอร์ที่เรียกว่าDragonflyจะศึกษาภูมิภาคต่างๆ ที่เคมีที่แปลกใหม่สามารถสร้างองค์ประกอบที่ประกอบกันของชีวิตได้
มีกำหนดจะเปิดตัวในปี 2026 และลงจอดบนไททันแปดปีต่อมา Dragonfly จะเป็นยานอวกาศลำแรกที่ไปเยี่ยมชมไททันตั้งแต่ Cassini ซึ่งบินภายใน 900 กิโลเมตรจากดวงจันทร์ในช่วงที่ผ่านใกล้เคียงที่สุด แคสสินียังทำแผนที่พื้นผิวของไททันด้วยเรดาร์และสเปกโตรมิเตอร์ที่มองเห็นได้และอินฟราเรด ศึกษาองค์ประกอบของบรรยากาศ และถึงกับส่งยานลงจอดขนาดเล็กจากองค์การอวกาศยุโรป Huygens ซึ่งได้รับการตั้งชื่อตามชื่อ Lander ได้ลงจอดในพื้นที่ที่คล้ายกับก้นทะเลสาบแห้งในเดือนมกราคมปี 2005 ยานสำรวจสามารถอยู่รอดได้ประมาณ 72 นาทีบนพื้นดินที่หนาวเย็น สอดแนมหินน้ำแข็งในน้ำ วัดความหนาแน่นและอุณหภูมิของบรรยากาศ และการตรวจจับ สารประกอบอินทรีย์ เช่น อีเทน ไซยาโนเจน เบนซิน และมีเทนในปริมาณมาก
ไททันเป็นโลกเพียงแห่งเดียวที่รู้จักซึ่งมีวัฏจักร “อุทกวิทยา” คล้ายกับโลก ทั้งฝนและการระเหย แม่น้ำที่ไหลรินและทะเลสาบที่ยืนนิ่ง แม้ว่าของเหลวบนพื้นผิวของไททันที่เย็นจัดจะประกอบด้วยไฮโดรคาร์บอน ซึ่งส่วนใหญ่เป็นมีเทนและอีเทน ซึ่งคล้ายกับน้ำมันเบนซิน ภายใต้ทะเลไฮโดรคาร์บอนเหล่านี้ และเปลือกของน้ำแข็งน้ำและแร่ธาตุที่แปลกใหม่ ไททันมีมหาสมุทรที่เป็นของเหลวอยู่ทั่วโลก
“ไททันเป็นสถานที่แห่งเดียวที่เราสามารถดูเคมีนี้ในบริบทของสภาพแวดล้อมของดาวเคราะห์ ซึ่งเป็นสภาพแวดล้อมของดาวเคราะห์ที่เหมือนโลกมาก วัสดุต่างกัน แต่กระบวนการคล้ายกันมากกับสิ่งที่เรามีบนโลก” Turtle นักวิจัยหลักของภารกิจ Dragonfly กล่าว “การสังเคราะห์สารอินทรีย์ก้าวหน้าไปไกลแค่ไหนในสภาพแวดล้อมนี้”
แมลงปอจะสำรวจเนินทรายรอบๆ จุดลงจอดเริ่มต้นของแชงกรี-ลาในพื้นที่ทั่วไปเดียวกันกับที่ไฮเกนส์ลงจอด ยานอวกาศขนาดมินิคูเปอร์จะบินขึ้นและบินผ่านท้องฟ้าของไททันเพื่อไปยังไซต์ใหม่เพื่อค้นหาเบาะแสของความลึกลับที่ยิ่งใหญ่ที่สุดแห่งหนึ่งของวิทยาศาสตร์ การก่อตัวของชีวิตจากสิ่งไม่มีชีวิต
**********
Ken Hibbard วิศวกรระบบภารกิจของ APL สำหรับภารกิจ Dragonfly กล่าวว่า “ผู้คนพูดถึงการบินบน Titan ในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่งมาหลายทศวรรษแล้ว การศึกษาได้พิจารณาว่าบอลลูนและเครื่องบินปีกคงที่ลอยผ่านบรรยากาศหนาทึบของดวงจันทร์ของดาวเสาร์ แต่โรเตอร์คราฟเช่น Dragonfly ให้ความคล่องตัวมากที่สุดสำหรับการกระโดดไปมาจากสถานที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง
เมื่อแมลงปอเปิดตัวในเจ็ดปี มีแนวโน้มว่าจะทำการเคลื่อนที่ด้วยแรงโน้มถ่วงหลายรอบทั่วโลกและดาวศุกร์เพื่อสร้างความเร็วก่อนที่จะยิงหนังสติ๊กออกไปยังระบบ ดาวเสาร์ หลังจากเข้าสู่บรรยากาศที่อุดมด้วยไนโตรเจนของไททันและกางร่มชูชีพ แมลงปอจะแยกตัวออกจากแผงกันความร้อนแล้วปล่อยออกจากรางน้ำ ยิงใบพัดขึ้นเป็นครั้งแรกในท้องฟ้าของไททันก่อนที่มันจะถึงพื้น จากนั้นโรเตอร์คราฟต์จะสำรวจทรายของแชงกรี-ลาโดยอัตโนมัติเพื่อหาพื้นที่ที่เหมาะสมที่จะลงแตะพื้น ไม่ใช่ยานพาหนะคันแรกที่จะบินไปบนดาวเคราะห์ดวงอื่น—ความแตกต่างนี้จะไปถึงเฮลิคอปเตอร์ Mars ขนาดเล็กมีกำหนดจะเปิดตัวด้วยรถแลนด์โรเวอร์ Mars 2020 หากทุกอย่างเป็นไปตามแผน แต่นี่จะเป็นครั้งแรกที่ยานอวกาศขนาดใหญ่ที่ออกแบบมาเพื่อบินอุปกรณ์วิทยาศาสตร์ที่ซับซ้อนไปยังท้องฟ้าของมนุษย์ต่างดาว
การบินผ่านชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ดวงอื่นซึ่งอยู่ห่างออกไปหลายร้อยล้านไมล์ มาพร้อมกับความท้าทายที่ไม่เหมือนใคร อย่างไรก็ตาม เนื่องจากชั้นบรรยากาศของไททันมีความหนาแน่นมากกว่าโลกประมาณสี่เท่า และแรงโน้มถ่วงมีความแข็งแกร่งเพียง 1 ใน 7 เท่านั้น “มันง่ายกว่ามากที่จะบินไปที่ไททัน” ฮิบบาร์ดกล่าว
บนไททัน เครื่องบินโรเตอร์ต้องการเพียง 2.4 เปอร์เซ็นต์ของพลังโฮเวอร์ที่จำเป็นต่อโลก และพลังงานในปริมาณเท่ากันสามารถยกมวลบนไททันได้มากกว่าดาวเคราะห์ของเราประมาณ 40 เท่า
“สิ่งนี้จะทำตัวเหมือนช้างบินได้” ฮิบบาร์ดกล่าว “มันจะดูเหมือนไม้เลื้อยผ่านชั้นบรรยากาศไปหน่อย”
แม้ว่าอากาศหนาและแรงโน้มถ่วงต่ำจะทำให้สามารถบินบนไททันจากมุมมองด้านการบินได้ค่อนข้างง่าย แต่แมลงปอจะต้องทำงานโดยสมบูรณ์ในขณะบิน สัญญาณจากโลกที่เดินทางด้วยความเร็วแสงจะใช้เวลาประมาณ 70 ถึง 90 นาทีเพื่อไปถึงไททัน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของโลกและดาวเสาร์ และอีก 70 ถึง 90 นาทีสำหรับการตอบสนองจากแมลงปอ จะไม่มีจอยสติ๊กโรเตอร์คราฟบนไททัน
“เราใช้กล้องออปติคัล ซึ่งเป็นแบบเดียวกับที่คุณอาจถ่ายภาพด้วย … สำหรับการนำทาง และเรายังใช้แฟลช LiDAR [Light Detection and Ranging] ซึ่งช่วยให้เราสามารถตรวจจับอันตรายได้แบบเรียลไทม์” Doug Adams กล่าว วิศวกรระบบยานอวกาศที่ APL สำหรับ Dragonfly
เมื่อแมลงปอทำการวัดทางวิทยาศาสตร์ในพื้นที่ที่กำหนด และชาร์จแบตเตอรี่ด้วยเครื่องกำเนิดความร้อนด้วยไอโซโทปไอโซโทป (RTG) ยานจะทำการบินสอดแนมเพื่อกำหนดจุดลงจอดถัดไป เที่ยวบินหนึ่งสามารถบินได้ทั้งหมด 24 กิโลเมตร โดยบิน 8 กิโลเมตรไปยังที่ตั้งใหม่ จากนั้นอีก 8 กิโลเมตรเพื่อสำรวจข้างหน้า และอีก 8 กิโลเมตรกลับสู่แผ่นดิน เที่ยวบิน “กระโดดข้าม” ที่ยาวขึ้นเหล่านี้คาดว่าจะใช้เวลาประมาณ 30 ถึง 40 นาที โดยปีนขึ้นไปได้ประมาณ 13,000 ฟุตและบินสูงสุด 10 เมตรต่อวินาที (22 ไมล์ต่อชั่วโมง) แต่ทีมยังสามารถใช้ความสามารถทางอากาศของ Dragonfly เพื่อ “กระโดด” ไปยังตำแหน่งใกล้เคียง—ใกล้กับโขดหินโผล่ขึ้นมาหรือไปที่จุดที่ผิดปกติ โดยรวมแล้ว Dragonfly คาดว่าจะบินได้ 175 กิโลเมตร (108 ไมล์) ภายในสิ้นสุดภารกิจหลัก 2.7 ปี
“เราจะประมาณการว่าเราอยู่ที่ไหนบนพื้นดินโดยอิงจากการนำทางด้วยวิทยุ จากนั้นเราจะใช้ข้อมูลนั้นเพื่อบอกเส้นทางไปยังผู้ลงจอด—เราต้องการให้คุณไปไกลกว่านี้ในทิศทางนั้น” อดัมส์กล่าว “แต่เราไม่มีแผนที่จะให้ ดังนั้นผู้ลงจอดต้องทำการนำทางภายในทั้งหมด”
ความสามารถในการบินขึ้นและลงจอดที่จุดต่างๆ ทำให้ทีม Dragonfly มีความยืดหยุ่นสูง โดยเลือกสถานที่ที่น่าสนใจทางวิทยาศาสตร์และสุ่มตัวอย่างวัสดุจากภูมิภาคต่างๆ—อันดับแรกในเนินทรายและใกล้กับขอบปล่องภูเขาไฟที่เรียกว่า Selk crater ที่ซึ่งน้ำที่เป็นของเหลวและสารอินทรีย์หนักอาจถูกผลักขึ้นสู่พื้นผิวที่แมลงปอสามารถศึกษาพวกมันได้
หลังจากภารกิจแรก แมลงปอสามารถได้รับการขยายเวลาได้เป็นอย่างดี และการคาดการณ์ในปัจจุบันบ่งชี้ว่ายานสามารถทำงานบนพื้นผิวได้ประมาณแปดปี
“การคาดการณ์ของเราตอนนี้ไม่ใช่กำลังที่จะเป็นตัวจำกัด แต่จะเป็นเรื่องความร้อน” ฮิบบาร์ดกล่าว “ในที่สุดสิ่งที่จะฆ่าแมลงปอก็คือมันจะแข็งตัวจนตายเพราะจะไม่มีความร้อนเหลือทิ้งจาก RTG เพียงพอที่จะรักษาสภาพแวดล้อมทางความร้อนภายในยานลงจอด”
ทีมวิศวกรรมแมลงปอยังคงต้องออกแบบขั้นสุดท้ายสำหรับยานอวกาศ และข้อกำหนดบางอย่างอาจมีการเปลี่ยนแปลงก่อนที่จะเปิดตัว แต่ในอีกครึ่งปีของดาวเสาร์ แมลงปอน่าจะเล็ดลอดผ่านเมฆสีส้มหนาทึบของดวงจันทร์ในระบบสุริยะชั้นนอก
**********
“ไททันเป็นโลกในมหาสมุทร” มอร์แกน เคเบิล นักวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์และนักเคมีจากห้องปฏิบัติการขับเคลื่อนด้วยไอพ่น (JPL) ของ NASA และสมาชิกทีมวิทยาศาสตร์แมลงปอกล่าว “มันมีน้ำที่เป็นของเหลวอยู่ลึกเข้าไปข้างใน ดังนั้นหากมีสารอินทรีย์ที่ผลิตขึ้นบนพื้นผิว … ถูกดึงลงสู่มหาสมุทรที่เป็นของเหลว คุณก็จะมีสิ่งเจ๋งๆ เกิดขึ้นที่นั่น”
เมื่อสารอินทรีย์ธรรมดาสัมผัสกับน้ำ ปฏิกิริยาเพิ่มเติมสามารถสร้างสารประกอบที่ซับซ้อนและมีขนาดใหญ่ เช่น กรดอะมิโน กรดนิวคลีอิก ลิปิด และโปรตีน ซึ่งเป็นสารที่จำเป็นสำหรับสิ่งมีชีวิตที่รู้จักทั้งหมด อาจเป็นได้ว่าโมเลกุลเหล่านี้กำลังก่อตัวบนดวงจันทร์ที่ใหญ่ที่สุดของดาวเสาร์
“ชีวิตมักใช้ของที่มีมากมาย สิ่งของที่อยู่รอบๆ ตัว” เคเบิลกล่าว “ปรากฏว่า เราถูกสร้างขึ้นจากองค์ประกอบที่อุดมสมบูรณ์ที่สุดบางส่วนในมุมของจักรวาลของเรา ไม่ว่าจะเป็นคาร์บอน ไฮโดรเจน ไนโตรเจน สิ่งเหล่านี้ และเนื่องจากองค์ประกอบเดียวกันนั้นมีอยู่มากมายบนไททัน ฉันไม่เห็น เหตุผลใดก็ตามที่ว่าทำไมคุณไม่สามารถมีเคมีแบบเดียวกันเกิดขึ้นได้”
สารอินทรีย์ส่วนใหญ่บนไททันก่อตัวขึ้นในบรรยากาศสูง ที่ยอดเมฆสีส้ม ซึ่งก๊าซไนโตรเจน มีเทน และไฮโดรเจนทำปฏิกิริยากับแสงแดด Cassini สังเกตปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในเมฆสูง ก่อตัวเป็นอินทรีย์ที่ลอยลงมาสู่พื้นผิวเหมือนหิมะชนิดหนึ่ง
“ชั้นบรรยากาศของไททันมีก๊าซมีเทนและโมเลกุลไนโตรเจนจำนวนมาก” เคเบิลกล่าว “จากความเข้าใจของเราเกี่ยวกับโฟโตเคมีในบรรยากาศ คุณจะนำองค์ประกอบเหล่านั้นมารวมกัน … และผสมเข้าด้วยกันในทุกรูปแบบที่เป็นไปได้ [และ] คุณจะได้โมเลกุลง่ายๆ ไปจนถึงสิ่งที่ยิ่งใหญ่จริงๆ เช่น ขนาดของโปรตีนหรือใหญ่กว่า ”
บนไททัน โดยเฉลี่ยอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์เกือบ 900 ล้านไมล์ ระยะห่างระหว่างดวงอาทิตย์กับโลกเกือบสิบเท่า หนึ่งวันมี 16 วันโลก และหนึ่งปีสำหรับดาวเสาร์และดวงจันทร์ของมันมีมากกว่า 29 ปีโลก สร้างเจ็ดปี ฤดูกาล
“สิ่งที่เกิดขึ้นบนไททันช้ากว่าที่เกิดขึ้นบนโลกมาก” เทอร์เทิลกล่าว “ที่นี่หนาวกว่าที่นี่มาก” เคเบิลกล่าวเสริม “แต่นั่นไม่ได้หมายความว่าเคมีจะหยุด มันแค่ช้าลงมาก”
แม้แต่เนินทรายบนไททันก็เคลื่อนตัวอย่างรวดเร็ว เนื่องจากแคสสินีไม่ได้ตรวจพบว่าพวกมันเคลื่อนตัวเลยตลอด 13 ปีในระบบดาวเสาร์ “เรายังไม่ชัดเจนนักว่านั่นหมายความว่าพวกมันเป็นเนินทรายที่เยือกแข็งหรือเคลื่อนตัวไปตามสายลมของไททันเมื่อเวลาผ่านไป” เคเบิลกล่าว แต่กิจกรรมทางธรณีวิทยากำลังเกิดขึ้น และสารอินทรีย์ที่ตกลงมาจากท้องฟ้าจะพับเก็บเป็นหินและฝังอยู่ใต้พื้นผิว ซึ่งน่าจะทำปฏิกิริยากับน้ำของเหลวใต้ดิน
