اقیانوس های یخی در قمرهای دور وجود دارند. چرا آنها منجمد جامد نیستند؟ | مجله کوانتا

در بیشتر زمان وجود بشر، زمین تنها جهان پوشیده از اقیانوس شناخته شده بود که ظاهراً شبیه هیچ جزیره کیهانی دیگری نبود.

اما در سال 1979، دو فضاپیمای وویجر ناسا در کنار مشتری پرواز کردند. قمر آن اروپا، یک قلمرو یخ زده، با شیارها و شکستگی ها تزئین شده بود - نشان می دهد که ممکن است چیزی پویا در زیر سطح آن وجود داشته باشد.

گفت: «بعد از وویجر، مردم مشکوک شدند که اروپا عجیب است و ممکن است یک اقیانوس داشته باشد. فرانسیس نیموسیاره شناس دانشگاه کالیفرنیا، سانتا کروز.

سپس، در سال 1996، فضاپیمای گالیله ناسا از اروپا عبور کرد و میدان مغناطیسی عجیبی را که از درون می آمد، شناسایی کرد. گفت: «ما نفهمیدیم چه بود مارگارت کیولسون، فیزیکدان فضایی در دانشگاه کالیفرنیا، لس آنجلس که مسئول مغناطیس سنج فضاپیما بود. سرانجام، او و تیمش متوجه شدند که یک سیال رسانای الکتریکی - چیزی در داخل ماه - در پاسخ به میدان مغناطیسی عظیم مشتری در حال تشنج است. کیولسون گفت: «تنها چیزی که منطقی بود این بود که پوسته‌ای از مایع ذوب شده در زیر سطح یخ وجود داشت.»

در سال 2004، فضاپیمای کاسینی ناسا به زحل رسید. هنگامی که قمر کوچک زحل انسلادوس را مشاهده کرد، متوجه شد که در حال پیچیدن است ستون های یخی فوران از شکاف های وسیع در قطب جنوبی ماه. و هنگامی که کاسینی از میان این دهانه ها عبور کرد، شواهد غیرقابل انکار بود - این یک اقیانوس شور بود که به شدت به فضا می ریخت.

اکنون اقیانوس های زمین دیگر منحصر به فرد نیستند. آنها فقط عجیب هستند. آنها در سطح نور خورشید سیاره ما وجود دارند، در حالی که دریاهای منظومه شمسی بیرونی در زیر یخ قرار گرفته و در تاریکی غوطه ور شده اند. و به نظر می رسد این اقیانوس های مایع زیرزمینی برای منظومه شمسی ما قاعده است، نه استثنا. علاوه بر اروپا و انسلادوس، قمرهای دیگری با اقیانوس های پوشیده از یخ نیز تقریباً به طور قطع وجود دارند. ناوگانی از فضاپیماها در دهه آینده آنها را با جزئیات بررسی خواهند کرد.

همه اینها یک پارادوکس ظاهری را ایجاد می کند. این قمرها میلیاردها سال است که در مناطق یخبندان منظومه شمسی ما وجود داشته اند - به اندازه ای که گرمای باقیمانده از خلقت آنها چندین سال پیش به فضا فرار کند. هر دریای زیرسطحی باید در حال حاضر یخ جامد باشد. پس چگونه این قمرها که بسیار فراتر از گرمای خورشید در حال گردش هستند، هنوز اقیانوس دارند؟

شواهد در حال افزایش نشان می دهد که ممکن است راه های متعددی برای حفظ اقیانوس های آب مایع در طول میلیاردها سال وجود داشته باشد. رمزگشایی این دستور العمل ها می تواند تلاش ما را برای تعیین اینکه چقدر برای زندگی در سراسر کیهان آسان یا مشکل ساز است، تسریع کند. تازه تحلیل شده داده های فضاپیمای قدیمیبه علاوه مشاهدات اخیر ناسا فضاپیمای جونو و تلسکوپ فضایی جیمز وب، به شواهد فزاینده ای اضافه می کنند که این اقیانوس های گرم حاوی مواد شیمیایی مفید برای زیست شناسی هستند و منظومه شمسی درونی تنها مکانی نیست که حیات به طور بالقوه می تواند خانه نامیده شود.

این قمرهای اقیانوسی نیز امکان بزرگتری را ارائه می دهند. اقیانوس‌های معتدل و بالقوه قابل زیست می‌تواند پیامد اجتناب‌ناپذیر تشکیل سیاره باشد. ممکن است مهم نباشد که یک سیاره و قمرهای آن چقدر از آتش هسته ای ستاره خود فاصله دارند. و اگر این درست باشد، پس تعداد مناظری که ممکن است در جستجوی ما برای حیات فراتر از زمین کشف کنیم تقریباً نامحدود است.

گفت: "اقیانوس ها در زیر قمرهای یخی عجیب و غیرمحتمل به نظر می رسند." استیون ونس، اختر زیست شناس و ژئوفیزیکدان در آزمایشگاه رانش جت ناسا.

و با این حال، این دریاهای بیگانه همچنان مایع باقی می مانند.

اقیانوسی آینه پوشیده

دانشمندان گمان می کنند که تعداد انگشت شماری از قمرهایی که به دور مشتری و زحل می چرخند - و شاید حتی برخی از آنها که به دور اورانوس و نپتون می چرخند - اقیانوس ها را در خود جای داده اند. گانیمد سنگین و کالیستو زخمی شده از دهانه، سیگنال‌های مغناطیسی ضعیف و اروپا مانند تولید می‌کنند. تیتان پوشیده از مه زحل نیز به احتمال زیاد دارای یک اقیانوس زیرسطحی با آب مایع است. گفت: اینها پنج موردی هستند که اکثر دانشمندان جامعه نسبت به آنها کاملاً مطمئن هستند مایک سوری، سیاره شناس دانشگاه پوردو.

تا اینجا، تنها یقین مطلق اقیانوسی انسلادوس است. گفت: "این کار بیهوده ای است." کارلی هاوتسیاره شناس دانشگاه آکسفورد.

در دهه 1980، برخی از دانشمندان مشکوک بودند که انسلادوس دارای پرهای است. حلقه E زحل به قدری تمیز و براق بود که چیزی - شاید از یکی از قمرهای آن - به فضا نشت می کرد و دائماً آن را تازه می کرد. پس از اینکه کاسینی سرانجام شاهد آن جادوی تزیین سیاره در عمل بود، دانشمندان به طور خلاصه این سوال را مطرح کردند که آیا توده های قطب جنوب ماه ممکن است اثر نور خورشید باشد که یخ را در پوسته ماه تبخیر می کند - کمی شبیه یخ خشکی است که هنگام گرم شدن می جوشد، شاید در اثر نور خورشید.

نیمو گفت: «برای مدتی، این بحث در مورد اینکه آیا اصلاً اقیانوس وجود دارد یا خیر وجود داشت. «آنچه واقعاً باعث شد که [کاسینی] از میان ستون پرواز کرد و نمک - کلرید سدیم - پیدا کردند. این یک اقیانوس است.» هنوز این احتمال وجود داشت که این توده ها از یک دریای کوچکتر و منزوی تر فوران کنند. اما مشاهدات بیشتر کاسینی نشان داد که پوسته انسلادوس به قدری به جلو و عقب تکان می‌خورد که باید توسط یک اقیانوس جهانی از قسمت داخلی ماه جدا شود.

این ستون همچنین هیدروژن و کوارتز را که نشانه‌هایی از فعالیت دریچه گرمابی در اعماق دریا است، پمپ می‌کند. فرانک پستبرگسیاره شناس دانشگاه آزاد برلین. روی زمین، چنین دریچه‌هایی گرما و شیمی مورد نیاز برای تامین انرژی اکوسیستم‌هایی را تولید می‌کنند که فراتر از دسترس نور خورشید هستند - جوامعی از ارگانیسم‌هایی که دانشمندان زمانی فکر می‌کردند نمی‌توانند در دنیای وابسته به فتوسنتزی ما وجود داشته باشند.

اما چه چیزی می تواند یک سیستم دریچه را به اندازه کافی قوی کند تا کل اقیانوس را گرم کند؟ یک ماه دیگر - این یکی از انواع آتشین - این سرنخ ها را ارائه می دهد.

جزر و مدهای ابدی، دوزخی

در ژوئن 1979، یک ماه قبل از پرواز نزدیک وویجر 2 از اروپا، دانشمندان اعلام کرد که وویجر 1 پرهای تایتانیک و چتر شکلی را مشاهده کرده است که در بالای آیو به فضا می‌روند - اثر انگشت فوران چندین آتشفشان.

این مشاهدات باید گیج کننده باشد: آتشفشان به یک منبع گرمای داخلی نیاز دارد، و آیو، مانند سایر قمرهای یخی، نباید چیزی جز اخگر باشد. اما چند ماه قبل، یک تیم مستقل از دانشمندان به درستی پیش بینی که آیو ممکن است یک جهان آتشفشانی بیش فعال باشد.

آنها پیش بینی خود را بر اساس رقص مداری از بزرگترین قمرهای مشتری به ازای هر چهار مداری که آیو کامل می‌کند، اروپا دو و گانیمد یک مدار می‌سازد. این پیکربندی مداری که به عنوان رزونانس شناخته می‌شود، باعث می‌شود آیو به جلو و عقب تاب بخورد و مدار آن را بیضوی کند. وقتی آیو به مشتری نزدیک‌تر می‌شود، گرانش سیاره با شدت بیشتری روی آن می‌چرخد. وقتی دورتر است، کشش مشتری ضعیف تر است. این طناب کشی بی پایان گرانشی سطح سنگی آیو را می سازد بالا و پایین حرکت کردن در 100 متر، ارتفاعی برابر با یک ساختمان 30 طبقه. این جزر و مد هستند، مانند جزر و مد زمین - فقط در سنگ جامد، نه آب.

این جزر و مد اصطکاک در ماه ایجاد می کند که گرما تولید می کند. و این گرمایش جزر و مدی به اندازه کافی قوی است که سنگ را در اعماق Io ذوب کند. نیمو گفت: «آیو اقیانوس آبی ندارد، اما احتمالاً اقیانوس ماگما دارد». (گالیله یک میدان مغناطیسی ثانویه را نیز در آنجا دریافت کرد که توسط a مخزن زیرزمینی جهانی سنگ مذاب.)

اروپا همچنین مقداری گرمایش جزر و مدی را تجربه می کند. اما اینکه این جزر و مدها چقدر اقیانوس را گرم می کنند بستگی به این دارد که در کجای ماه رخ می دهند. به عبارت دیگر، مقدار کافی از این گرما باید به اقیانوس برسد تا مایع بماند. نیمو گفت: «گرمای جزر و مدی ممکن است در خود پوسته یخی اتفاق بیفتد، یا ممکن است در هسته سنگی زیر آن اتفاق بیفتد. دانشمندان نمی‌دانند کدام یک درست است - بنابراین نمی‌توانند با اطمینان بگویند که گرمایش جزر و مدی چقدر به فضای داخلی مایع اروپا کمک می‌کند.

انسلادوس نیز توسط تانگوی گرانشی خود با قمر همسایه ای به نام دیون کشیده و فشرده می شود. در تئوری، این می تواند جزر و مد ایجاد کند که درون ماه را گرم کند. اما جزر و مد ایجاد شده توسط طنین آن با دیون، حداقل بر روی کاغذ، برای توضیح اقیانوس آن کافی به نظر نمی رسد. سوری گفت که اعداد هنوز جواب نمی دهند و مقدار گرمای تولید شده برای حفظ اقیانوس جهانی برای میلیاردها سال پس از تولد منظومه شمسی کافی نیست. شاید مانند اروپا، دانشمندان دقیقاً نمی دانند که جزر و مد در کجای انسلادوس گرما ایجاد می کند.

یکی دیگر از عوامل گیج کننده این است که مدارها در طول زمان نجومی ثابت نیستند. همانطور که سیستم های سیاره ای تکامل می یابند، قمرها مهاجرت می کنند و "گرمایش جزر و مد می تواند خاموش و روشن شود، زیرا چیزها به داخل و خارج رزونانس های مختلف می روند." دیوید روتری، یک دانشمند سیاره‌شناسی در دانشگاه آزاد در بریتانیا. دانشمندان گمان می کنند که این اتفاق با میراندا و آریل، دو ماهواره اورانیایی که ممکن است شرکای سابق رقص باشند، رخ داده است. این قمرها طوری به نظر می رسند که گویی زمانی از نظر زمین شناسی فعال بوده اند اما اکنون فعال هستند شاید، قابل بحث منجمد به هسته های آنها

به همین ترتیب، انسلادوس ممکن است همیشه دیونه را به عنوان شریک رقص خود نداشته باشد: شاید بوگی چرخان زحل آنها اخیراً شروع به کار کرده و یک قمر جامد را گرم کرده است. اما توضیح آن سناریو نیز دشوار است. سوری می‌گوید: «به‌جای یخ زدن و ذوب کردن دوباره اقیانوس، نگه‌داشتن اقیانوس در اطراف و نگهداری آن آسان‌تر است. بنابراین، اگر گرمایش جزر و مد به طور انحصاری مسئول اقیانوس انسلادوس باشد، پس ماه یک رقصنده کهنه کار است که برای چندین میلیارد سال جهش کرده است.

در حال حاضر، تنها قطعیت در مورد اقیانوس این قمر وجود آن است. سوری گفت که چگونه به وجود آمد و چگونه هنوز هم وجود دارد، "یکی از سوالات حل نشده واقعاً بزرگ است." فهمیدن انسلادوس سخت است.

مرتدین رادیواکتیو 

خوشبختانه، فضای داخلی ماه گرم منحصراً به جزر و مد بستگی ندارد.

نیمی از گرمای داخلی زمین از تولد آن به وجود آمده است. بقیه از عناصر رادیواکتیو در حال پوسیدگی ناشی می شود. به طور مشابه، اعماق غنی از صخره‌های قمرهای یخی باید حاوی مقدار مناسبی از اورانیوم، توریم و پتاسیم باشد - ذخایر رادیواکتیو که می‌تواند صدها میلیون، اگر نگوییم میلیاردها سال، قبل از تجزیه شدن به عناصر پایدار و توقف انتشار گرما، محیط اطراف خود را بپزد. .

قمرهای بزرگتر با ذخایر فراوان مواد رادیواکتیو شروع به کار خواهند کرد. و شاید این تمام چیزی باشد که اقیانوس آنها نیاز دارد. ونس گفت: "برای قمرهای بزرگتر مانند گانیمد، کالیستو و تیتان، آنها به دلیل این عامل پرتوزا اجتناب ناپذیر هستند." برخی از دانشمندان حتی استدلال می کنند که پلوتو یک اقیانوس زیر سطحی دارد. مانند سه قمر، این سیاره کوتوله احتمالاً توسط یک پوسته به اندازه کافی ضخیم عایق شده است که نشت کوره رادیواکتیو آن را به فضا کند می کند.

با این حال، قلب‌های نسبتاً کوچک در قمرهای لیلیپوتی مانند انسلادوس، حاوی مواد رادیواکتیو کافی نیستند که آن‌ها را برای میلیاردها سال برشته نگه دارد. یک راه حل رضایت بخش برای این معما این است که شاید انسلادوس به تازگی خوش شانس بوده است: رادیواکتیویته می تواند بخش اولیه ای از گذشته اقیانوسی آن را توضیح دهد و رقصش با دیون در قسمت جدیدتر. پستبرگ گفت، شاید «اکنون در نقطه تقاطع هستیم، جایی که [گرمایش] رادیوژنیک آنقدر پایین می‌آید که گرمایش جزر و مدی فراگیر می‌شود».

اگر چنین است، شاید انسلادوس کوچکترین کیهان باشد: ترکیبی بی‌نظیر از گرمایش جزر و مد و رادیواکتیویته. این بدان معناست که قمرهای اقیانوسی می توانند در همه جا وجود داشته باشند - یا برعکس، تقریباً هیچ کجا.

اقیانوس های جوان

متناوبا، و بحث برانگیز، برخی از دانشمندان استدلال می کنند که انسلادوس می تواند بسیار جوان باشد.

پنهان شدن در انبوهی از داده های جمع آوری شده توسط فضاپیمای کاسینی، نشانه هایی از این است که زحل با حلقه های نمادین خود متولد نشده است. در عوض، بسیاری از دانشمندان اکنون متقاعد شده اند حلقه ها تشکیل شد فقط چند صد میلیون سال پیش تحقیقات جدید با استفاده از ابررایانه‌ها برای شبیه‌سازی خشونت ماه به ماه نشان می‌دهد که حلقه‌های زحل هنگام برخورد دو قمر باستانی در زمانی که استگوسورها در زمین پرسه می‌زدند، شکل گرفتند. این درهم شکسته مدار زحل را با لژیونی از خرده های یخی پر کرده است. در حالی که بسیاری حلقه ها را تشکیل می دادند، برخی دیگر قمرهای موجود را شکستند و موارد جدید ایجاد کرد. و اگر حلقه ها جوان باشند، انسلادوس و تعداد انگشت شماری از قمرهای دیگر نیز ممکن است جوان باشند.

گفت: «احساس می‌کند که مردم برای در نظر گرفتن جوان بودن ماه‌ها بازتر می‌شوند ژاکوب کگریس، یک دانشمند محقق در مرکز تحقیقات ایمز ناسا در مونتین ویو، کالیفرنیا، و یکی از نویسندگان مطالعه اخیر تشکیل حلقه.

در پیچشی که از این ایده حمایت می کند، معلوم می شود که دانشمندان نمی دانند برخی از قمرهای زحل چند ساله هستند. روتری گفت: «انسلادوس می تواند تنها چند صد میلیون یا ده ها میلیون سال عمر داشته باشد. اگر چنین است، گرمای ناشی از تولد دیوانه‌وارش ممکن است همچنان اقیانوس جوانش را مایع نگه دارد.

اما داستان قمرهای جوان به دور از قطعیت است - تعداد زیاد دهانه‌هایی که بسیاری از آنها به نمایش می‌گذارند نشان می‌دهد که قمرها برای چندین سال در اطراف بوده‌اند تا هیاهوی شیطان پین‌بالک منظومه شمسی را تجربه کنند. نیمو گفت: "من فکر می کنم، در منظومه زحل، چند صد میلیون سال پیش اتفاق عجیبی رخ داده است." اما حدس من این است که تمام ماهواره ها 4.5 میلیارد سال قدمت دارند.

پیشگویان ماهواره ای

با توجه به اینکه ماموریت‌های گالیله و کاسینی مدت‌هاست که مرده‌اند، دانشمندان اکنون امید خود را به دو فضاپیما بسته‌اند: کاوشگر ماه‌های یخی مشتری آژانس فضایی اروپا که اخیراً پرتاب شد و ناسا اروپا کلیپر که هنوز پرتاب نشده است. هر دو در آغاز دهه آینده به مشتری خواهند رسید.

و این ما را به اروپا بازمی گرداند، قمری که برای اولین بار مجبور به تجسم مجدد بافت کیهانی که در آن دریاهای زمین وجود دارد، شد.

یکی از اهداف فضاپیمای کلیپر - که قرار است در اکتبر 2024 پرواز کند - این است (به قول لیست هدف ماموریت) برای "تأیید" وجود اقیانوس اروپا. نیمو گفت: «درباره این کلمه بحث‌های زیادی وجود داشت. کلیپر می تواند چیزی غیر از یک اقیانوس پیدا کند. در عوض ممکن است یک دریای یخ زده پر از جیب های آب ذوب شده وجود داشته باشد. نیمو به شوخی گفت: "این می تواند یک لایه نازک از طلا باشد." "من فکر می کنم 99٪ مطمئن است که یک اقیانوس در آنجا وجود دارد."

با فرض اینکه کلیپر وجود اقیانوس اروپا را تأیید کند، به کار مشخص کردن ماه و دریای زیرسطحی آن می‌پردازد. برای انجام این کار، فضاپیما با کشف اینکه کدام مولکول ها روی سطح ماه هستند و اگر دانشمندان خوش شانس باشند، در اقیانوس زیر شروع می کند. هنگامی که در کنار ماه پرواز می کند، کلیپر هرگونه گرد و غبار، یخ یا بخار آب میکروسکوپی را که از سطح ماه پخش می شود را می بلعد. آن ذرات توسط آن مورد مطالعه قرار خواهند گرفت آنالیز گرد و غبار سطحی ابزار: هنگامی که دانه ها به صفحه فلزی آن برخورد می کنند، تبخیر می شوند و بار الکتریکی می شوند و به ابزار اجازه می دهند تا هویت شیمیایی دانه را آشکار کند.

امید این است که توده‌ها به آرامی اقیانوس اروپا را به فضا تخلیه کنند، که این امر جستجوی کلیپر را بسیار آسان‌تر می‌کند. چنین دهانه هایی ممکن است وجود داشته باشند، اما مانند انسلادوس نخواهند بود. آنها ممکن است متناوب تر و از نظر جغرافیایی پراکنده باشند. یا ممکن است اصلاً وجود نداشته باشند - در این صورت، امید این است که برخوردهای ریزشهاب‌سنگ ممکن است روی پوسته یخی فرو بریزد، سوپچون‌های اقیانوس را آزاد کرده و آن را به سمت کلیپر اسپری کند.

و ممکن است مشخص شود که وقتی نوبت به گرم ماندن می‌رسد، اروپا و سایر قمرها به ترفندهای شیمیایی متکی هستند که آنطور که ما انتظار داریم بیگانه نیستند. سوری گفت: در زمستان، "ما جاده ها را نمک می زنیم تا دمای ذوب را کاهش دهیم." شاید اقیانوس اروپا به خصوص شور باشد که نقطه انجماد را کاهش می دهد. با این حال، ترکیبات دیگر ضد یخ مؤثرتری خواهند بود - به‌طور خاص، سوری گفت: «به‌ویژه آمونیاک» که در فاصله‌ای دورتر از تابش تبخیرکننده‌ی خورشید فراوان‌تر است.

جزر و مد، رادیواکتیویته، شیمی و جوانی: این مواد، هنگامی که به روش صحیح مخلوط شوند، می توانند اقیانوس هایی را در این قمرهای یخی تولید کنند - و حفظ کنند. هاوت گفت: «با همه این چیزها، فکر نمی‌کنم این یکی/یا باشد. دستور العمل خاص برای هر ماهواره ممکن است متفاوت باشد. صدها راه برای ساختن یک ماه یخی پر از اقیانوس وجود دارد.

کیولسون گفت: کشف اقیانوس مخفی اروپا "واقعاً طرز فکر مردم را در مورد قمرها تغییر داد." و علم را در مسیری قرار داد تا تعیین کند که آیا اشکال حیات بیگانه ممکن است این دریاهای بیگانه را پر کنند یا خیر، و شاید کشفی را انجام دهند که تصور ما از جایگاه ما در جهان را برای همیشه تغییر دهد.

کوانتوم در حال انجام یک سری نظرسنجی برای ارائه خدمات بهتر به مخاطبانمان است. ما را بگیر نظرسنجی فیزیک خوان و شما برای برنده شدن رایگان وارد خواهید شد کوانتوم کالا