Existen océanos helados en lunas lejanas. ¿Por qué no están congelados? | Revista Quanta

Durante la mayor parte de la existencia de la humanidad, la Tierra fue el único mundo conocido cubierto de océanos, aparentemente diferente a cualquier otra isla cósmica.

Pero en 1979, las dos naves espaciales Voyager de la NASA sobrevolaron Júpiter. Su luna Europa, un reino helado, estaba decorada con surcos y fracturas, indicios de que podría haber algo dinámico debajo de su superficie.

"Después de la Voyager, la gente sospechaba que Europa era extraña y que podría tener un océano", dijo Francisco Nimmo, científico planetario de la Universidad de California, Santa Cruz.

Luego, en 1996, la nave espacial Galileo de la NASA pasó cerca de Europa y detectó un extraño campo magnético proveniente de su interior. “No entendíamos qué era”, dijo margaret kivelson, físico espacial de la Universidad de California en Los Ángeles, que estaba a cargo del magnetómetro de la nave espacial. Finalmente, ella y su equipo se dieron cuenta de que un fluido conductor de electricidad (algo dentro de la luna) estaba convulsionando en respuesta al inmenso campo magnético de Júpiter. "Lo único que tenía sentido", dijo Kivelson, "era si había una capa de líquido derretido debajo de la superficie del hielo".

En 2004, la nave espacial Cassini de la NASA llegó a Saturno. Cuando observó Encélado, la pequeña luna de Saturno, encontró rayos penachos de hielo brotando de vastos abismos en el polo sur de la luna. Y cuando Cassini voló a través de estos chorros, la evidencia fue inequívoca: se trataba de un océano salado que se desangraba vigorosamente en el espacio.

Ahora los océanos de la Tierra ya no son únicos. Son simplemente extraños. Existen en la superficie iluminada por el sol de nuestro planeta, mientras que los mares del sistema solar exterior están escondidos bajo hielo y bañados en oscuridad. Y estos océanos líquidos subterráneos parecen ser la regla de nuestro sistema solar, no la excepción. Además de Europa y Encelado, es casi seguro que también existen otras lunas con océanos cubiertos de hielo. Una flota de naves espaciales los explorará en detalle durante la próxima década.

Todo esto plantea una aparente paradoja. Estas lunas han existido en las zonas heladas de nuestro sistema solar durante miles de millones de años, tiempo suficiente para que el calor residual de su creación haya escapado al espacio hace eones. Cualquier mar subterráneo ya debería ser hielo sólido. Entonces, ¿cómo es posible que estas lunas, que orbitan tan lejos del calor del sol, todavía tengan océanos en la actualidad?

Cada vez hay más pruebas que indican que puede haber múltiples formas de sustentar océanos de agua líquida durante miles de millones de años. Decodificar esas recetas podría acelerar nuestra búsqueda para determinar qué tan fácil o problemático es que la vida surja en todo el cosmos. Recién analizado datos de viejas naves espaciales, además de observaciones recientes de la NASA Nave espacial Juno y del Telescopio espacial James Webb, se suman a la creciente evidencia de que estos océanos cálidos contienen una química beneficiosa para la biología y que el sistema solar interior no es el único lugar al que la vida podría potencialmente llamar hogar.

Estas lunas oceánicas también ofrecen una posibilidad mayor. Los océanos templados y potencialmente habitables podrían ser una consecuencia inevitable de la formación de planetas. Puede que no importe qué tan lejos estén un planeta y sus lunas de la hoguera nuclear de su estrella. Y si eso es cierto, entonces la cantidad de paisajes que podríamos explorar en nuestra búsqueda de vida más allá de la Tierra es casi ilimitada.

"Los océanos bajo lunas heladas parecen extraños e improbables", dijo steven vance, astrobiólogo y geofísico del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA.

Y, sin embargo, desafiantemente, estos mares alienígenas siguen siendo líquidos.

Un océano envuelto en espejos

Los científicos sospechan que un puñado de lunas que orbitan alrededor de Júpiter y Saturno (y tal vez incluso algunas que giran alrededor de Urano y Neptuno) albergan océanos. El fornido Ganímedes y Calisto, marcada por cráteres, producen señales magnéticas débiles, similares a las de Europa. Es muy probable que también el Titán cubierto de bruma de Saturno tenga un océano subsuperficial de agua líquida. Estos "son los cinco sobre los que la mayoría de los científicos de la comunidad se sienten bastante seguros", dijo mike sori, científico planetario de la Universidad Purdue.

Hasta ahora, la única certeza oceánica absoluta es Encelado. "Eso es una obviedad", dijo Carly Howett, científico planetario de la Universidad de Oxford.

En la década de 1980, algunos científicos sospecharon que Encelado tenía penachos; El anillo E de Saturno era tan limpio y brillante que algo (tal vez de una de sus lunas) debía estar filtrándose al espacio y refrescándolo constantemente. Después de que Cassini finalmente presenciara esa magia de guarnición de planetas en acción, los científicos se preguntaron brevemente si las columnas del polo sur de la luna podrían ser obra de la luz solar que vaporiza el hielo en la capa de la luna, un poco como el hielo seco que se evapora cuando se calienta, tal vez por la luz solar.

"Durante un tiempo, hubo una discusión sobre si era necesario que hubiera un océano", dijo Nimmo. “Lo que realmente se dio cuenta fue cuando [Cassini] voló a través de la columna de humo y encontró sal: cloruro de sodio. Eso es un océano”. Todavía existía la posibilidad de que estas columnas pudieran estar surgiendo de un mar más pequeño y aislado. Pero observaciones adicionales de Cassini revelaron que el caparazón de Encelado se balancea hacia adelante y hacia atrás con tanta intensidad que debe estar separado del interior más profundo de la luna por un océano global.

Las columnas también bombean hidrógeno y cuarzo, signos de actividad de respiraderos hidrotermales en aguas profundas, dijo. Frank Postberg, científico planetario de la Universidad Libre de Berlín. En la Tierra, tales respiraderos producen el calor y la química necesarios para alimentar ecosistemas que existen más allá del alcance de la luz solar: comunidades de organismos que los científicos alguna vez pensaron que no podrían existir en nuestro mundo fotosintéticamente dependiente.

Pero, ¿qué podría estar alimentando un sistema de ventilación lo suficientemente fuerte como para calentar un océano entero? Otra luna, ésta de la variedad ardiente, proporcionaría esas pistas.

Las mareas eternas e infernales

En junio de 1979, un mes antes del sobrevuelo cercano de Europa de la Voyager 2, los científicos anunció que la Voyager 1 había vislumbrado columnas titánicas en forma de paraguas ondeando en el espacio sobre Io: las huellas eruptivas de varios volcanes.

Esta observación debería haber sido desconcertante: el vulcanismo requiere una fuente de calor interna, e Io, como las otras lunas heladas, no debería haber sido más que brasas. Pero unos meses antes, un equipo independiente de científicos había previsto que Io podría ser un mundo volcánico hiperactivo.

Basaron su predicción en el danza orbital de las lunas más grandes de Júpiter. Por cada cuatro órbitas que completa Ío, Europa realiza dos y Ganímedes una. Esta configuración orbital, conocida como resonancia, hace que Ío se tambalee hacia adelante y hacia atrás, haciendo que su órbita sea elíptica. Cuando Io está más cerca de Júpiter, la gravedad del planeta tira de él con más intensidad. Cuando está más lejos, el tirón de Júpiter es más débil. Ese interminable tira y afloja gravitacional hace que la superficie rocosa de Io moverse hacia arriba y hacia abajo por 100 metros, la misma altura que un edificio de 30 pisos. Estas son mareas, como las de la Tierra, sólo que en roca sólida, no en agua.

Esas mareas crean fricción dentro de la luna que genera calor. Y ese calentamiento de las mareas es lo suficientemente fuerte como para derretir la roca en lo profundo de Ío. "Io no tiene un océano de agua, pero probablemente tenga un océano de magma", dijo Nimmo. (Galileo también detectó allí un campo magnético secundario, generado por un depósito subterráneo global de roca fundida.)

Europa también experimenta cierto calentamiento por mareas. Pero cuánto calientan un océano esas mareas depende de en qué lugar de la luna se producen; en otras palabras, es necesario que llegue suficiente calor al océano para mantenerlo líquido. "El calentamiento de las mareas podría estar ocurriendo en la propia capa de hielo, o podría estar ocurriendo en el núcleo rocoso que se encuentra debajo", dijo Nimmo. Los científicos no saben cuál es la respuesta correcta, por lo que no pueden decir con certeza cuánto contribuye el calentamiento de las mareas al interior líquido de Europa.

Encélado también se ve estirado y comprimido por su tango gravitacional con una luna vecina llamada Dione. En teoría, esto podría producir mareas que calentarían el interior de la luna. Pero las mareas creadas por su resonancia con Dione, al menos sobre el papel, no parecen suficientes para explicar su océano. Los números aún no funcionan, dijo Sori, y la cantidad de calor producido no es suficiente para mantener un océano global durante los miles de millones de años transcurridos desde el nacimiento del sistema solar. Quizás, al igual que en Europa, los científicos no saben muy bien dónde las mareas generan calor dentro de Encelado.

Otro factor de confusión es que las órbitas no están fijas en el tiempo astronómico. A medida que los sistemas planetarios evolucionan, las lunas migran y "el calentamiento de las mareas puede activarse y desactivarse a medida que las cosas entran y salen de diferentes resonancias", dijo david rothery, científico planetario de la Open University del Reino Unido. Los científicos sospechan que esto sucedió con Miranda y Ariel, dos satélites de Urano que pueden ser ex parejas de baile; Estas lunas parecen haber estado alguna vez geológicamente activas, pero ahora lo están. sin duda congelado hasta sus núcleos.

De manera similar, Es posible que Encelado no siempre haya tenido a Dione como compañera de baile: tal vez su boogie que gira alrededor de Saturno comenzó más recientemente y calentó una luna previamente sólida. Pero ese escenario también es difícil de explicar. "Es más fácil mantener un océano y mantenerlo, que congelarlo y volver a derretirlo", dijo Sori. Por lo tanto, si el calentamiento de las mareas es el único responsable del océano de Encelado, entonces la Luna es una bailarina veterana que ha oscilado durante varios miles de millones de años.

Por ahora, la única certeza sobre el océano de esta luna es que existe. Cómo surgió y cómo sigue existiendo hoy en día “es una de las grandes preguntas sin resolver”, dijo Sori. "Encélado es difícil de entender".

Renegados radiactivos 

Afortunadamente, los interiores cálidos y lunares no dependen exclusivamente de las mareas.

La mitad del calor interno de la Tierra provino de su nacimiento. El resto proviene de elementos radiactivos en descomposición. De manera similar, las profundidades ricas en rocas de las lunas heladas deberían contener una cantidad decente de uranio, torio y potasio, reservas radiactivas que pueden cocinar sus alrededores durante cientos de millones, si no miles de millones, de años antes de que se descompongan en elementos estables y dejen de liberar calor. .

Las lunas más grandes habrán comenzado con reservas más abundantes de materia radiactiva. Y quizás eso sea todo lo que sus océanos necesitan. "Para lunas más grandes como Ganímedes, Calisto y Titán, son algo inevitables debido a este factor radiogénico", dijo Vance. Algunos científicos incluso sostienen que Plutón tiene un océano subterráneo. Al igual que las tres lunas, este planeta enano probablemente esté aislado por una corteza suficientemente gruesa que frena la fuga de su horno radiactivo al espacio.

Sin embargo, los corazones relativamente pequeños de las lunas liliputienses como Encelado no contienen suficiente materia radiactiva para mantenerlos calientes durante miles de millones de años. Una solución insatisfactoria a este enigma es que tal vez Encelado simplemente tuvo suerte: la radioactividad podría explicar una parte temprana de su pasado oceánico, y su danza con Dione, un episodio más reciente. Tal vez "ahora estamos en el punto de cruce, donde el [calentamiento] radiogénico llega a ser tan bajo que el calentamiento de las mareas toma el control", dijo Postberg.

Si es así, quizás Encelado sea un microcosmos del universo: una combinación fortuita de calentamiento de las mareas y radiactividad. Eso significaría que las lunas oceánicas podrían existir en todas partes o, por el contrario, casi en ninguna parte.

Océanos juveniles

Alternativamente, y de manera controvertida, algunos científicos sostienen que Encelado podría ser notablemente joven.

Escondidos en la gran cantidad de datos recopilados por la nave espacial Cassini hay indicios de que Saturno no nació con sus anillos icónicos. En cambio, muchos científicos ahora están convencidos de que los anillos formados hace apenas unos cientos de millones de años. Una nueva investigación que utiliza supercomputadoras para simular la violencia entre lunas sugiere que los anillos de Saturno se formaron cuando dos lunas antiguas chocaron en la época en que los estegosaurios vagaban por la Tierra. Este choque cubrió la órbita de Saturno con legiones de fragmentos helados; Mientras muchos formaban los anillos, otros destrozaban lunas existentes y creó otros nuevos. Y si los anillos son jóvenes, Encelado y un puñado de otras lunas podrían serlo también.

"Parece que la gente se está volviendo más abierta a considerar que las lunas son jóvenes", dijo Jacob Kegerreis, científico investigador del Centro de Investigación Ames de la NASA en Mountain View, California, y coautor del reciente estudio de formación de anillos.

En un giro que respalda esta idea, resulta que los científicos no saben qué edad tienen algunas de las lunas de Saturno. "Encélado podría tener sólo unos pocos cientos de millones o decenas de millones de años", dijo Rothery. Si es así, es posible que el calor de su frenético nacimiento aún mantenga líquido su joven océano.

Pero la historia de las lunas jóvenes está lejos de ser cierta: la gran cantidad de cráteres que muchos muestran sugiere que las lunas han existido para experimentar el pandemónium similar a una bola de pinball del sistema solar durante muchos eones. "Creo que en el sistema de Saturno ocurrió algo extraño hace unos cientos de millones de años", dijo Nimmo. "Pero mi conjetura es que todos los satélites tienen 4.5 millones de años".

Adivinos satelitales

Con las misiones Galileo y Cassini muertas hace mucho tiempo, los científicos ahora están depositando sus esperanzas en dos naves espaciales: la Júpiter Icy Moons Explorer de la Agencia Espacial Europea, que se lanzó recientemente, y la Europa Clipper de la NASA, que no lo ha hecho. Ambos llegarán a Júpiter a principios de la próxima década.

Y eso nos lleva de regreso a Europa, la luna que por primera vez obligó a reinventar el contexto cósmico en el que existen los mares de la Tierra.

Uno de los objetivos de la nave espacial Clipper, que volará en octubre de 2024, es (en palabras de la lista de objetivos de la misión) para “confirmar” que el océano de Europa existe. "Hubo muchas discusiones sobre esa palabra", dijo Nimmo. Clipper podría encontrar algo más que un océano; en cambio, puede haber un mar helado lleno de bolsas de agua de deshielo. O “podría ser una fina capa de oro”, bromeó Nimmo. "Creo que es 99% seguro de que hay un océano allí".

Suponiendo que Clipper confirme la existencia del océano de Europa, se pondrá manos a la obra para caracterizar la Luna y su mar subterráneo. Para hacerlo, la nave espacial comenzará por descubrir qué moléculas están en la superficie de la luna y, si los científicos tienen suerte, en el océano que se encuentra debajo. Mientras vuela cerca de la luna, Clipper ingerirá cualquier polvo microscópico, hielo o vapor de agua que se levante de la superficie de la luna. Esas partículas serán estudiadas por su analizador de polvo de superficie Instrumento: cuando los granos golpean su placa de metal, se vaporizan y se cargan eléctricamente, lo que permite que el instrumento revele la identidad química del grano.

La esperanza es que las columnas estén ventilando suavemente el océano de Europa hacia el espacio, lo que facilitaría considerablemente la búsqueda de Clipper. Tales chorros podrán existir, pero no serán como los de Encelado; pueden ser más intermitentes y geográficamente esporádicos. O puede que no estén presentes en absoluto, en cuyo caso la esperanza es que los impactos de micrometeoritos puedan estar erosionando la capa de hielo, liberando trozos del océano y rociándolos hacia Clipper.

Y podría resultar que, cuando se trata de mantenerse calientes, Europa y las otras lunas dependan de trucos químicos que no son tan extraños como podríamos esperar. En invierno, “ponemos sal en las carreteras para reducir la temperatura de deshielo”, dijo Sori. Quizás el océano de Europa sea especialmente salado, lo que reduciría el punto de congelación. Sin embargo, otros compuestos serían anticongelantes más eficaces: "el amoníaco, en particular", dijo Sori, que es más abundante cuanto más lejos del resplandor vaporizador del sol.

Mareas, radiactividad, química y juventud: estos ingredientes, cuando se mezclan de la manera correcta, pueden producir (y sustentar) océanos en estas lunas heladas. "Con todas estas cosas, no creo que sea una cosa o la otra", dijo Howett. La receta específica para cada satélite puede ser diferente. Podría haber cientos de formas de crear una luna helada llena de océanos.

El descubrimiento del océano secreto de Europa "realmente cambió la forma en que la gente pensaba sobre las lunas", dijo Kivelson. Y puso a la ciencia en el camino de determinar si formas de vida alienígenas podrían poblar estos mares alienígenas, y tal vez provocar un descubrimiento que alterará para siempre nuestra concepción de nuestro lugar en el universo.

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