Jeges óceánok léteznek a távoli holdakon. Miért nem fagyott szilárd? | Quanta Magazin

Az emberiség létezésének nagy részében a Föld volt az egyetlen ismert, óceánnal borított világ, látszólag minden más kozmikus szigettől eltérően.

1979-ben azonban a NASA két Voyager űrszondája elrepült a Jupiter mellett. Az Europa holdját, egy fagyott birodalmat, barázdák és törések díszítették – ez arra utal, hogy valami dinamikus lehet a felszíne alatt.

"A Voyager után az emberek azt gyanították, hogy az Európa furcsa, és lehet, hogy van benne óceán." Francis Nimmo, a Santa Cruz-i Kaliforniai Egyetem bolygókutatója.

Aztán 1996-ban a NASA Galileo űrszondája elhaladt Európa mellett, és belülről érkező furcsa mágneses teret észlelt. „Nem értettük, mi az” – mondta Margaret Kivelson, a Los Angeles-i Kaliforniai Egyetem űrfizikusa, aki az űrszonda magnetométeréért volt felelős. Végül ő és csapata rájöttek, hogy egy elektromosan vezető folyadék – valami a Hold belsejében – görcsbe rándul a Jupiter hatalmas mágneses terére reagálva. „Az egyetlen dolognak volt értelme – mondta Kivelson –, ha egy folyékony olvadékhéj volt a jég felszíne alatt.

2004-ben a NASA Cassini űrszondája megérkezett a Szaturnuszhoz. Amikor megfigyelte a Szaturnusz kis holdját, az Enceladust, koruskálódni kezdett jeges tollak hatalmas szakadékokból tör ki a Hold déli sarkán. És amikor a Cassini átrepült ezeken a kifolyókon, a bizonyítékok félreérthetetlenek voltak – ez egy sós óceán volt, amely erőteljesen vérzett az űrbe.

A Föld óceánjai ma már nem egyedülállóak. Csak furcsák. Bolygónk napsütötte felszínén léteznek, míg a külső Naprendszer tengerei jég alatt bújnak meg és sötétségben fürdőznek. És úgy tűnik, hogy ezek a földalatti folyékony óceánok naprendszerünkben a szabály, nem pedig a kivétel. Az Európa és az Enceladus mellett szinte biztosan léteznek jéggel borított óceánokkal rendelkező holdak is. Egy űrhajóflotta részletesen feltárja őket a következő évtizedben.

Mindez egy látszólagos paradoxont ​​vet fel. Ezek a holdak évmilliárdok óta léteznek naprendszerünk fagyos vidékein – elég hosszú ideig ahhoz, hogy a keletkezésükből származó maradékhő eonokkal ezelőtt az űrbe távozzon. Minden felszín alatti tengernek mostanra szilárd jégnek kell lennie. Tehát hogyan lehetnek ezeknek a holdaknak, amelyek olyan messze keringenek a nap melegén túl, még ma is óceánjaik?

Egyre több bizonyíték utal arra, hogy a folyékony vizű óceánok több milliárd éven keresztüli fenntartásának többféle módja is lehet. Ezeknek a recepteknek a dekódolása felgyorsíthatja azon törekvésünket, hogy meghatározzuk, mennyire könnyű vagy zavaró az élet megjelenése a kozmoszban. Frissen elemzett régi űrhajók adatai, valamint a NASA legutóbbi megfigyelései Juno űrhajó és a James Webb Űrtávcső, egyre több bizonyítékot adnak arra vonatkozóan, hogy ezek a meleg óceánok a biológia számára előnyös kémiát tartalmaznak, és hogy nem a belső Naprendszer az egyetlen hely, ahol az élet otthont adhat.

Ezek az óceáni holdak nagyobb lehetőséget is kínálnak. A mérsékelt égövi, potenciálisan élhető óceánok elkerülhetetlen következményei lehetnek a bolygókeletkezésnek. Lehet, hogy nem számít, milyen messze vannak egy bolygó és holdjai csillaguk nukleáris máglyájától. És ha ez igaz, akkor szinte határtalan azon tájak száma, amelyeket felfedezhetünk a Földön túli élet után.

„Az óceánok a jeges holdak alatt furcsának és valószínűtlennek tűnnek” – mondta Steven Vance, a NASA Jet Propulsion Laboratory asztrobiológusa és geofizikusa.

És mégis, dacosan, ezek az idegen tengerek folyékonyak maradnak.

Tükörbe burkolt óceán

A tudósok azt gyanítják, hogy a Jupiter és a Szaturnusz körül keringő holdak maroknyi – és talán még néhány az Uránusz és a Neptunusz körül is – óceánok kikötője. Az erős Ganymedes és a krátersebes Callisto gyenge, Európa-szerű mágneses jeleket bocsát ki. A Szaturnusz homályával borított Titánjának is nagyon valószínű, hogy folyékony-vizes felszín alatti óceánja van. „Ez az az öt, amiben a közösség legtöbb tudósa meglehetősen magabiztosnak érzi magát” – mondta Mike Sori, a Purdue Egyetem bolygókutatója.

Eddig az egyetlen abszolút óceáni bizonyosság az Enceladus. „Ez egy tökmindegy” – mondta Carly Howett, az Oxfordi Egyetem bolygókutatója.

Az 1980-as években egyes tudósok azt gyanították, hogy az Enceladusnak tollazata van; A Szaturnusz E-gyűrűje annyira tiszta és fényes volt, hogy valaminek – talán az egyik holdjáról – biztosan szivárog az űrbe, és folyamatosan frissíti azt. Miután Cassini végre szemtanúja volt ennek a bolygódíszítő varázslatnak, a tudósok rövid időre megkérdőjelezték, hogy a hold déli sarki csóvái vajon a napfény hatására párologtatják el a jeget a holdhéjban – kicsit olyan, mint a szárazjég, amely felforrósodik melegítéskor, esetleg napfény hatására.

„Egy ideig ez a vita folyt arról, hogy kell-e egyáltalán óceán” – mondta Nimmo. „Ami igazán kiélezett, az az volt, amikor [Cassini] átrepült a csóván, és sót találtak – nátrium-kloridot. Ez egy óceán.” Még mindig fennállt annak esélye, hogy ezek a csóvák egy kisebb, elszigeteltebb tengerből törnek ki. A Cassini további megfigyelései azonban felfedték, hogy az Enceladus héja olyan hevesen ringatózik ide-oda, hogy azt egy globális óceánnak kell elválasztania a Hold mélyebb belsejétől.

A csóvák hidrogént és kvarcot is kiszívnak, ami a mélytengeri hidrotermális szellőző tevékenység jelei. Frank Postberg, a Berlini Szabadegyetem bolygókutatója. A Földön az ilyen szellőzőnyílások termelik a hőt és a kémiát, amely a napfény által elérhetetlen ökoszisztémák energiaellátásához szükséges – olyan organizmusközösségek, amelyekről a tudósok egykor azt hitték, hogy nem létezhetnek fotoszintetikusan függő világunkban.

De mi tud elég erős szellőzőrendszert táplálni ahhoz, hogy egy egész óceánt felmelegítsen? Egy másik hold – ez a tüzes fajta – megadná ezeket a nyomokat.

Az örök, pokoli árapály

A tudósok 1979 júniusában, egy hónappal azelőtt, hogy a Voyager 2 közeli Európa mellett elrepült volna bejelentés hogy a Voyager 1 titáni, esernyő alakú csóvákat pillantott meg az Io felett az űrbe – több vulkán kitörő ujjlenyomatait.

Ennek a megfigyelésnek megdöbbentőnek kellett lennie: a vulkanizmushoz belső hőforrásra van szükség, és az Io-nak, mint a többi jeges holdnak, nem kellett volna másnak lennie, mint parázsnak. De néhány hónappal korábban egy független tudóscsoport helyesen tette jósolt hogy Io egy hiperaktív vulkáni világ lehet.

Előrejelzésüket arra alapozták orbitális tánc a Jupiter legnagyobb holdjai közül. Az Io által megtett négy pályán Európa kettőt, Ganymedes pedig egyet tesz. Ez a rezonanciaként ismert pályakonfiguráció arra készteti az Io-t, hogy ide-oda billegjen, ami elliptikussá teszi a pályáját. Amikor az Io közelebb van a Jupiterhez, a bolygó gravitációja intenzívebben rántja. Ha távolabb van, a Jupiter vontatása gyengébb. Ez a véget nem érő gravitációs kötélhúzás teszi Io sziklás felszínét mozogni fel és le 100 méterrel, egy 30 emeletes épület magasságával. Ezek olyan árapályok, mint a Földé – csak szilárd kőzetben, nem vízben.

Ezek az árapályok súrlódást okoznak a Holdon belül, ami hőt termel. És ez az árapály-melegedés elég erős ahhoz, hogy megolvasztja az Io belsejében lévő sziklát. "Io-nak nincs vízóceánja, de valószínűleg van magma-óceánja" - mondta Nimmo. (A Galileo ott is felvette a másodlagos mágneses teret, amelyet a olvadt kőzet globális földalatti tározója.)

Europa is tapasztal némi árapály-melegedést. De az, hogy ezek az árapályok mennyire melegítenek fel egy óceánt, attól függ, hogy a Holdon belül hol fordulnak elő; más szóval, elegendő hőnek kell eljutnia az óceánba ahhoz, hogy folyékony maradjon. "Az árapály-melegedés történhet magában a jéghéjban, vagy az alatta lévő sziklás magban" - mondta Nimmo. A tudósok nem tudják, melyik a helyes – így nem tudják biztosan megmondani, hogy az árapály-melegedés mennyiben járul hozzá az Európa folyékony belsejéhez.

Az Enceladust is megfeszíti és szorítja a gravitációs tangója a szomszédos Dione holddal. Elméletileg ez olyan árapályokat eredményezhet, amelyek felmelegítik a Hold belsejét. De a Dionnal való rezonanciája által keltett árapály, legalábbis papíron, nem tűnik elegendőnek ahhoz, hogy megmagyarázza az óceánt. A számok még nem működnek, mondta Sori, és a megtermelt hőmennyiség nem elegendő a globális óceán fenntartásához a Naprendszer születése óta eltelt évmilliárdokon keresztül. Talán, akárcsak az Európánál, a tudósok nem egészen tudják, hol termelnek hőt az árapályok az Enceladuson belül.

Egy másik zavaró tényező, hogy a pályák nincsenek csillagászati ​​időben rögzítve. Ahogy a bolygórendszerek fejlődnek, a holdak vándorolnak, és „az árapály fűtése be- és kikapcsolhat, ahogy a dolgok be- és kifelé sodródnak a különböző rezonanciákból” – mondta. David Rothery, az Egyesült Királyság Nyílt Egyetemének bolygókutatója. A tudósok azt gyanítják, hogy ez Mirandával és Ariellel történt, két uráni műholddal, akik egykori táncpartnerek lehetnek; ezek a holdak úgy néznek ki, mintha egykor geológiailag aktívak lettek volna, de most azok vitathatóan fagyasztva magjukhoz.

Hasonlóképpen, az Enceladusnak nem mindig volt Dione táncpartnere: talán a Szaturnusz körül keringő boogie-juk nemrég indult el, és egy korábban szilárd holdat melegített. De ezt a forgatókönyvet is nehéz megmagyarázni. „Könnyebb egy óceánt körül tartani és karbantartani, mint lefagyasztani és újraolvasztani” – mondta Sori. Így, ha az árapály fűtése kizárólag az Enceladus óceánáért felelős, akkor a Hold egy veterán táncos, aki több milliárd éve ugrál.

Egyelőre az egyetlen bizonyosság a Hold óceánjáról, hogy létezik. Az, hogy hogyan jött létre, és hogyan van még ma is, „az egyik igazán nagy megválaszolatlan kérdés” – mondta Sori. – Enceladust nehéz kitalálni.

Radioaktív renegátok 

Szerencsére a meleg holdas belső terek nem kizárólag az árapálytól függenek.

A Föld belső hőjének fele a születésétől származik. A többi a bomló radioaktív elemekből származik. Hasonlóképpen, a jeges holdak kőzetekben gazdag mélységeinek megfelelő mennyiségű uránt, tóriumot és káliumot kell tartalmazniuk – olyan radioaktív raktárakat, amelyek több száz millió, ha nem milliárd évig képesek felforralni környezetüket, mielőtt stabil elemekké bomlanak, és abbahagyják a hőkibocsátást. .

A nagyobb holdak bőségesebb radioaktív anyag-tárolókkal indultak volna. És talán csak ennyit kívánnak az óceánjaik. „Az olyan nagyobb holdak esetében, mint a Ganymedes, Callisto és a Titan, elkerülhetetlenek a radiogén tényező miatt” – mondta Vance. Egyes tudósok még azt is állítják, hogy a Plútó felszín alatti óceánja van. A három holdhoz hasonlóan ezt a törpebolygót is valószínűleg kellően vastag kéreg szigeteli el, ami lelassítja radioaktív kemencéjének kiszivárgását az űrbe.

A liliputi holdak, például az Enceladus viszonylag kicsi szívei azonban nem tartalmaznak elég radioaktív anyagot ahhoz, hogy évmilliárdokon át pirítósan megmaradjanak. Az egyik nem kielégítő megoldás erre a rejtélyre az, hogy Enceladusnak talán csak szerencséje volt: a radioaktivitás megmagyarázhatja óceáni múltjának korai részét, a Dione-val való tánc pedig egy újabb epizódot. Talán „most a keresztezés pontján tartunk, ahol a radiogén [fűtés] annyira lecsökken, hogy az árapály-fűtés átveszi az irányítást” – mondta Postberg.

Ha igen, akkor talán az Enceladus a világegyetem mikrokozmosza: az árapály-melegedés és a radioaktivitás serény kombinációja. Ez azt jelentené, hogy óceáni holdak mindenhol létezhetnének – vagy fordítva, szinte sehol.

Fiatalos óceánok

Alternatív megoldásként, és ellentmondásosan, egyes tudósok azzal érvelnek, hogy Enceladus feltűnően fiatal lehet.

A Cassini űrszonda által gyűjtött adathalmazok rejtőzködve arra utalnak, hogy a Szaturnusz nem ikonikus gyűrűivel született. Ehelyett ma már sok tudós meg van győződve arról kialakultak a gyűrűk alig néhány százmillió évvel ezelőtt. Az új kutatások, amelyek szuperszámítógépekkel szimulálják a Hold-hold közötti erőszakot, azt sugallják, hogy a Szaturnusz gyűrűi két ősi hold összeütközésekor alakultak ki, körülbelül akkor, amikor a sztegosauruszok a Földön barangoltak. Ez az összecsapás teleszórta a Szaturnusz pályáját jeges szilánkok légióival; míg sokan gyűrűket alkottak, mások már meglévő holdakat bontottak fel és újakat hozott létre. És ha a gyűrűk fiatalok, az Enceladus és néhány másik hold is fiatal lehet.

„Úgy tűnik, hogy az emberek egyre nyitottabbak arra, hogy a holdak még fiatalok” – mondta Jacob Kegerreis, a NASA Mountain View-i (Kaliforniai) Ames Kutatóközpontjának kutatója és a közelmúltban végzett gyűrűképződési tanulmány társszerzője.

Egy csavar, amely alátámasztja ezt az elképzelést, kiderül, hogy a tudósok nem tudják, hány évesek a Szaturnusz egyes holdjai. „Az Enceladus csak néhány százmillió vagy több tízmillió éves lehet” – mondta Rothery. Ha igen, akkor az őrült születéséből származó hő még mindig folyékonyan tartja fiatal óceánját.

A fiatal holdak története azonban korántsem biztos – a sok helyen látható kráterek puszta száma azt sugallja, hogy a holdak már hosszú eonok óta megtapasztalták a Naprendszer flipperszerű lázadását. „Azt hiszem, a Szaturnusz-rendszerben valami bizarr történt néhány százmillió évvel ezelőtt” – mondta Nimmo. "De úgy gondolom, hogy az összes műhold 4.5 milliárd éves."

Műholdas jósok

Mivel a Galileo és a Cassini küldetések már régen elhaltak, a tudósok most két űrrepülőgépbe vetik reményeiket: az Európai Űrügynökség nemrégiben indult Jupiter Icy Moons Explorer nevű eszközére és a NASA Europa Clipperére, amely nem. Mindkettő a következő évtized elején érkezik meg a Jupiterbe.

És ez visszavezet minket Európához, a Holdhoz, amely először arra kényszerítette a kozmikus kontextus újragondolását, amelyben a Föld tengerei léteznek.

A 2024 októberében repülni készülő Clipper űrszonda egyik célja (a a küldetés célkitűzéseinek listája) „megerősíteni”, hogy Európa óceánja létezik. „Sok vita volt ezzel a szóval kapcsolatban” – mondta Nimmo. Clipper találhatott mást is, mint egy óceánt; ehelyett fagyott tenger lehet, tele olvadékvízzel. Vagy „lehet egy vékony aranyréteg” – viccelődött Nimmo. – Szerintem 99%-ban biztos, hogy van ott egy óceán.

Feltéve, hogy a Clipper megerősíti az Európa-óceán létezését, elkezdi a Hold és felszín alatti tengerének jellemzését. Ehhez az űrszonda azzal kezdi, hogy kitalálja, mely molekulák találhatók a Hold felszínén – és ha a tudósoknak szerencséje van, az alatta lévő óceánban. Ahogy elrepül a Hold mellett, a Clipper lenyel minden mikroszkopikus port, jeget vagy vízgőzt, amely a Hold felszínéről leszáll. Azokat a részecskéket fogja tanulmányozni felületi porelemző műszer: Amikor a szemcsék hozzáütődnek a fémlemezéhez, elpárolognak és elektromosan feltöltődnek, lehetővé téve a műszer számára, hogy felfedje a szemcse kémiai azonosságát.

A remény az, hogy a csóvák finoman kiszellőztetik Európa óceánját az űrbe, ami jelentősen megkönnyítené Clipper küldetését. Lehetnek ilyen kifolyók, de nem lesznek olyanok, mint az Enceladusé; lehetnek időszakosak és földrajzilag szórványosak. Vagy lehet, hogy egyáltalán nincsenek jelen – ebben az esetben az a remény, hogy a mikrometeorit becsapódások letörhetik a jeges kagylót, felszabadítva az óceán leveseit, és a Clipper felé permetezhetik.

És kiderülhet, hogy amikor a melegben maradásról van szó, az Európa és a többi hold olyan kémiai trükkökre támaszkodik, amelyek nem olyan idegenek, mint azt várnánk. Télen „sózzuk az utakat, hogy csökkentsük az olvadási hőmérsékletet” – mondta Sori. Talán az Európa-óceán különösen sós, ami csökkentené a fagypontot. Más vegyületek azonban hatásosabbak lennének a fagyálló szerek – „különösen az ammónia” – mondta Sori, amely nagyobb mennyiségben van jelen a nap párolgó csillogásától távolabb.

Árapály, radioaktivitás, kémia és fiatalság: Ezek az összetevők, ha megfelelő módon keverik össze, óceánokat hozhatnak létre – és tarthatnak fenn – ezeken a jeges holdakon. „Ezekkel a dolgokkal együtt szerintem nem vagy/vagy” – mondta Howett. Az egyes műholdak konkrét receptje eltérő lehet. Több százféle módon lehet óceánnal teli jeges holdat készíteni.

Az Európa titkos óceánjának felfedezése „valóban megváltoztatta azt, ahogyan az emberek gondolnak a holdakra” – mondta Kivelson. És a tudományt arra az irányra állította, hogy meghatározza, vajon idegen életformák népesíthetik-e be ezeket az idegen tengereket, és esetleg egy olyan felfedezést hozhatnak-e létre, amely örökre megváltoztatja a világegyetemben elfoglalt helyünkről alkotott elképzelésünket.

Quanta felméréssorozatot végez közönségünk jobb kiszolgálása érdekében. Vidd a miénket fizika olvasói felmérés és ingyenesen nyerhetsz Quanta áru.