Kaugetel kuudel eksisteerivad jäised ookeanid. Miks nad ei ole külmunud tahked? | Quanta ajakiri

Suurema osa inimkonna olemasolust oli Maa ainus teadaolev ookeaniga kaetud maailm, mis näis erinevalt teistest kosmilistest saarekest.

Kuid 1979. aastal lendasid NASA kaks Voyageri kosmoselaeva Jupiterist mööda. Selle kuu Europa, külmunud kuningriik, oli kaunistatud soonte ja murdudega – vihjab, et selle pinna all võib olla midagi dünaamilist.

"Pärast Voyagerit kahtlustasid inimesed, et Europa on imelik ja sellel võib olla ookean," ütles ta. Francis Nimmo, Santa Cruzi California ülikooli planetaarteadlane.

Seejärel, 1996. aastal, möödus NASA kosmoselaev Galileo Europast ja tuvastas kummalise magnetvälja, mis tuli seestpoolt. "Me ei saanud aru, mis see oli," ütles Margaret Kivelson, Los Angelese California ülikooli kosmosefüüsik, kes vastutas kosmoselaeva magnetomeetri eest. Lõpuks mõistsid ta ja ta meeskond, et elektrit juhtiv vedelik – miski Kuu sees – kisub vastuseks Jupiteri tohutule magnetväljale. "Ainus asi, millel oli mõtet," ütles Kivelson, "oli see, kui jääpinna all oli vedelat sulamist kest."

2004. aastal jõudis NASA kosmoselaev Cassini Saturni. Kui ta vaatles Saturni väikest kuud Enceladust, avastas see koruseeriva jäised ploomid mis puhkeb Kuu lõunapoolusel asuvatest suurtest kuristikest. Ja kui Cassini läbi nende tilade lendas, olid tõendid eksitavad – see oli soolane ookean, mis veritses jõuliselt kosmosesse.

Nüüd pole Maa ookeanid enam ainulaadsed. Nad on lihtsalt imelikud. Need eksisteerivad meie planeedi päikesepaistelisel pinnal, samas kui välise päikesesüsteemi mered on jää all ja suplevad pimeduses. Ja need maa-alused vedelad ookeanid näivad olevat meie päikesesüsteemi jaoks reegel, mitte erand. Lisaks Europale ja Enceladusele eksisteerivad peaaegu kindlasti ka teised jääga kaetud ookeanidega kuud. Järgmise kümnendi jooksul uurib kosmoseaparaat neid üksikasjalikult.

Kõik see tekitab näilise paradoksi. Need kuud on meie päikesesüsteemi härmas alal eksisteerinud miljardeid aastaid – piisavalt kaua, et nende loomisest tekkinud jääksoojus oleks eoneid tagasi kosmosesse pääsenud. Kõik maa-alused mered peaksid praeguseks olema tahke jää. Niisiis, kuidas saavad need kuud, mis tiirlevad päikesesoojusest nii kaugele, omada ookeane tänapäevalgi?

Koguvad tõendid näitavad, et vedelveeliste ookeanide säilitamiseks miljardite aastate jooksul võib olla mitu võimalust. Nende retseptide dekodeerimine võib kiirendada meie püüdlusi kindlaks teha, kui lihtne või tülikas on elu tekkimine kogu kosmoses. Värskelt analüüsitud andmed vanadelt kosmoselaevadelt, pluss NASA hiljutised tähelepanekud Juno kosmoselaev ja James Webb kosmoseteleskoop, lisavad üha rohkem tõendeid selle kohta, et need soojad ookeanid sisaldavad bioloogiale kasulikku keemiat ja et sisemine päikesesüsteem ei ole ainus koht, mida elu võib oma koduks nimetada.

Need ookeanikuud pakuvad ka suuremat võimalust. Parasvöötme, potentsiaalselt elamiskõlblikud ookeanid võivad olla planeedi kujunemise vältimatuks tagajärjeks. Pole vahet, kui kaugel on planeet ja selle kuud oma tähe tuumalõkkest. Ja kui see on tõsi, siis on maastike arv, mida me võiksime Maast kaugemal asuva elu otsimisel uurida, peaaegu piiramatu.

"Ookeanid jäiste kuude all tunduvad veidrad ja ebatõenäolised," ütles Steven Vance, NASA Jet Propulsion Laboratory astrobioloog ja geofüüsik.

Ja siiski, trotslikult, jäävad need võõrad mered vedelaks.

Peeglisse mähitud ookean

Teadlased kahtlustavad, et käputäis Jupiteri ja Saturni ümber tiirlevaid kuud – ja võib-olla isegi mõned Uraani ja Neptuuni ümber tiirlevad – on ookeanides. Kopsakas Ganymedes ja kraatriarmiline Callisto toodavad nõrku, Euroopa-sarnaseid magnetsignaale. Ka Saturni häguga kaetud Titanil on suure tõenäosusega vedelveeline maa-alune ookean. Need "on viis, mille suhtes enamik kogukonna teadlasi tunneb end üsna kindlalt," ütles Mike Sori, Purdue ülikooli planeediteadlane.

Seni on ainus absoluutne ookeaniline kindlus Enceladus. "See on mõttetu," ütles Carly Howett, Oxfordi ülikooli planetaarteadlane.

1980. aastatel kahtlustasid mõned teadlased, et Enceladusel on ploomid; Saturni E-rõngas oli nii puhas ja läikiv, et midagi – võib-olla ühelt selle kuult – lekib kosmosesse ja värskendab seda pidevalt. Pärast seda, kui Cassini oli lõpuks tunnistajaks planeetide kaunistamise maagia toimimisele, seadsid teadlased lühidalt kahtluse alla, kas Kuu lõunapolaarsambad võivad olla tingitud päikesevalgusest, mis aurustab Kuu kestas jääd – natuke nagu kuivjää, mis kuumutamisel, võib-olla päikesevalguse toimel, ära keeb.

"Mõnda aega vaieldi selle üle, kas ookean on üldse vaja," ütles Nimmo. "See oli tegelikult see, kui [Cassini] lendas läbi voo ja leidis soola - naatriumkloriidi. See on ookean." Endiselt oli võimalus, et need ploomid võivad purskuda väiksemast, eraldatumast merest. Kuid Cassini edasised vaatlused näitasid, et Enceladuse kest kõigub edasi-tagasi nii teravalt, et see peab olema Kuu sügavamast sisemusest eraldatud globaalse ookeaniga.

Ploomid pumpavad välja ka vesinikku ja kvartsi, mis viitavad süvamere hüdrotermilise ventilatsiooni aktiivsusele. Frank Postberg, Berliini vabaülikooli planeediteadlane. Maal toodavad sellised tuulutusavad soojust ja keemiat, mis on vajalikud nende ökosüsteemide toiteks, mis eksisteerivad väljaspool päikesevalgust – organismide kooslusi, mida teadlased kunagi arvasid, et meie fotosünteetiliselt sõltuvas maailmas ei eksisteeri.

Kuid mis võiks toita ventilatsioonisüsteemi, mis on piisavalt tugev, et soojendada tervet ookeani? Teine kuu - see üks tulisetest sortidest - annaks need vihjed.

Igavesed, põrgulikud looded

Teadlased 1979. aasta juunis, kuu aega enne Voyager 2 lähilendu Euroopast teatas et Voyager 1 nägi Io kohal kosmosesse paiskuvaid titaanlikke vihmavarjukujulisi päid – mitme vulkaani purskavaid sõrmejälgi.

See tähelepanek oleks pidanud tekitama hämmingut: vulkanism nõuab sisemist soojusallikat ja Io, nagu ka teised jäised kuud, poleks pidanud olema midagi muud kui süsi. Kuid mõni kuu varem tegi sõltumatu teadlaste meeskond õigesti ennustada et Io võib olla hüperaktiivne vulkaaniline maailm.

Nad põhinesid oma ennustusel orbitaalne tants Jupiteri suurimatest kuudest. Iga nelja Io sooritatud orbiidi kohta teeb Europa kaks ja Ganymedes ühe. See orbiidi konfiguratsioon, mida nimetatakse resonantsiks, põhjustab Io edasi-tagasi võnkumist, muutes selle orbiidi elliptiliseks. Kui Io on Jupiterile lähemal, tõmbab planeedi gravitatsioon seda intensiivsemalt. Kui see on kaugemal, on Jupiteri puksiiri nõrgem. See lõputu gravitatsiooniline köievedu muudab Io kivise pinna liikuda üles ja alla 100 meetri võrra, sama kõrge kui 30-korruseline hoone. Need on looded, nagu Maal – ainult tahkes kivis, mitte vees.

Need looded tekitavad Kuu sees hõõrdumist, mis tekitab soojust. Ja see loodete kuumenemine on piisavalt tugev, et sulatada kivi sügaval Io sees. "Iol ei ole veeookeani, kuid sellel on tõenäoliselt magmaookean," ütles Nimmo. (Galileo võttis ka seal sekundaarse magnetvälja, mille tekitas a globaalne maa-alune sulakivimite reservuaar.)

Europa kogeb ka mõõna soojenemist. Kuid kui palju need looded ookeani soojendavad, sõltub sellest, kus Kuu sees nad esinevad; teisisõnu, piisavalt seda soojust peab jõudma ookeani, et hoida seda vedelana. "Mõõnade soojenemine võib toimuda jääkoores endas või selle all olevas kivises südamikus," ütles Nimmo. Teadlased ei tea, kumb on õige – seega ei saa nad kindlalt öelda, kui palju mõõnakuumutus Europa vedelale sisemusele kaasa aitab.

Ka Enceladust venitab ja pigistab gravitatsiooniline tango koos naaberkuuga nimega Dione. Teoreetiliselt võib see tekitada loodeid, mis soojendavad Kuu sisemust. Kuid selle resonantsist Dione'iga tekitatud looded, vähemalt paberil, ei tundu olevat piisavad selle ookeani selgitamiseks. Numbrid ei tööta veel, ütles Sori, ja toodetud soojushulk ei ole piisav globaalse ookeani säilitamiseks miljardeid aastaid pärast päikesesüsteemi sündi. Võib-olla, nagu ka Euroopa puhul, ei tea teadlased päris täpselt, kus looded tekitavad Enceladuses soojust.

Teine segane tegur on see, et orbiidid ei ole fikseeritud astronoomilise aja jooksul. Planeedisüsteemide arenedes rändavad kuud ja "loodete soojenemine võib sisse ja välja lülituda, kui asjad erinevatest resonantsidest sisse ja välja triivivad", ütles ta. David Rothery, Ühendkuningriigi avatud ülikooli planeediteadlane. Teadlased kahtlustavad, et see juhtus kahe Uraani satelliidi Miranda ja Arieliga, kes võivad olla endised tantsupartnerid; need kuud näevad välja, nagu oleksid nad kunagi geoloogiliselt aktiivsed, kuid on praegu vaieldamatult külmutatud nende tuumadeni.

Sarnaselt ei pruukinud Enceladuse tantsupartner Dione alati olla: võib-olla sai nende Saturni ümber tiirlev boogie hiljuti käima ja soojendas varem tahket kuud. Kuid seda stsenaariumi on ka keeruline seletada. "Lihtsam on ookeani ümber hoida ja seda hooldada, selle asemel, et seda külmutada ja ümber sulatada," ütles Sori. Seega, kui Enceladuse ookeani eest vastutab eranditult loodete soojenemine, siis Kuu on veterantantsija, kes on hüplenud mitu miljardit aastat.

Praegu on selle Kuu ookeani kohta ainus kindlus, et see on olemas. See, kuidas see sündis ja kuidas see on praegugi, on üks tõeliselt suuri lahendamata küsimusi, ütles Sori. "Enceladust on raske välja mõelda."

Radioaktiivsed Renegaadid 

Õnneks ei sõltu soe kuune interjöör ainult loodetest.

Pool Maa sisemisest soojusest pärines selle sünnist. Ülejäänu pärineb lagunevatest radioaktiivsetest elementidest. Samamoodi peaksid jääkuude kivimirikkad sügavused sisaldama korralikku kogust uraani, tooriumi ja kaaliumi – radioaktiivseid varusid, mis suudavad oma ümbrust küpsetada sadu miljoneid, kui mitte miljardeid aastaid, enne kui lagunevad stabiilseteks elementideks ja lõpetavad soojuse eraldamise. .

Suuremad kuud on alguse saanud suurema hulga radioaktiivse aine peidustega. Ja võib-olla on see kõik, mida nende ookeanid nõuavad. "Suuremate kuude puhul, nagu Ganymedes, Callisto ja Titan, on need selle radiogeense teguri tõttu justkui vältimatud," ütles Vance. Mõned teadlased väidavad isegi, et Pluuto on maa-alune ookean. Nagu kolm kuud, on see kääbusplaneet tõenäoliselt isoleeritud piisavalt paksu koorikuga, mis aeglustab selle radioaktiivse ahju lekkimist kosmosesse.

Kuid Lilliputi kuude, nagu Enceladus, suhteliselt väikesed südamed ei sisalda piisavalt radioaktiivset ainet, et hoida neid miljardeid aastaid röstituna. Selle mõistatuse üks ebarahuldav lahendus on see, et võib-olla Enceladusel lihtsalt vedas: radioaktiivsus võib seletada varajast osa tema ookeanilisest minevikust ja tema tants Dione'iga uuemat episoodi. Võib-olla "oleme praegu üleminekupunktis, kus radiogeenne [kuumutamine] läheb nii madalaks, et tõusulaine kuumenemine võtab võimust," ütles Postberg.

Kui jah, siis võib-olla on Enceladus universumi mikrokosmos: loodete kuumenemise ja radioaktiivsuse meeletu kombinatsioon. See tähendaks, et ookeanikuud võiksid eksisteerida kõikjal - või vastupidi, peaaegu mitte kusagil.

Nooruslikud ookeanid

Teise võimalusena ja vastuoluliselt väidavad mõned teadlased, et Enceladus võib olla märkimisväärselt noor.

Cassini kosmoseaparaadi kogutud andmete hunnikusse peitmine viitab sellele, et Saturn ei sündinud oma ikooniliste rõngastega. Selle asemel on paljud teadlased nüüd selles veendunud tekkisid rõngad vaid paarsada miljonit aastat tagasi. Uued uuringud, milles kasutati superarvuteid kuu-kuu vägivalla simuleerimiseks, viitavad sellele, et Saturni rõngad tekkisid kahe iidse kuu kokkupõrkes umbes ajal, mil stegosaurused Maa peal ringi rändasid. See rämps risustas Saturni orbiidi leegioni jäiste kildudega; samal ajal kui paljud moodustasid rõngaid, lõhkusid teised olemasolevad kuud ja loonud uusi. Ja kui rõngad on noored, võivad ka Enceladus ja käputäis teisi kuud olla noored.

"Tundub, et inimesed on muutumas avatumaks kuude nooruslikkusele," ütles Jacob Kegerreis, Californias Mountain View's asuva NASA Amesi uurimiskeskuse teadur ja hiljutise rõnga moodustumise uuringu kaasautor.

Seda ideed toetava keerdkäiguna selgub, et teadlased ei tea, kui vanad on mõned Saturni kuud. "Enceladus võib olla vaid mõnisada miljonit või kümneid miljoneid aastaid vana," ütles Rothery. Kui jah, siis võib selle meeletu sünnist tulenev kuumus selle noore ookeani siiski vedelana hoida.

Kuid noorte kuude lugu pole kaugeltki kindel – paljudel kuvatud kraatrite arv viitab sellele, et kuud on Päikesesüsteemi flipperilaadset pandemooniumi kogenud juba mitu eooni. "Ma arvan, et Saturni süsteemis juhtus paarsada miljonit aastat tagasi midagi veidrat," ütles Nimmo. "Kuid ma arvan, et kõik satelliidid on 4.5 miljardit aastat vanad."

Satelliidi ennustajad

Kuna Galileo ja Cassini missioonid on ammu surnud, panevad teadlased lootused kahele kosmoselaevale: Euroopa Kosmoseagentuuri Jupiter Icy Moons Explorerile, mis startis hiljuti, ja NASA Europa Clipperile, mis pole seda teinud. Mõlemad jõuavad Jupiterisse järgmise kümnendi alguses.

Ja see toob meid tagasi Euroopa juurde, Kuule, mis sundis esmalt uuesti kujutlema kosmilist konteksti, milles Maa mered eksisteerivad.

2024. aasta oktoobris lendama hakkava kosmoselaeva Clipper üks eesmärke on (sõnaga missiooni eesmärkide loetelu), et "kinnitada", et Euroopa ookean on olemas. "Selle sõna üle oli palju vaidlusi," ütles Nimmo. Clipper võiks leida midagi muud peale ookeani; selle asemel võib olla jäätunud meri, mis on täis sulaveetaskuid. Või "see võib olla õhuke kullakiht," naljatas Nimmo. "Ma arvan, et see on 99% kindel, et seal on ookean."

Eeldusel, et Clipper kinnitab Euroopa ookeani olemasolu, hakkab ta Kuud ja selle maa-alust merd iseloomustama. Selleks alustab kosmoseaparaat, selgitades välja, millised molekulid on Kuu pinnal ja kui teadlastel veab, siis ka allpool asuvas ookeanis. Kuust mööda lennates neelab Clipper Kuu pinnalt lenduva mikroskoopilise tolmu, jää või veeauru. Neid osakesi uurib see pinna tolmuanalüsaator instrument: kui terad tabavad selle metallplaati, aurustuvad need ja laetakse elektriliselt, võimaldades instrumendil paljastada terade keemilise identiteedi.

Loodetavasti juhivad ploomid Euroopa ookeani õrnalt kosmosesse, mis muudaks Clipperi otsingud oluliselt lihtsamaks. Sellised tilad võivad olemas olla, kuid need ei ole nagu Enceladuse omad; need võivad olla vahelduvamad ja geograafiliselt juhuslikud. Või ei pruugi neid üldse olla – sellisel juhul on lootus, et mikrometeoriidi kokkupõrked võivad jäätunud kesta maha murda, vabastada ookeanisuppe ja pihustada seda Clipperi poole.

Ja võib selguda, et soojas püsimise osas toetuvad Europa ja teised kuud keemilistele trikkidele, mis pole nii võõrad, kui võiksime eeldada. Talvel "soolame teid sulamistemperatuuri alandamiseks," ütles Sori. Võib-olla on Euroopa ookean eriti soolane, mis alandaks külmumispunkti. Teised ühendid oleksid aga tõhusamad antifriisid - "eriti ammoniaak," ütles Sori, mis on päikese aurustavast särast kaugemal rikkalikum.

Looded, radioaktiivsus, keemia ja noorus: need koostisosad võivad õigel viisil segatuna tekitada – ja säilitada – jääkuudel ookeane. "Kõigi nende asjadega ei usu ma, et see on kas/või," ütles Howett. Iga satelliidi konkreetne retsept võib olla erinev. Ookeaniga täidetud jäise kuu tegemiseks võib olla sadu viise.

Euroopa salaookeani avastamine "muutis tõesti seda, kuidas inimesed kuudest arvasid," ütles Kivelson. Ja see pani teaduse kursile, et teha kindlaks, kas võõrad eluvormid võivad asustada neid võõraid meresid ja võib-olla tuua kaasa avastuse, mis muudab igaveseks meie ettekujutust meie kohast universumis.

Quanta viib läbi mitmeid küsitlusi, et meie vaatajaskonda paremini teenindada. Võtke meie füüsika lugejaküsitlus ja teid osaletakse tasuta võitmiseks Quanta kaubad.