Kaukaisilla kuuilla on jäisiä valtameriä. Miksi ne eivät ole jäätyneitä? | Quanta-lehti

Suurimman osan ihmiskunnan olemassaolosta Maa oli ainoa tunnettu valtamerten peittämä maailma, joka näytti olevan erilainen kuin mikään muu kosminen saari.

Mutta vuonna 1979 NASAn kaksi Voyager-avaruusalusta lensi Jupiterin ohi. Sen kuu Europa, jäätynyt valtakunta, oli koristeltu urilla ja murtumilla - vihjaa, että sen pinnan alla saattaa olla jotain dynaamista.

"Voyagerin jälkeen ihmiset epäilivät, että Europa oli outo ja että siinä saattaa olla valtameri", sanoi. Francis Nimmo, planeetatieteilijä Kalifornian yliopistosta Santa Cruzista.

Sitten vuonna 1996 NASAn Galileo-avaruusalus ohitti Europan ja havaitsi sisältä tulevan oudon magneettikentän. "Emme ymmärtäneet, mikä se oli", sanoi Margaret Kivelson, avaruusfyysikko Kalifornian yliopistosta Los Angelesista, joka vastasi avaruusaluksen magnetometristä. Lopulta hän ja hänen tiiminsä ymmärsivät, että sähköä johtava neste - jotain kuun sisällä - kouristeli vastauksena Jupiterin valtavaan magneettikenttään. "Ainoa asia, jolla oli mitään järkeä", Kivelson sanoi, "oli se, että jään pinnan alla oli nestemäinen sulatekuori."

Vuonna 2004 NASAn Cassini-avaruusalus saapui Saturnukseen. Kun se havaitsi Saturnuksen pienen kuun Enceladuksen, se havaitsi koruskoivan jäiset pillut purkautuu valtavista kuiluista kuun etelänavalla. Ja kun Cassini lensi näiden nokkaputkien läpi, todisteet olivat erehtymättömät – tämä oli suolainen valtameri, joka vuotaa voimakkaasti avaruuteen.

Nyt maapallon valtameret eivät ole enää ainutlaatuisia. Ne ovat vain outoja. Niitä esiintyy planeettamme auringonpaisteella pinnalla, kun taas ulomman aurinkokunnan meret ovat jään alla ja kylpevät pimeässä. Ja nämä maanalaiset nestemäiset valtameret näyttävät olevan aurinkokuntamme sääntö, eivät poikkeus. Europan ja Enceladuksen lisäksi lähes varmasti on olemassa muitakin jään peittämiä valtameriä. Avaruusalusten laivasto tutkii niitä yksityiskohtaisesti seuraavan vuosikymmenen aikana.

Kaikki tämä herättää näennäisen paradoksin. Nämä kuut ovat olleet aurinkokuntamme pakkasalueilla miljardeja vuosia – tarpeeksi kauan, jotta niiden luomisesta peräisin oleva jäännöslämpö on karannut avaruuteen aioneja sitten. Kaikkien maanalaisten merien pitäisi olla jo kiinteää jäätä. Joten kuinka näillä kuiilla, jotka kiertävät niin kaukana auringon lämmön ulkopuolella, voi olla valtameriä vielä tänään?

Kasvavat todisteet osoittavat, että voi olla useita tapoja ylläpitää nestemäisiä valtameriä miljardeja vuosia. Näiden reseptien purkaminen voisi nopeuttaa pyrkimystämme selvittää, kuinka helppoa tai hankalaa on elämän syntyä koko kosmoksessa. Juuri analysoitu tietoja vanhoista avaruusaluksista, sekä NASAn viimeaikaiset havainnot Juno-avaruusalus ja James Webb avaruusteleskooppi, lisäävät kasvavaa näyttöä siitä, että nämä lämpimät valtameret sisältävät biologialle hyödyllistä kemiaa ja että sisäinen aurinkokunta ei ole ainoa paikka, jota elämä voisi kutsua kodiksi.

Nämä valtameren kuut tarjoavat myös suuremman mahdollisuuden. Lauhkeat, mahdollisesti asuttavat valtameret voivat olla väistämätön seuraus planeetan muodostumisesta. Sillä ei ehkä ole väliä, kuinka kaukana planeetta ja sen kuut ovat tähtensä ydintulesta. Ja jos se on totta, maisemien määrä, jota voimme tutkia etsiessämme elämää Maan ulkopuolelta, on lähes rajaton.

"Jääisten kuuiden alla olevat valtameret näyttävät oudolta ja epätodennäköiseltä", sanoi Steven Vance, astrobiologi ja geofyysikko NASAn Jet Propulsion Laboratoryssa.

Ja silti, uhmakkaasti nämä vieraat meret pysyvät nestemäisinä.

Peilikääreinen valtameri

Tiedemiehet epäilevät, että kourallinen Jupiteria ja Saturnusta kiertäviä - ja ehkä jopa joitakin Uranuksen ja Neptunuksen ympärillä pyöriviä -kuita satamassa on valtameriä. Kova Ganymede ja kraatterin arpinen Callisto tuottavat heikkoja, Europa-kaltaisia ​​magneettisia signaaleja. Myös Saturnuksen sumun peittämässä Titanissa on hyvin todennäköisesti nestemäinen vedenalainen valtameri. Nämä "ovat viisi, joista useimmat yhteisön tiedemiehet suhtautuvat melko luottavaisesti", sanoi Mike Sori, planeetatieteilijä Purduen yliopistosta.

Toistaiseksi ainoa ehdoton valtamerellinen varmuus on Enceladus. "Se on turhaa", sanoi Carly Howett, planeetatieteilijä Oxfordin yliopistosta.

1980-luvulla jotkut tutkijat epäilivät, että Enceladuksella oli pilviä; Saturnuksen E-rengas oli niin puhdas ja kiiltävä, että jotain - ehkä yhdestä sen kuusta - täytyy vuotaa avaruuteen ja virkistää sitä jatkuvasti. Kun Cassini vihdoin näki planeettoja koristelevan taikuuden toiminnassa, tutkijat kyseenalaistivat hetken, saattoivatko kuun etelänapapilvet johtua auringonvalosta, joka höyrysti jäätä kuun kuoressa – vähän kuin kuivajää kiehuisi pois kuumennettaessa, ehkä auringonvalon vaikutuksesta.

"Jonkin aikaa kiisteltiin siitä, tarvitaanko merta ollenkaan", Nimmo sanoi. ”Se todella osui siihen, kun [Cassini] lensi tulvan läpi ja he löysivät suolaa - natriumkloridia. Se on valtameri." Edelleen oli mahdollista, että nämä pillut purkautuvat pienemmästä, eristäytyneemmästä merestä. Mutta Cassinin lisähavainnot paljastivat, että Enceladuksen kuori heiluu edestakaisin niin jyrkästi, että maailmanlaajuisen valtameren täytyy erottaa se kuun syvyydestä.

Pilvet myös pumppaavat ulos vetyä ja kvartsia, jotka ovat merkkejä syvänmeren hydrotermisen tuuletusaktiivisuudesta, sanoi. Frank Postberg, planeetatieteilijä Berliinin vapaasta yliopistosta. Maapallolla tällaiset tuuletusaukot tuottavat lämpöä ja kemiaa, joita tarvitaan ekosysteemeille, jotka ovat auringonvalon ulottumattomissa – eliöyhteisöissä, joita tiedemiehet aiemmin luulivat, ettei niitä voi olla olemassa fotosynteettisesti riippuvaisessa maailmassamme.

Mutta mikä voisi antaa virtaa tuuletusjärjestelmälle, joka on riittävän vahva lämmittämään koko valtamerta? Toinen kuu - tämä tulinen lajike - antaisi nämä vihjeet.

Ikuiset, helvetin vuorovedet

Kesäkuussa 1979, kuukausi ennen Voyager 2:n läheistä lentoa Europasta, tutkijat ilmoitti että Voyager 1 oli nähnyt titaanisia, sateenvarjon muotoisia pilviä, jotka lentävät avaruuteen Ion yläpuolella – useiden tulivuorten purkautuvia sormenjälkiä.

Tämän havainnon olisi pitänyt olla hämmentävä: vulkanismi vaatii sisäisen lämmönlähteen, ja Ion, kuten muiden jäisten kuuiden, olisi pitänyt olla vain hiillosta. Mutta muutamaa kuukautta aiemmin riippumaton tutkijaryhmä teki oikein ennusti että Io saattaa olla hyperaktiivinen vulkaaninen maailma.

He perustivat ennustuksensa siihen orbitaalitanssi Jupiterin suurimmista kuista. Jokaista neljää Ion suorittamaa kiertorataa kohti Europa tekee kaksi ja Ganymede yhden. Tämä kiertoradan konfiguraatio, joka tunnetaan nimellä resonanssi, saa Io:n heilumaan edestakaisin tehden sen radasta elliptisen. Kun Io on lähempänä Jupiteria, planeetan painovoima vetää sitä voimakkaammin. Kun se on kauempana, Jupiterin hinaaja on heikompi. Tämä loputon painovoiman köydenveto tekee Ion kivisestä pinnasta liikkua ylös ja alas 100 metriä, sama korkeus kuin 30-kerroksinen rakennus. Nämä ovat vuorovesi, kuten Maan - vain kiinteässä kalliossa, ei vedessä.

Nämä vuorovedet aiheuttavat kitkaa kuuhun, joka tuottaa lämpöä. Ja tuo vuorovesikuumennus on tarpeeksi vahva sulattamaan kiven syvällä Ion sisällä. "Iolla ei ole vesivaltamerta, mutta sillä on todennäköisesti magmameri", Nimmo sanoi. (Galileo otti myös siellä toissijaisen magneettikentän, jonka synnytti a maailmanlaajuinen maanalainen sulan kiven säiliö.)

Europa kokee myös jonkin verran vuorovesilämpöä. Mutta kuinka paljon nämä vuorovedet lämmittävät valtamerta, riippuu siitä, missä osassa niitä esiintyy; toisin sanoen tarpeeksi lämpöä on päästävä mereen pitääkseen sen nestemäisenä. "Vuorovesilämpeneminen voi tapahtua itse jääkuoressa tai se voi tapahtua alla olevassa kivisydämessä", Nimmo sanoi. Tiedemiehet eivät tiedä, mikä on oikein – joten he eivät voi sanoa varmasti, kuinka paljon vuorovesilämpö vaikuttaa Europan nestemäiseen sisätilaan.

Myös Enceladusta venyttää ja puristaa sen gravitaatiotango viereisen Dionen kuun kanssa. Teoriassa tämä voisi tuottaa vuorovesi, joka lämmittää kuun sisäosia. Mutta sen Dionen kanssa resonanssin synnyttämät vuorovedet eivät ainakaan paperilla näytä riittävän selittämään sen valtamerta. Numerot eivät vielä toimi, Sori sanoi, ja tuotetun lämmön määrä ei riitä ylläpitämään globaalia valtamerta miljardeja vuosia aurinkokunnan syntymän jälkeen. Ehkäpä, kuten Europan kohdalla, tiedemiehet eivät aivan tiedä, missä vuorovedet luovat lämpöä Enceladuksessa.

Toinen hämmentävä tekijä on se, että kiertoradat eivät ole kiinteitä tähtitieteelliseen aikaan. Kun planeettajärjestelmät kehittyvät, kuut vaeltavat ja "vuorovesilämpö voi käynnistyä ja sammua, kun asiat ajautuvat sisään ja ulos eri resonansseista", sanoi. David Rothery, planeetatieteilijä avoimessa yliopistossa Yhdistyneessä kuningaskunnassa. Tutkijat epäilevät, että tämä tapahtui Mirandan ja Arielin, kahden Uranilaisen satelliitin kanssa, jotka saattavat olla entisiä tanssikumppaneita; nämä kuut näyttävät siltä kuin ne olisivat kerran geologisesti aktiivisia, mutta ovat nyt luultavasti jäädytetty heidän ytimeensä.

Samaan tapaan Enceladuksella ei ehkä aina ole ollut Dionea tanssipartnerina: Ehkä heidän Saturnusta kiertävä boogie lähti liikkeelle äskettäin ja lämmitti aiemmin kiinteää kuuta. Mutta tämä skenaario on myös hankala selittää. "On helpompi pitää valtamerta ympärillä ja ylläpitää sitä, kuin jäädyttää ja sulattaa se uudelleen", Sori sanoi. Siten, jos vuoroveden lämmitys on yksinomaan vastuussa Enceladuksen valtamerestä, niin kuu on veteraanitanssija, joka on pomppinut useita miljardeja vuosia.

Toistaiseksi ainoa varmuus tämän kuun valtamerestä on, että se on olemassa. Se, miten se syntyi ja miten se on edelleen olemassa, "on yksi todella suurista ratkaisemattomista kysymyksistä", Sori sanoi. "Enceladus on vaikea selvittää."

Radioaktiiviset Renegatit 

Onneksi lämpimät kuuiset sisätilat eivät ole yksinomaan vuorovesien varassa.

Puolet maan sisäisestä lämmöstä tuli sen syntymästä. Loput ovat peräisin hajoavista radioaktiivisista aineista. Samoin jäisten kuuiden kivirikkaiden syvyyksien tulisi sisältää kohtuullinen määrä uraania, toriumia ja kaliumia – radioaktiivisia varastoja, jotka voivat keittää ympäristöään satoja miljoonia, ellei miljardeja vuosia ennen kuin ne hajoavat pysyviksi alkuaineiksi ja lakkaavat luovuttamasta lämpöä. .

Suuremmat kuut ovat alkaneet runsaammista radioaktiivisen aineen kätköistä. Ja ehkä se on kaikki heidän valtamerensä vaativat. "Suuremmille kuiille, kuten Ganymede, Callisto ja Titan, ne ovat tavallaan väistämättömiä tämän radiogeenisen tekijän vuoksi", Vance sanoi. Jotkut tutkijat jopa väittävät, että Pluto on maanalainen valtameri. Kuten kolme kuuta, tämä kääpiöplaneetta on todennäköisesti eristetty riittävän paksulla kuorella, joka hidastaa sen radioaktiivisen uunin vuotamista avaruuteen.

Silti Lilliputian kuiiden, kuten Enceladus, suhteellisen pienet sydämet eivät sisällä tarpeeksi radioaktiivista ainetta pitääkseen ne paahteisina miljardeja vuosia. Yksi epätyydyttävä ratkaisu tähän hämmennykseen on se, että ehkä Enceladuksella vain kävi tuuri: radioaktiivisuus voisi selittää varhaisen osan sen valtamerestä ja sen tanssiminen Dionen kanssa uudemman jakson. Ehkä "olemme nyt risteyspisteessä, jossa radiogeeninen [lämpö] laskee niin alhaiseksi, että vuorovesilämpö ottaa vallan", Postberg sanoi.

Jos näin on, ehkä Enceladus on maailmankaikkeuden mikrokosmos: vuoroveden kuumenemisen ja radioaktiivisuuden hurja yhdistelmä. Tämä tarkoittaisi, että valtamerten kuita voisi olla kaikkialla - tai päinvastoin, melkein missään.

Nuoret valtameret

Vaihtoehtoisesti ja kiistanalaisesti jotkut tutkijat väittävät, että Enceladus voisi olla huomattavan nuori.

Cassini-avaruusaluksen keräämien tietojen joukossa piileminen antaa vihjeitä siitä, että Saturnus ei syntynyt ikonisten renkaidensa kanssa. Sen sijaan monet tutkijat ovat nyt vakuuttuneita siitä renkaat muodostuivat vain muutama sata miljoonaa vuotta sitten. Uusi tutkimus, jossa supertietokoneita simuloi kuu-kuun välistä väkivaltaa, viittaa siihen, että Saturnuksen renkaat muodostuivat kahden muinaisen kuun törmäyksessä noin aikoihin, jolloin stegosaurust vaelsivat maan päällä. Tämä räjähdys täytti Saturnuksen kiertoradalla legioona jäisiä sirpaleita; kun monet muodostivat renkaita, toiset mursivat olemassa olevia kuita ja luonut uusia. Ja jos renkaat ovat nuoria, Enceladus ja kourallinen muita kuita voivat myös olla nuoria.

"Tuntuu, että ihmiset ovat yhä avoimempia ajatellen, että kuut ovat nuoria", sanoi Jacob Kegerreis, tutkija NASAn Ames Research Centerissä Mountain View'ssa, Kaliforniassa, ja äskettäisen renkaan muodostustutkimuksen toinen kirjoittaja.

Tätä ajatusta tukevassa käänteessä käy ilmi, että tiedemiehet eivät tiedä kuinka vanhoja jotkut Saturnuksen kuuista ovat. "Enceladus voi olla vain muutama sata miljoonaa tai kymmeniä miljoonia vuosia vanha", Rothery sanoi. Jos näin on, sen kiihkeän syntymän aiheuttama lämpö saattaa edelleen pitää sen nuoren valtameren nesteenä.

Mutta nuorten kuuiden tarina ei ole läheskään varma – monilla näytteillä olevien kraatterien pelkkä määrä viittaa siihen, että kuut ovat olleet ympärillä kokemassa aurinkokunnan flipperin kaltaista pandemoniaa useiden eonien ajan. "Luulen, että Saturnuksen järjestelmässä tapahtui jotain outoa muutama sata miljoonaa vuotta sitten", Nimmo sanoi. "Mutta veikkaan, että kaikki satelliitit ovat 4.5 miljardia vuotta vanhoja."

Satelliittien ennustajat

Kun Galileo- ja Cassini-tehtävät ovat kuolleet, tutkijat asettavat nyt toiveensa kahteen avaruusalukseen: Euroopan avaruusjärjestön Jupiter Icy Moons Exploreriin, joka laukaistiin äskettäin, ja NASAn Europa Clipperiin, joka ei ole. Molemmat saapuvat Jupiteriin seuraavan vuosikymmenen alussa.

Ja se tuo meidät takaisin Eurooppaan, kuuhun, joka ensin pakotti kuvittelemaan uudelleen sen kosmisen kontekstin, jossa Maan meret ovat olemassa.

Yksi tavoitteista Clipper-avaruusalukselle – jonka on määrä lentää lokakuussa 2024 – on (sanoin tehtävän tavoitelista) ”vahvistaakseen”, että Europan valtameri on olemassa. "Siitä kiisteltiin paljon tästä sanasta", Nimmo sanoi. Clipper voisi löytää jotain muuta kuin valtameren; sen sijaan voi olla jäätynyt meri, joka on täynnä sulamisvesitaskuja. Tai "se voi olla ohut kultakerros", Nimmo vitsaili. "Luulen, että on 99% varma, että siellä on valtameri."

Olettaen, että Clipper vahvistaa Europan valtameren olemassaolon, se alkaa luonnehtia kuuta ja sen alaista merta. Tätä varten avaruusalus alkaa selvittää, mitkä molekyylit ovat kuun pinnalla - ja, jos tiedemiehet ovat onnekkaita, alla olevassa valtameressä. Kun Clipper lentää kuun ohi, se imee mikroskooppisen pölyn, jään tai vesihöyryn, joka leviää kuun pinnalta. Sen tutkii niitä hiukkasia pintapölyanalysaattori instrumentti: Kun rakeet osuvat sen metallilevyyn, ne höyrystyvät ja varautuvat sähköisesti, jolloin instrumentti voi paljastaa rakeen kemiallisen identiteetin.

Toivotaan, että täplät puhaltavat Euroopan valtamerta varovasti avaruuteen, mikä helpottaisi Clipperin etsintöä huomattavasti. Tällaisia ​​juoksuputkia voi olla, mutta ne eivät ole Enceladuksen kaltaisia; ne voivat olla ajoittaisia ​​ja maantieteellisesti satunnaisia. Tai niitä ei ehkä ole ollenkaan – siinä tapauksessa on toivottavaa, että mikrometeoriittien törmäykset saattavat halkeilla jäistä kuorta, vapauttaa keittoja valtamerestä ja suihkuttaa sitä kohti Clipperiä.

Ja saattaa käydä niin, että kun on kyse lämpimänä pysymisestä, Europa ja muut kuut luottavat kemiallisiin temppuihin, jotka eivät ole niin vieraita kuin voisimme odottaa. Talvella "suolaamme teitä sulamislämpötilan alentamiseksi", Sori sanoi. Ehkä Europan valtameri on erityisen suolainen, mikä alentaisi jäätymispistettä. Muut yhdisteet olisivat kuitenkin tehokkaampia jäätymisenestoaineita - "erityisesti ammoniakki", Sori sanoi, joka on runsaampi kauempana auringon höyrystävästä häikäisystä.

Vuorovesi, radioaktiivisuus, kemia ja nuoriso: Kun nämä ainesosat sekoitetaan oikein, ne voivat tuottaa – ja ylläpitää – valtameriä näillä jäisillä kuiilla. "Kaikkien näiden asioiden kanssa en usko, että se on joko/tai", Howett sanoi. Jokaisen satelliitin erityinen resepti voi olla erilainen. Voi olla satoja tapoja tehdä valtameren täyttämä jäinen kuu.

Europan salaisen valtameren löytö "todella muutti ihmisten tapaa ajatella kuuista", Kivelson sanoi. Ja se sai tieteen tielle määrittääkseen, voisivatko vieraat elämänmuodot asuttaa näitä vieraita meriä ja kenties saada aikaan löydön, joka muuttaa ikuisesti käsityksemme paikkastamme universumissa.

Quanta tekee sarjan kyselyjä palvellakseen paremmin yleisöämme. Ota meidän fysiikan lukijakysely ja pääset mukaan voittamaan ilmaiseksi Quanta kauppatavaraa.