2010-04 MIRA Ceti sprak met... Ellen Stofan


“Titan’s lost seas found”, dat stond op 4 januari 2007 te lezen op de cover van het gezaghebbende tijdschrift Nature. Daarbij in het groot de foto die ook bij dit interview als illustratiemateriaal fungeert en waarop een lange strook landschap op die grote Saturnusmaan te zien is. De donkere vlekken op de foto zijn geïdentificeerd als meren van vloeibaar methaan, en door die ontdekking is Titan het eerste buitenaardse object in het zonnestelsel waarvan wetenschappers met zekerheid kunnen stellen dat er daar ook sprake is van een actieve vloeistoffencyclus.

MIRA Ceti slaagde erin een afspraak te maken met Ellen Stofan (49 jaar) van het Cassini Radar Team. Zij was hoofdauteur van het artikel in Nature en heeft als doctor in de geologie niet alleen de nodige vakkennis om oppervlaktefenomenen op andere objecten in het zonnestelsel juist te interpreteren, maar door haar jarenlange ervaring met het bestuderen van landschappen op Aarde, Mars en Venus is zij de geknipte persoon om ons nader kennis te laten maken met de boeiende wereld die Titan is. Naast haar werk voor NASA is Dr. Stofan momenteel als onderzoekster verbonden aan Proxemy Research in Washington DC.

 

Ellen StofanDr. Stofan, vanwaar uw interesse voor de exotische geologie op Venus en Titan?

 

Van thuis uit meegekregen zeg maar. Mijn moeder was lerares wetenschappen. Tijdens haar masteropleiding was ik nog een jonge spring-in-’t-veld die geregeld mee mocht op allerlei geologische expedities. Haar professor was erg ingenomen met het feit dat zo’n jong meisje als ik hem voortdurend bestookte met alle mogelijke en onmogelijke vragen over de Aarde, de natuur, het heelal, enz. En zo raakte ik gefascineerd door landschappen, hoe die ontstaan en evolueren doorheen de tijd. Mijn vader werkte als raketingenieur voor NASA, en hij was nauw betrokken bij de lancering en de reis van de twee Vikings naar Mars en de twee Voyagers naar de reuzenplaneten van het zonnestelsel. Uiteraard volgde ik dus ook met enorme belangstelling de lotgevallen van beide ruimtemissies, en het lijkt me dan ook niet verbazingwekkend dat ik mijn passie voor geologie in verband bracht met mijn fascinatie voor al die verre werelden om ons heen, en dat ik ook voor die objecten wilde begrijpen hoe het daar met de landschappen gesteld is.

De ultieme reden waarom geologen ook andere planeten en manen willen bestuderen is om fundamentele processen zoals vulkanisme en tektoniek die op Aarde plaatsvinden ook in een andere context aan het werk te zien en zo een nog betere kijk te krijgen op hoe onze eigen planeet functioneert.

Na mijn studies heb ik eerst voor NASA gewerkt aan Magellan. Dat project liep van 1990 tot 1994 en had tot doel via radarwaarnemingen het oppervlak van de planeet Venus in kaart te brengen. Vervolgens was ik betrokken bij het project Shuttle Imaging Radar-C uit 1994 waarbij het ruimteveer Endeavour bij twee vluchten met een speciale radar werd uitgerust om een heleboel aardobservaties te verrichten. Zo deed ik veel ervaring op bij het werken met radars en hoe die technologie kan gebruikt worden om planeten te bestuderen.

Toen NASA en ESA de wetenschappelijke teams samenstelden in functie van de instrumenten aan boord van de ruimtesonde Cassini-Huygens om Saturnus met zijn boeiende ringen- en manensysteem zo volledig mogelijk te kunnen bestuderen, werd ik op basis van mijn ervaring lid van het Cassini Radar Team. En ons voornaamste studieobject is uiteraard de grote maan Titan met zijn dichte atmosfeer.

 

Ondanks de extreem dichte atmosfeer bij Venus zijn jullie met Magellan er toch in geslaagd om het oppervlak van onze buurplaneet bijna volledig in kaart te brengen. Wat zijn volgens u de belangrijkste resultaten van deze ruimtemissie?

 

Tijdens mijn doctoraalstudies had ik me al verdiept in hetgeen zestien opeenvolgende Russische Venera’s ons tussen 1961 en 1984 over het oppervlak en de atmosfeer van Venus hadden geleerd. Venus is qua grootte vergelijkbaar met onze Aarde, en van het totale planeetoppervlak hadden de Sovjets ongeveer een kwart in kaart gebracht met een beste resolutie van één kilometer. Met Magellan slaagden wij erin zo goed als heel het oppervlak van Venus in kaart te brengen, en dit met een zodanige resolutie dat details niet groter dan 120 meter op onze beelden zichtbaar werden. Als je dan als eerste mag kennismaken met zo’n exotische wereld is dat natuurlijk een buitengewone ervaring.

Het oppervlak van Venus wordt gekenmerkt door opvallende reliëfverschillen waarbij we weidse  hooglanden zien overgaan in uitgestrekte vaak diepe bassins. Hier en daar verrijzen enorme bergketens. Zeker voor vulkanologen is Venus een waar paradijs, want je treft er zovele landschapskenmerken aan die rechtstreeks in verband staan met actief vulkanisme. Zo zien we overal grote afgeplatte schildvulkanen, uitgestrekte lavavlakten en ook lavakanalen die duizenden kilometer lang kunnen zijn. Het feit dat er weinig inslagkraters op Venus te vinden zijn toon een oppervlak dat er geologisch gesproken erg jong uitziet, en dat valt perfect te rijmen met een korst die voortdurend evolueert door de vele vulkaanuitbarstingen en lavastromen.

Een van de grote mysteries in ons zonnestelsel is hoe het komt dat twee planeten als Venus en de Aarde die niet zo heel ver uit mekaars buurt in een baan rond de Zon bewegen en in de beginperiode van het zonnestelsel bijna identiek waren toch zo’n verschillende evolutie konden doormaken. De Aarde met haar platentektoniek, vulkanisme, waterkringloop en gematigd broeikaseffect is helemaal geen kopie van Venus. Daar treffen we immers geen continentale platen aan, en door het op hol geslagen broeikaseffect is de atmosfeer er extreem dicht en heet. Wellicht daardoor is het water dat er in het begin ook moet geweest zijn verdampt en ontsnapt. Hoe die evolutie precies in zijn werk is gegaan, daarover verschillen planeetwetenschappers  grondig van mening. Er zal dus nog veel onderzoekswerk moeten verricht worden om antwoorden te krijgen op onze vele vragen. 

 

U volgt dus waarschijnlijk ook met veel belangstelling het onderzoek van de Europese satelliet Venus Express die ginds sinds 2006 operationeel is?

 

Zeer zeker. Een collega van mij is nauw betrokken bij het onderzoek door een van de wetenschappelijke instrumenten aan boord van Venus Express. Zij publiceerde enkele maanden geleden een artikel in het tijdschrift Science waarin zij stelde dat zij samen met haar team sporen meent ontdekt te hebben die zouden wijzen op recent vulkanisme. Er is daarvoor dus nog geen onweerlegbaar bewijs gevonden, maar ik ben ervan overtuigd dat Venus een planeet is die wel degelijk geologisch actief is. We komen er immers landschappen tegen die niet door de atmosfeer verweerd zijn, maar er jong uitzien omdat het vulkanische gebieden zijn die nog steeds uitbarstingen kennen. 

 

Hoe bent u betrokken geraakt bij het onderzoek naar Titan, de grote Saturnusmaan?

 

Vanuit wetenschappelijke hoek is er al geruime tijd veel belangstelling voor Titan, zeker sinds er ginds via waarnemingen van op Aarde een substantiële atmosfeer is ontdekt. Toen de Voyagers daar in 1980 en 1981 passeerden, slaagden zij er niet in doorheen de mistige laag van de buitenatmosfeer te kijken, maar men kon toch achterhalen dat Titan een atmosfeer heeft die gedomineerd wordt door stikstof, terwijl er ook methaan in die atmosfeer aanwezig is en nog andere organische verbindingen. Zelfs al bevindt Titan zich op een respectabele afstand van de Zon, toch breekt het inkomende zonlicht het methaan af en gaan er zich t.g.v. allerlei chemische reacties meer complexe organische moleculen vormen. Wie wil weten hoe ooit leven op Aarde is kunnen ontstaan en of leven in het universum een vaak voorkomend fenomeen is, zal zeker met meer dan gewone belangstelling het verdere onderzoek in dit verband opvolgen.

Met de nieuwe ruimtemissie Cassini-Huygens was het de bedoeling om aan de hand van een radarinstrument wel doorheen het dichte wolkendek van Titan te kijken, maar om dat te kunnen doen is het nodig om alle waargenomen details juist te ontcijferen, en daar is een getrainde blik voor nodig. Bij het planeetonderzoek zijn heel wat onderzoekers betrokken met een natuurkundige vorming, maar zij hebben meestal niet de vereiste geologische achtergrond en ervaring, en zo ben ik zelf bij het onderzoek naar Titan betrokken geraakt.

 

Een allereerste rechtstreeks uitzicht op Titan kwam er op 14 januari 2005 toen de Huygenssonde afdaalde in de atmosfeer en op het oppervlak terechtkwam. Wat was er toen allemaal te zien?

 

Eerst was er door de dichte mistwolken natuurlijk niet veel te zien, maar vanaf zo’n 20 à 30 km boven het oppervlak was het wel mogelijk om landschapskenmerken waar te nemen. Hetgeen de Huygenssonde toen gefotografeerd heeft in combinatie met onze radarbeelden geeft een goed idee van hoe Titan er in werkelijkheid uitziet.

Er zijn inslagkraters te zien, maar niet zoveel als verwacht. Dat wil niet zeggen dat er weinig inslagen plaatsvonden op Titan, wel dat bepaalde processen die kraters weg geërodeerd hebben. Nog opvallend zijn de grote vlakten, immense zandduingebieden en kronkelige heuvels en bergketens met vele dalen en ravijnen, en ook vulkanen. We hebben geen grote oceaan kunnen ontdekken, maar wel heel veel meren, en sporen die wijzen op rivierbeddingen.

De zone waar de Huygenssonde neerkwam is een equatoriaal, dus vrij droog gebied en doet denken aan een woestijnomgeving waar af en toe hevige neerslagbuien plaatsvinden die dan rivieren produceren. We krijgen een stroming van hoger naar lager gelegen gebieden waar er zich meren gaan vormen die nadien weer kunnen verdampen.

De landing gebeurde op een harde bodem, maar vervolgens zakte het toestel een beetje weg doorheen een zompige laag daar net onder. Overal rondom zagen we kleine keien, allemaal uit waterijs. Denk eraan dat we daar te maken hebben met temperaturen van -180°C, en in die toestand is waterijs zo hard als steen.

 

Een regenbui op Titan is dan met druppels van methaan?

 

Inderdaad. De viscositeit van methaan is net iets minder dan die van water, maar qua helderheid is er geen verschil. Mocht je de koude op het oppervlak van Titan kunnen verdragen en je zit daar in een regenbui zou je geen verschil merken met een regenbui hier op Aarde.

 

Je zou door die heldere vloeistof ook de bodem van zo’n meer kunnen zien?

 

Jazeker, op plaatsen aan de oever waar het meer nog niet diep is zou je zeker steentjes op de bodem, enz. kunnen zien. En wellicht zullen er ook kleine golvingen te zien zijn op het meer. Maar in tegenstelling tot de atmosfeer van de Aarde met zijn blauwe kleur baadt alles op Titan in een oranjeroodachtige gloed. Het meer met vloeibare methaan zal dus niet zoals het water op Aarde blauw lijken, maar een zwartbruinachtige glans hebben.

 

De ontdekking van die methaanmeren was eigenlijk de bevestiging van hetgeen al lang vermoed werd?

 

Met al die methaan die in de atmosfeer gemeten werd was het nodig dat er daar een bron voor te vinden was aan of onder het oppervlak. Bij een temperatuur van zowat -180°C is het in die omgeving voldoende koud dat methaan er in vloeibare toestand kan voorkomen, en zo kwamen onderzoekers tot de hypothese dat er mogelijk oceanen of meren van vloeibare methaan op Titan zijn. Het detecteren daarvan werd meteen ook een van de objectieven van de Cassini ruimtemissie, daarom werd geopteerd om een radar in te bouwen die ondanks de dichte atmosfeer beelden zou kunnen maken van het oppervlak van Titan.

Cassini begon met het maken van radaropnamen vanaf juni 2004. Gedurende de eerste twee jaren werden er wel heel wat sporen gevonden van vloeistoffen op Titan in het verleden onder de vorm van droge rivierbeddingen en kustlijnen, maar het was wachten tot eind juli 2006 vooraleer we de eerste beelden konden maken waarop duidelijk fenomenen te zien waren die enkel maar konden geïnterpreteerd worden als meren van vloeibaar methaan op het actuele Titanoppervlak. Op 22 juli werd er een strook van 250 km breed en meer dan duizend km lang in beeld gebracht, en daarop waren vele tientallen donkere vlekken te zien. We weten dat vloeistoffen op radarbeelden altijd erg donker te zien zijn, en bovendien vertoonden die vlekken alle morfologische kenmerken die typisch zijn voor meren. Ook al kon onze radar niet met honderd procent zekerheid bewijzen dat het hier om methaanmeren ging, toch waren wij ervan overtuigd dat eindelijk gevonden was waarnaar we al zolang gezocht hadden.

Het zijn meer dan 75 meren die we op dat beeld kunnen onderscheiden, in grootte variërend van slechts 1 à 2 km tot meer dan 50 km. Het bizarre is dat we ze enkel aantreffen op de noordelijke hemisfeer van Titan, en dit vanaf 70 graden boven de evenaar. Wellicht heeft dit te maken met het feit dat het momenteel winter is op het noordelijk halfrond van Titan en dat er pas vanaf de 70ste breedtegraad voldoende methaanvocht in de atmosfeer zit opdat de meren niet zouden verdampen. Meren ontstaan immers wanneer vloeistof zich in bepaalde bekkens verzamelt. Tegelijkertijd vindt er een proces van verdamping plaats. Alleen wanneer de snelheid waarmee vloeistof in het meer komt hoger is dan de snelheid waarmee dezelfde vloeistof verdampt is er sprake van een meer, en dat is hetgeen we op die breedtegraden kunnen zien.

Bij de daar heersende temperatuur kunnen we er zeker van zijn dat het geen meren van water zijn. Op basis van theoretische berekeningen kan verondersteld worden dat methaan maar ook ethaan en propaan de hoofdbestanddelen zijn, maar de exacte chemische samenstelling kunnen we met ons radarinstrument niet achterhalen. Wij kunnen alleen iets zeggen over het type oppervlak waar we naar kijken, m.a.w. of het vast of vloeibaar is en hoe grof het oppervlak is.

Op die hoge noordelijke breedtes zien we ook rivieren van methaan uitmonden in die meren, hetgeen het idee van een actieve methaancyclus ondersteunt.

We vermoeden dat de meren op hun diepst toch wel enkele tientallen meter diep kunnen zijn, maar ook dat kunnen we met ons instrument niet rechtstreeks bepalen. De radargolf kan wellicht door een laag van een paar meter methaan penetreren en daar de bodem raken, maar als we aan de randen van zo’n meer een sterker radarsignaal terugkrijgen, weten we momenteel niet of dat is omdat we de bodem raken of omdat het daar ten gevolge van golven door de radar gezien wordt als een ruwer oppervlak. We zitten momenteel dus met meer dan voldoende vragen i.v.m. de mysterieuze wereld die Titan is. 

 

U bent PI (Principal Investigator) voor de Titan Mare Explorer, een vervolgmissie voor Cassini. Kan u over dit project iets meer vertellen?

 

De Titan Mare Explorer is een missieconcept waar ik samen met een tiental andere wetenschappers al verschillende jaren aan gewerkt heb. Het is ons idee om een toestel in de vorm van een bootje te doen landen op één van die methaanmeren op Titan. Vanuit die exotische omgeving kan dan onderzoek verricht worden om heel concreet te vergelijken met de omstandigheden die we kennen op Aarde. Zo kunnen we de precieze samenstelling meten van een dergelijk meer en komen we misschien wel op het spoor van een interessante chemie met geëvolueerde organische moleculen. We hebben zelfs een speciale energiegenerator ontwikkeld, de ASRG of Advanced Stirling Radioisotope Generator, die van een radioactieve hittebron gebruik maakt om een kleine motor voor een vrij lange periode aan te drijven. Op de poolregio’s van de Maan of Mars, of op een plaats zoals Titan waar je met een dichte atmosfeer zit, zijn zonnepanelen niet in staat om genoeg energie op te wekken om een robotje in een dergelijke omgeving te laten opereren en om de data ervan naar de Aarde door te sturen. Uit onze simulatietesten blijkt de ASRG ideaal te functioneren in een ijzige omgeving zoals op de meren van Titan.

Aan de inhoudelijke uitwerking en de haalbaarheid van ons project hebben we al enkele jaren hard gewerkt. Nu is het zaak om ons project ook daadwerkelijk te kunnen realiseren, en daarvoor rekenen we op de steun van NASA. Zij lanceerden in juni een oproep met de vraag naar allerlei onderzoeksteams toe om voorstellen in te dienen van ruimtemissies binnen het zonnestelsel, en dit binnen een budget van 425 miljoen dollar. Een gespecialiseerde jury zal dan nagaan of elk voorstel aan alle gestelde criteria voldoet, en vooral of mede dankzij dit of dat project er mogelijk een doorbraak of nieuwe inzichten kunnen komen in bepaalde onderzoeksdomeinen. Tegen 3 september van dit jaar moesten alle projecten ingediend zijn, tegen januari/februari 2011 zal NASA van al die projecten er drie uitkiezen. Die gaat men dan heel grondig onderzoeken om uiteindelijk tegen mei aan slechts één enkel project groen licht te geven.

 

Jammer natuurlijk dat er voor sterrenkundig onderzoek geen oneindig grote budgetten zijn.

 

Als onderzoeker weet je uiteraard ook wel dat er altijd meer wetenschappers met interessante voorstellen zullen zijn dan dat er financiële mogelijkheden zijn om al die projecten te realiseren. Er zijn alleen al op het vlak van sterrenkunde en planeetonderzoek zovele boeiende objecten in het universum die echt de moeite waard zijn om ze grondig te bestuderen, en als wetenschapper moet je er ook kunnen mee leven dat er steeds meer onbeantwoorde vragen zullen zijn dan dat we op korte tijd kunnen beantwoorden.

Je kan alleen je uiterste best doen om je project zo goed mogelijk uit te werken en vervolgens overtuigend te motiveren waarom jouw onderzoek het verdient geselecteerd te worden. Wij zijn er natuurlijk van overtuigd dat onze Titan Mare Explorer een superbelangrijke  en zelfs noodzakelijke vervolgmissie is op Cassini-Huygens met bovendien ook veel uitstraling naar het grote publiek toe, maar ongetwijfeld denken de  andere projectteams op een gelijkaardige manier over hun plannen. Dat neemt niet weg dat ik erg ontgoocheld zou zijn mochten wij het niet halen. 

 

Wij hopen samen met u, Dr. Stofan, dat er binnenkort goed nieuws volgt voor de Titan Mare Explorer. En alvast hartelijke dank voor dit gesprek.