Iskolde oceaner findes på fjerne måner. Hvorfor er de ikke frosne faste? | Quanta Magasinet

I det meste af menneskehedens eksistens var Jorden den eneste kendte hav-draperede verden, tilsyneladende ulig nogen anden kosmisk ø.

Men i 1979 fløj NASAs to Voyager-rumfartøjer forbi Jupiter. Dens måne Europa, et frosset rige, var dekoreret med riller og brud - antyder, at der kan være noget dynamisk under dens overflade.

"Efter Voyager havde folk mistanke om, at Europa var mærkeligt og kunne have et hav," sagde Francis Nimmo, en planetarisk videnskabsmand ved University of California, Santa Cruz.

Så, i 1996, passerede NASAs Galileo-rumfartøj forbi Europa og opdagede et mærkeligt magnetfelt, der kom indefra. "Vi forstod ikke, hvad det var," sagde Margaret Kivelson, en rumfysiker ved University of California, Los Angeles, som var ansvarlig for rumfartøjets magnetometer. Til sidst indså hun og hendes team, at en elektrisk ledende væske - noget inde i månen - krampede som reaktion på Jupiters enorme magnetfelt. "Det eneste, der gav nogen mening," sagde Kivelson, "var, hvis der var en skal af væskesmeltning under isens overflade."

I 2004 ankom NASAs Cassini-rumfartøj til Saturn. Da den observerede Saturns lille måne Enceladus, fandt den koruscating iskolde faner bryder ud fra store kløfter ved månens sydpol. Og da Cassini fløj gennem disse tude, var beviserne umiskendelige - dette var et salt hav, der kraftigt blødte ud i rummet.

Nu er Jordens oceaner ikke længere unikke. De er bare mærkelige. De findes på vores planets solbeskinnede overflade, mens havene i det ydre solsystem er gemt under is og badet i mørke. Og disse underjordiske flydende oceaner ser ud til at være reglen for vores solsystem, ikke undtagelsen. Ud over Europa og Enceladus findes der næsten også andre måner med isdækkede oceaner. En flåde af rumfartøjer vil udforske dem i detaljer i løbet af det næste årti.

Alt dette rejser et tilsyneladende paradoks. Disse måner har eksisteret i de frostklare områder af vores solsystem i milliarder af år - længe nok til, at restvarme fra deres skabelse er flygtet ud i rummet for evigt siden. Ethvert hav under overfladen burde være fast is nu. Så hvordan kan disse måner, der kredser så langt ud over solens varme, stadig have oceaner i dag?

Flere beviser indikerer, at der kan være flere måder at opretholde flydende vandhave på over milliarder af år. Afkodning af disse opskrifter kunne accelerere vores søgen efter at afgøre, hvor nemt eller besværligt det er for livet at dukke op i hele kosmos. Frisk analyseret data fra gamle rumfartøjerplus nylige observationer fra NASA'er Juno rumfartøj og James Webb Space Telescope, føjer til det voksende bevis på, at disse varme oceaner indeholder kemi, der er gavnlig for biologien, og at det indre solsystem ikke er det eneste sted, hvor livet potentielt kan kalde hjem.

Disse oceaniske måner tilbyder også en større mulighed. Tempererede, potentielt beboelige oceaner kan være en uundgåelig konsekvens af planetdannelse. Det er måske lige meget, hvor langt en planet og dens måner er fra deres stjernes atombål. Og hvis det er sandt, så er antallet af landskaber, vi kan udforske i vores søgen efter liv hinsides Jorden, næsten ubegrænset.

"Oceaner under iskolde måner virker underlige og usandsynlige," sagde Steven Vance, en astrobiolog og geofysiker ved NASAs Jet Propulsion Laboratory.

Og alligevel, trodsigt, forbliver disse fremmede have flydende.

Et spejlsvøbt hav

Forskere formoder, at en håndfuld måner, der kredser om Jupiter og Saturn - og måske endda nogle, der snurrer rundt om Uranus og Neptun - har oceaner. Heftig Ganymedes og kraterarrede Callisto producerer svage, Europa-lignende magnetiske signaler. Også Saturns dis-dækkede Titan har meget sandsynligt et flydende vand under overfladen. Disse "er de fem, som de fleste videnskabsmænd i samfundet føler sig temmelig selvsikkert om," sagde Mike Sori, en planetarisk videnskabsmand ved Purdue University.

Indtil videre er den eneste absolutte oceaniske sikkerhed Enceladus. "Det er en no-brainer," sagde Carly Howett, en planetarisk videnskabsmand ved University of Oxford.

I 1980'erne havde nogle videnskabsmænd mistanke om, at Enceladus havde faner; Saturns E-ring var så ren og skinnende, at noget - måske fra en af ​​dens måner - må sive ud i rummet og konstant forfriske det. Efter at Cassini endelig var vidne til den planetgarneringsmagi i aktion, stillede forskerne kort spørgsmålstegn ved, om månens sydpolære faner kunne være værket af sollys, der fordamper is i månens skal - lidt ligesom tøris, der koger væk, når den opvarmes, måske af sollys.

"I et stykke tid var der dette argument om, hvorvidt der overhovedet skulle være et hav," sagde Nimmo. "Det, der virkelig slog fast, var, da [Cassini] fløj gennem fanen, og de fandt salt - natriumchlorid. Det er et hav." Der var stadig en chance for, at disse faner kunne bryde ud fra et mindre, mere isoleret hav. Men yderligere Cassini-observationer afslørede, at Enceladus' skal vugger så akut frem og tilbage, at den må adskilles fra månens dybere indre af et globalt hav.

Fanerne pumper også brint og kvarts ud, tegn på dybhavs hydrotermisk udluftningsaktivitet, sagde Frank Postberg, en planetarisk videnskabsmand ved det frie universitet i Berlin. På Jorden producerer sådanne åbninger den varme og kemi, der er nødvendig for at drive økosystemer, der eksisterer uden for sollys rækkevidde - samfund af organismer, som videnskabsmænd engang troede ikke kunne eksistere i vores fotosyntetisk afhængige verden.

Men hvad kunne drive et udluftningssystem stærkt nok til at opvarme et helt hav? En anden måne - denne af den brændende sort - ville give disse spor.

Det evige, infernalske tidevand

I juni 1979, en måned før Voyager 2's tætte forbiflyvning af Europa, forskerne annoncerede at Voyager 1 havde set titaniske, paraplyformede faner, der bølgede ud i rummet over Io - de eruptive fingeraftryk fra flere vulkaner.

Denne observation burde have været forvirrende: Vulkanisme kræver en intern varmekilde, og Io skulle ligesom de andre iskolde måner ikke have været andet end gløder. Men et par måneder tidligere havde et uafhængigt hold af videnskabsmænd korrekt forudsagde at Io kan være en hyperaktiv vulkansk verden.

De havde baseret deres forudsigelse på orbital dans af Jupiters største måner. For hver fire kredsløb, Io fuldfører, laver Europa to og Ganymedes en. Denne kredsløbskonfiguration, kendt som en resonans, får Io til at slingre frem og tilbage, hvilket gør dens kredsløb elliptisk. Når Io er tættere på Jupiter, rykker planetens tyngdekraft mere intenst på den. Når det er længere væk, er Jupiters træk svagere. Den uendelige gravitationelle tovtrækkeri gør Io's stenede overflade bevæg dig op og ned med 100 meter, samme højde som en 30-etagers bygning. Disse er tidevand, ligesom Jordens - bare i fast klippe, ikke vand.

Disse tidevand skaber friktion i månen, der genererer varme. Og den tidevandsopvarmning er stærk nok til at smelte klippen dybt inde i Io. "Io har ikke et vandhav, men det har sandsynligvis et magmahav," sagde Nimmo. (Galileo opfangede også et sekundært magnetfelt der, genereret af en globalt underjordisk reservoir af smeltet sten.)

Europa oplever også en del tidevandsopvarmning. Men hvor meget disse tidevand opvarmer et hav afhænger af, hvor i månen de forekommer; med andre ord, der skal nok af den varme til havet for at holde det flydende. "Tidevandsopvarmningen kan ske i selve isskallen, eller den kan ske i den stenede kerne nedenunder," sagde Nimmo. Forskere ved ikke, hvad der er korrekt - så de kan ikke med sikkerhed sige, hvor meget tidevandsopvarmning bidrager til Europas flydende indre.

Enceladus er også strakt og klemt af sin gravitationstango med en nabomåne kaldet Dione. I teorien kunne dette producere tidevand, der opvarmer månens indre. Men tidevandet skabt af dens resonans med Dione, i det mindste på papiret, synes ikke at være tilstrækkeligt til at forklare dets hav. Tallene virker endnu ikke, sagde Sori, og mængden af ​​produceret varme er ikke nok til at opretholde et globalt hav i milliarder af år siden solsystemets fødsel. Måske, som med Europa, ved forskerne ikke helt, hvor tidevandet skaber varme i Enceladus.

En anden forvirrende faktor er, at baner ikke er fikseret over astronomisk tid. Efterhånden som planetsystemer udvikler sig, migrerer måner, og "tidevandsopvarmning kan tænde og slukke, når tingene driver ind og ud af forskellige resonanser," sagde David Rothery, en planetarisk videnskabsmand ved Open University i Storbritannien. Forskere formoder, at dette skete med Miranda og Ariel, to uranske satellitter, der kan være tidligere dansepartnere; disse måner ser ud, som om de engang var geologisk aktive, men er det nu velsagtens frosset til deres kerne.

På samme måde har Enceladus måske ikke altid haft Dione som sin dansepartner: Måske startede deres Saturn-cirkulerende boogie for nylig og varmede en tidligere solid måne. Men det scenarie er også besværligt at forklare. "Det er nemmere at holde et hav omkring og vedligeholde det i stedet for at fryse og omsmelte det," sagde Sori. Således, hvis tidevandsopvarmning udelukkende er ansvarlig for Enceladus' hav, så er månen en veterandanser, der har steget i flere milliarder år.

Indtil videre er den eneste sikkerhed om denne månes hav, at den eksisterer. Hvordan det blev til, og hvordan det stadig er i dag, "er et af de virkelig store uløste spørgsmål," sagde Sori. "Enceladus er svær at finde ud af."

Radioaktive Renegades 

Heldigvis afhænger varme, månefyldte interiører ikke udelukkende af tidevand.

Halvdelen af ​​Jordens indre varme kom fra dens fødsel. Resten kommer fra henfaldende radioaktive grundstoffer. Tilsvarende bør de stenrige dybder af iskolde måner indeholde en anstændig mængde uran, thorium og kalium - radioaktive lagre, der kan koge deres omgivelser i hundredvis af millioner, hvis ikke milliarder, af år, før de henfalder til stabile grundstoffer og holder op med at frigive varme .

Større måner vil være startet med flere rigelige gemmer af radioaktivt stof. Og måske er det alt, hvad deres oceaner kræver. "For større måner som Ganymedes og Callisto og Titan, er de på en måde uundgåelige på grund af denne radiogene faktor," sagde Vance. Nogle videnskabsmænd hævder endda, at Pluto har et underjordisk hav. Ligesom de tre måner er denne dværgplanet sandsynligvis isoleret af en tilstrækkelig tyk skorpe, der bremser udsivningen af ​​dens radioaktive ovn ud i rummet.

Alligevel indeholder de relativt små hjerter i Lilliputian-måner som Enceladus ikke nok radioaktivt stof til at holde dem toasty i milliarder af år. En utilfredsstillende løsning på denne gåde er, at Enceladus måske bare var heldig: Radioaktivitet kunne forklare en tidlig del af dens oceaniske fortid, og dens dans med Dione en nyere episode. Måske "er vi nu ved overgangspunktet, hvor den radiogene [opvarmning] bliver så lav, at tidevandsopvarmningen tager over," sagde Postberg.

Hvis det er tilfældet, er Enceladus måske et mikrokosmos af universet: en serendipitøs kombination af tidevandsopvarmning og radioaktivitet. Det ville betyde, at oceaniske måner kunne eksistere overalt - eller omvendt næsten ingen steder.

Ungdomshave

Alternativt og kontroversielt hævder nogle videnskabsmænd, at Enceladus kunne være bemærkelsesværdig ung.

Gemmer sig i mængderne af data indsamlet af Cassini-rumfartøjet er antydninger af, at Saturn ikke blev født med sine ikoniske ringe. I stedet er mange forskere nu overbevist om det ringene dannede for blot et par hundrede millioner år siden. Ny forskning, der bruger supercomputere til at simulere måne-på-måne-vold, tyder på, at Saturns ringe blev dannet, da to gamle måner kolliderede omkring det tidspunkt, hvor stegosaurerne strejfede rundt på Jorden. Denne smashup fyldte Saturns bane med legioner af iskolde skår; mens mange dannede ringene, sprængte andre eksisterende måner og skabt nye. Og hvis ringene er unge, kan Enceladus og en håndfuld andre måner også være unge.

"Det føles som om folk bliver mere åbne over for at overveje, at månerne er unge," sagde Jacob Kegerreis, en forsker ved NASAs Ames Research Center i Mountain View, Californien, og en medforfatter af den nylige undersøgelse af ringdannelse.

I et twist, der understøtter denne idé, viser det sig, at forskerne ikke ved, hvor gamle nogle af Saturns måner er. "Enceladus kunne kun være et par hundrede millioner eller titusinder af millioner år gammel," sagde Rothery. Hvis det er tilfældet, kan varmen fra dens vanvittige fødsel muligvis stadig holde dets unge hav flydende.

Men historien om unge måner er langt fra sikker - det store antal kratere, som mange viser, tyder på, at månerne har eksisteret for at opleve solsystemets flipperlignende pandemonium i mange en æon. "Jeg tror, ​​at der i Saturn-systemet skete noget bizart for et par hundrede millioner år siden," sagde Nimmo. "Men mit gæt er, at alle satellitterne er 4.5 milliarder år gamle."

Satellit-spåmænd

Med Galileo- og Cassini-missionerne for længst døde, sætter forskerne nu deres håb til to rumfartøjer: Den Europæiske Rumorganisations Jupiter Icy Moons Explorer, som for nylig blev opsendt, og NASAs Europa Clipper, som ikke har gjort det. Begge vil ankomme til Jupiter i begyndelsen af ​​det næste årti.

Og det bringer os tilbage til Europa, månen, der først tvang en ny forestilling om den kosmiske kontekst, som Jordens have eksisterer i.

Et af målene for Clipper-rumfartøjet - der skal flyve i oktober 2024 - er (med ord fra missionens målliste) for at "bekræfte", at Europas hav eksisterer. "Der var mange argumenter om det ord," sagde Nimmo. Clipper kunne finde noget andet end et hav; der kan i stedet være et frossent hav fyldt med lommer af smeltevand. Eller "det kunne være et tyndt lag guld," jokede Nimmo. "Jeg tror, ​​det er 99 % sikker på, at der er et hav der."

Forudsat at Clipper bekræfter eksistensen af ​​Europas hav, vil det komme i gang med at karakterisere månen og dens underjordiske hav. For at gøre det vil rumfartøjet starte med at finde ud af, hvilke molekyler der er på månens overflade - og, hvis forskerne er heldige, i havet nedenfor. Mens den flyver forbi månen, indtager Clipper alt mikroskopisk støv, is eller vanddamp, der flyder fra månens overflade. Disse partikler vil blive studeret af dens overfladestøvanalysator instrument: Når korn rammer dets metalplade, fordampes de og lades elektrisk, hvilket gør det muligt for instrumentet at afsløre kornets kemiske identitet.

Håbet er, at faner forsigtigt lufter Europas hav ud i rummet, hvilket ville gøre Clippers søgen betydeligt lettere. Sådanne tude kan eksistere, men de vil ikke være som dem fra Enceladus; de kan være mere intermitterende og geografisk sporadiske. Eller de er måske slet ikke til stede - i så fald er håbet, at mikrometeoritpåvirkninger kan flise væk ved den iskolde skal, frigøre supper af havet og sprøjte den mod Clipper.

Og det kan vise sig, at når det kommer til at holde sig varm, er Europa og de andre måner afhængige af kemiske tricks, der ikke er så fremmede, som vi kunne forvente. Om vinteren "salter vi vejene for at sænke smeltetemperaturen," sagde Sori. Måske er Europas hav særligt salt, hvilket ville sænke frysepunktet. Andre forbindelser ville dog være mere effektive frostvæsker - "især ammoniak," sagde Sori, som er mere rigeligt længere fra solens fordampende blænding.

Tidevand, radioaktivitet, kemi og ungdom: Disse ingredienser, når de blandes på den rigtige måde, kan producere - og opretholde - oceaner på disse iskolde måner. "Med alle disse ting, tror jeg ikke, det er enten/eller," sagde Howett. Den specifikke opskrift for hver satellit kan være forskellig. Der kunne være hundredvis af måder at lave en havfyldt iskold måne på.

Opdagelsen af ​​Europas hemmelige hav "ændrede virkelig den måde, folk tænkte om måner," sagde Kivelson. Og det satte videnskaben på kurs for at afgøre, om fremmede livsformer kunne befolke disse fremmede have og måske medføre en opdagelse, der for altid vil ændre vores opfattelse af vores plads i universet.

Quanta gennemfører en række undersøgelser for bedre at kunne betjene vores publikum. Tag vores fysiklæserundersøgelse og du vil være med til at vinde gratis Quanta varer.