Lautan Es Ada di Bulan Jauh. Mengapa Mereka Tidak Membeku? | Majalah Kuanta

Selama sebagian besar keberadaan umat manusia, Bumi adalah satu-satunya dunia yang terbungkus lautan, tidak seperti pulau kosmik lainnya.

Namun pada tahun 1979, dua pesawat ruang angkasa Voyager milik NASA terbang melewati Jupiter. Bulannya Europa, sebuah alam beku, dihiasi dengan alur dan retakan – mengisyaratkan bahwa mungkin ada sesuatu yang dinamis di bawah permukaannya.

“Setelah Voyager, orang-orang curiga Europa itu aneh dan mungkin punya lautan,” katanya Fransiskus Nimmo, seorang ilmuwan planet di Universitas California, Santa Cruz.

Kemudian, pada tahun 1996, pesawat ruang angkasa Galileo milik NASA melewati Europa dan mendeteksi medan magnet aneh yang datang dari dalam. “Kami tidak mengerti apa itu,” kata Margaret Kivelson, seorang fisikawan luar angkasa di Universitas California, Los Angeles yang bertanggung jawab atas magnetometer pesawat ruang angkasa. Akhirnya, dia dan timnya menyadari bahwa cairan penghantar listrik – sesuatu di dalam bulan – bergetar sebagai respons terhadap medan magnet Jupiter yang sangat besar. “Satu-satunya hal yang masuk akal,” kata Kivelson, “adalah jika ada cangkang cair yang mencair di bawah permukaan es.”

Pada tahun 2004, pesawat luar angkasa Cassini milik NASA tiba di Saturnus. Ketika mengamati bulan kecil Saturnus, Enceladus, ia menemukan adanya coruscating gumpalan es meletus dari jurang luas di kutub selatan bulan. Dan ketika Cassini terbang melalui semburan ini, buktinya tidak salah lagi - ini adalah lautan asin yang mengalir deras ke luar angkasa.

Kini lautan di bumi tidak lagi unik. Itu aneh sekali. Mereka ada di permukaan planet kita yang diterangi matahari, sementara lautan di bagian luar tata surya terselip di bawah es dan bermandikan kegelapan. Dan lautan cair bawah tanah ini tampaknya menjadi aturan tata surya kita, tidak terkecuali. Selain Europa dan Enceladus, bulan-bulan lain yang lautannya tertutup es hampir pasti juga ada. Armada pesawat ruang angkasa akan menjelajahinya secara mendetail selama dekade berikutnya.

Semua ini menimbulkan paradoks yang nyata. Bulan-bulan ini telah berada di wilayah beku tata surya kita selama miliaran tahun – cukup lama hingga sisa panas dari ciptaan mereka bisa lepas ke luar angkasa ribuan tahun yang lalu. Lautan di bawah permukaan mana pun seharusnya sudah menjadi es padat saat ini. Jadi bagaimana bulan-bulan ini, yang mengorbit jauh melampaui kehangatan matahari, masih memiliki lautan hingga saat ini?

Semakin banyak bukti yang menunjukkan bahwa mungkin ada berbagai cara untuk mempertahankan lautan air cair selama miliaran tahun. Menguraikan resep-resep tersebut dapat mempercepat pencarian kita untuk menentukan seberapa mudah, atau sulitnya, kehidupan muncul di seluruh kosmos. Baru dianalisis data dari pesawat ruang angkasa tua, ditambah pengamatan terbaru oleh NASA Pesawat luar angkasa Juno dan James Webb Space Telescope, semakin menambah bukti bahwa lautan hangat ini mengandung bahan kimia yang bermanfaat bagi biologi, dan bahwa bagian dalam tata surya bukanlah satu-satunya tempat yang berpotensi menjadi rumah bagi kehidupan.

Bulan-bulan samudera ini juga menawarkan kemungkinan yang lebih besar. Lautan yang beriklim sedang dan berpotensi layak huni bisa menjadi konsekuensi tak terelakkan dari pembentukan planet. Tidak peduli seberapa jauh jarak planet dan bulan-bulannya dari api unggun nuklir bintangnya. Dan jika hal tersebut benar, maka jumlah bentang alam yang dapat kita jelajahi dalam pencarian kehidupan di luar Bumi hampir tidak terbatas.

“Lautan di bawah bulan-bulan es tampak aneh dan mustahil,” katanya Steven Vance, seorang ahli astrobiologi dan geofisika di Jet Propulsion Laboratory NASA.

Namun, yang mengejutkan, lautan asing ini tetap cair.

Lautan yang Terbungkus Cermin

Para ilmuwan menduga bahwa beberapa bulan yang mengorbit Jupiter dan Saturnus – dan mungkin bahkan beberapa bulan yang mengorbit Uranus dan Neptunus – memiliki lautan. Ganymede yang besar dan kuat dan Callisto yang memiliki bekas kawah menghasilkan sinyal magnetis lemah seperti Europa. Titan yang tertutup kabut di Saturnus juga kemungkinan besar memiliki lautan air cair di bawah permukaannya. Ini “adalah lima hal yang diyakini oleh sebagian besar ilmuwan di komunitas,” katanya Mike Sori, seorang ilmuwan planet di Universitas Purdue.

Sejauh ini, satu-satunya kepastian samudera yang mutlak adalah Enceladus. “Itu tidak perlu dipikirkan lagi,” kata Carly Howett, seorang ilmuwan planet di Universitas Oxford.

Pada tahun 1980an, beberapa ilmuwan menduga Enceladus mempunyai bulu-bulu; Cincin E Saturnus begitu bersih dan berkilau sehingga ada sesuatu – mungkin dari salah satu bulannya – yang bocor ke luar angkasa dan terus-menerus menyegarkannya. Setelah Cassini akhirnya menyaksikan aksi keajaiban penghias planet ini, para ilmuwan secara singkat mempertanyakan apakah bulu-bulu kutub selatan bulan mungkin disebabkan oleh sinar matahari yang menguapkan es di cangkang bulan – mirip seperti es kering yang mendidih ketika dipanaskan, mungkin oleh sinar matahari.

“Untuk sementara waktu, ada perdebatan mengenai apakah perlu ada lautan atau tidak,” kata Nimmo. “Yang benar-benar menarik adalah ketika [Cassini] terbang melewati gumpalan asap dan mereka menemukan garam – natrium klorida. Itu adalah lautan.” Masih ada kemungkinan semburan ini terjadi dari laut yang lebih kecil dan lebih terisolasi. Namun pengamatan lebih lanjut Cassini mengungkapkan bahwa cangkang Enceladus bergoyang maju mundur dengan sangat tajam sehingga harus dipisahkan dari bagian dalam bulan yang lebih dalam oleh lautan global.

Gumpalan tersebut juga mengeluarkan hidrogen dan kuarsa, yang merupakan tanda-tanda aktivitas ventilasi hidrotermal laut dalam Frank Postberg, seorang ilmuwan planet di Free University of Berlin. Di Bumi, ventilasi semacam itu menghasilkan panas dan bahan kimia yang dibutuhkan untuk memberi energi pada ekosistem yang berada di luar jangkauan sinar matahari – komunitas organisme yang dulunya dianggap oleh para ilmuwan tidak mungkin ada di dunia yang bergantung pada fotosintesis.

Tapi apa yang bisa memberi daya pada sistem ventilasi yang cukup kuat untuk memanaskan seluruh lautan? Bulan lain – bulan yang berapi-api – akan memberikan petunjuk tersebut.

Gelombang Neraka yang Abadi

Pada bulan Juni 1979, sebulan sebelum Voyager 2 terbang melintasi Europa, para ilmuwan mengumumkan bahwa Voyager 1 telah melihat sekilas gumpalan raksasa berbentuk payung yang mengepul ke angkasa di atas Io – jejak letusan beberapa gunung berapi.

Pengamatan ini seharusnya membingungkan: Vulkanisme membutuhkan sumber panas internal, dan Io, seperti bulan-bulan es lainnya, seharusnya tidak lebih dari bara api. Namun beberapa bulan sebelumnya, tim ilmuwan independen telah berhasil melakukan hal tersebut diprediksi bahwa Io mungkin adalah dunia vulkanik yang hiperaktif.

Mereka mendasarkan prediksi mereka pada tarian orbital bulan-bulan terbesar Jupiter. Untuk setiap empat orbit yang diselesaikan Io, Europa menghasilkan dua orbit dan Ganymede menghasilkan satu orbit. Konfigurasi orbital ini, yang dikenal sebagai resonansi, menyebabkan Io bergoyang maju mundur, sehingga orbitnya berbentuk elips. Ketika Io lebih dekat ke Yupiter, gravitasi planet akan menariknya lebih kuat. Semakin jauh jaraknya, tarikan Jupiter semakin lemah. Tarik-menarik gravitasi yang tiada akhir membuat permukaan Io berbatu bergerak ke atas dan ke bawah kali 100 meter, sama tingginya dengan bangunan 30 lantai. Ini adalah pasang surut, seperti yang terjadi di Bumi — hanya terjadi pada batuan padat, bukan air.

Pasang surut tersebut menciptakan gesekan di dalam bulan yang menghasilkan panas. Dan pemanasan pasang surut tersebut cukup kuat untuk melelehkan batuan jauh di dalam Io. “Io tidak memiliki lautan air, tapi kemungkinan besar ia memiliki lautan magma,” kata Nimmo. (Galileo menangkap medan magnet sekunder di sana juga, yang dihasilkan oleh a reservoir batuan cair bawah tanah global.)

Europa juga mengalami pemanasan pasang surut. Namun seberapa besar gelombang pasang tersebut menghangatkan lautan bergantung pada lokasi terjadinya di bulan; dengan kata lain, jumlah panas yang dibutuhkan untuk sampai ke laut cukup agar tetap cair. “Pemanasan pasang surut bisa terjadi di lapisan es itu sendiri, atau bisa juga terjadi di inti batuan di bawahnya,” kata Nimmo. Para ilmuwan tidak tahu mana yang benar sehingga mereka tidak bisa mengatakan dengan pasti seberapa besar kontribusi pemanasan pasang surut terhadap interior cair Europa.

Enceladus juga tertarik dan terjepit oleh tango gravitasinya dengan bulan tetangganya yang disebut Dione. Secara teori, hal ini dapat menghasilkan gelombang pasang yang menghangatkan bagian dalam bulan. Namun gelombang pasang yang diciptakan oleh resonansinya dengan Dione, setidaknya di atas kertas, tampaknya tidak cukup untuk menjelaskan lautannya. Jumlah tersebut belum bisa dipastikan, kata Sori, dan jumlah panas yang dihasilkan tidak cukup untuk menjaga lautan global selama miliaran tahun sejak lahirnya tata surya. Mungkin, seperti halnya Europa, para ilmuwan tidak begitu tahu di mana pasang surut air laut menciptakan panas di Enceladus.

Faktor perancu lainnya adalah orbit tidak tetap sepanjang waktu astronomi. Ketika sistem planet berevolusi, bulan-bulan bermigrasi, dan “pemanasan pasang surut dapat hidup dan mati ketika benda-benda masuk dan keluar dari resonansi yang berbeda,” kata David Rothery, seorang ilmuwan planet di Universitas Terbuka di Inggris. Para ilmuwan menduga hal ini terjadi pada Miranda dan Ariel, dua satelit Uranus yang mungkin merupakan mantan pasangan dansa; bulan-bulan ini tampak seolah-olah pernah aktif secara geologis, tetapi sekarang aktif bisa dibilang beku ke inti mereka.

Demikian pula, Enceladus mungkin tidak selalu memiliki Dione sebagai mitra dansanya: Mungkin boogie mereka yang mengelilingi Saturnus dimulai baru-baru ini dan menghangatkan bulan yang sebelumnya padat. Namun skenario itu juga sulit untuk dijelaskan. “Lebih mudah menjaga dan memelihara lautan, daripada membekukan dan mencairkannya kembali,” kata Sori. Jadi, jika pemanasan pasang surut secara eksklusif bertanggung jawab atas lautan Enceladus, maka bulan adalah penari veteran yang telah bergerak selama beberapa miliar tahun.

Untuk saat ini, satu-satunya kepastian tentang lautan di bulan ini adalah keberadaannya. Bagaimana hal ini terjadi, dan bagaimana hal ini masih ada hingga saat ini, “merupakan salah satu pertanyaan besar yang belum terpecahkan,” kata Sori. “Enceladus sulit untuk dipecahkan.”

Pemberontak Radioaktif 

Untungnya, interior bulan yang hangat tidak hanya bergantung pada pasang surut air laut.

Setengah dari panas internal bumi berasal dari kelahirannya. Sisanya berasal dari peluruhan unsur radioaktif. Demikian pula, kedalaman bulan-bulan es yang kaya akan batuan seharusnya mengandung uranium, thorium, dan potasium dalam jumlah yang cukup – simpanan radioaktif yang dapat memasak lingkungannya selama ratusan juta, bahkan miliaran tahun sebelum mereka membusuk menjadi unsur-unsur stabil dan berhenti melepaskan panas. .

Bulan-bulan yang lebih besar akan dimulai dengan simpanan materi radioaktif yang lebih banyak. Dan mungkin hanya itu yang dibutuhkan oleh lautan. “Untuk bulan-bulan yang lebih besar seperti Ganymede, Callisto, dan Titan, hal ini tidak dapat dihindari karena faktor radiogenik ini,” kata Vance. Beberapa ilmuwan bahkan berpendapat bahwa Pluto mempunyai lautan di bawah permukaan. Seperti ketiga bulannya, planet kerdil ini kemungkinan besar terisolasi oleh kerak yang cukup tebal sehingga memperlambat kebocoran tungku radioaktifnya ke luar angkasa.

Namun jantung yang relatif kecil di bulan-bulan Liliput seperti Enceladus tidak mengandung cukup bahan radioaktif untuk membuatnya tetap hangat selama miliaran tahun. Salah satu penyelesaian yang kurang memuaskan atas teka-teki ini adalah mungkin Enceladus hanya beruntung: Radioaktivitas dapat menjelaskan bagian awal dari masa lalu samuderanya, dan hubungannya dengan Dione dapat menjelaskan episode yang lebih baru. Mungkin “kita sekarang berada pada titik persilangan, di mana [pemanasan] radiogenik menjadi sangat rendah sehingga pemanasan pasang surut mengambil alih,” kata Postberg.

Jika ya, mungkin Enceladus adalah mikrokosmos alam semesta: kombinasi pemanasan pasang surut dan radioaktivitas yang tidak disengaja. Artinya, bulan-bulan di samudra bisa ada di mana saja, atau sebaliknya, hampir tidak ada di mana pun.

Lautan Muda

Alternatifnya, dan secara kontroversial, beberapa ilmuwan berpendapat bahwa Enceladus mungkin berusia sangat muda.

Tersembunyi di balik tumpukan data yang dikumpulkan oleh pesawat ruang angkasa Cassini adalah petunjuk bahwa Saturnus tidak dilahirkan dengan cincin ikoniknya. Sebaliknya, banyak ilmuwan kini yakin akan hal itu cincin-cincin itu terbentuk hanya beberapa ratus juta tahun yang lalu. Penelitian baru yang menggunakan superkomputer untuk mensimulasikan kekerasan bulan-ke-bulan menunjukkan bahwa cincin Saturnus terbentuk ketika dua bulan purba bertabrakan pada saat stegosaurus menjelajahi Bumi. Tabrakan ini mengotori orbit Saturnus dengan banyak sekali pecahan es; sementara banyak yang membentuk cincin, ada pula yang menghancurkan bulan-bulan yang sudah ada dan menciptakan yang baru. Dan jika cincinnya masih muda, maka Enceladus dan beberapa bulan lainnya mungkin juga berusia muda.

“Rasanya orang-orang menjadi lebih terbuka mengingat usia bulan masih muda,” katanya Jacob Kegerreis, seorang ilmuwan peneliti di Pusat Penelitian Ames NASA di Mountain View, California, dan salah satu penulis studi pembentukan cincin baru-baru ini.

Yang mendukung gagasan ini, ternyata para ilmuwan tidak mengetahui berapa umur beberapa bulan Saturnus. “Enceladus mungkin baru berumur beberapa ratus juta atau puluhan juta tahun,” kata Rothery. Jika demikian, panas dari kelahirannya yang hiruk pikuk mungkin masih menahan cairan laut mudanya.

Namun kisah mengenai bulan-bulan muda ini masih jauh dari pasti. Banyaknya kawah yang terlihat menunjukkan bahwa bulan-bulan tersebut pernah mengalami kekacauan seperti pinball di tata surya selama ribuan tahun. “Saya pikir sesuatu yang aneh terjadi di sistem Saturnus beberapa ratus juta tahun yang lalu,” kata Nimmo. “Tapi dugaan saya semua satelit itu berumur 4.5 miliar tahun.”

Peramal Satelit

Dengan misi Galileo dan Cassini yang sudah lama mati, para ilmuwan kini menaruh harapan mereka pada dua pesawat ruang angkasa: Jupiter Icy Moons Explorer milik Badan Antariksa Eropa, yang baru saja diluncurkan, dan Europa Clipper milik NASA, yang belum diluncurkan. Keduanya akan tiba di Jupiter pada awal dekade berikutnya.

Dan hal ini membawa kita kembali ke Europa, bulan yang pertama kali memaksa kita untuk memikirkan kembali konteks kosmik keberadaan lautan di Bumi.

Salah satu tujuan pesawat ruang angkasa Clipper — yang akan terbang pada Oktober 2024 — adalah (dalam kata-kata daftar tujuan misi) untuk “mengkonfirmasi” keberadaan lautan di Europa. “Ada banyak perdebatan mengenai kata itu,” kata Nimmo. Clipper bisa menemukan sesuatu selain lautan; mungkin malah ada lautan beku yang dipenuhi kantong-kantong air lelehan. Atau “bisa jadi lapisan emas tipis,” canda Nimmo. “Saya rasa 99% yakin ada lautan di sana.”

Dengan asumsi Clipper mengkonfirmasi keberadaan lautan Europa, Clipper akan mulai mengkarakterisasi bulan dan laut bawah permukaannya. Untuk melakukan hal tersebut, pesawat ruang angkasa akan memulai dengan mencari tahu molekul mana yang ada di permukaan bulan – dan, jika para ilmuwan beruntung, di lautan di bawahnya. Saat terbang di dekat bulan, Clipper akan menelan debu mikroskopis, es, atau uap air yang beterbangan di permukaan bulan. Partikel-partikel itu akan dipelajari olehnya penganalisis debu permukaan instrumen: Saat butiran tersebut mengenai pelat logamnya, butiran tersebut akan menguap dan bermuatan listrik, sehingga instrumen dapat mengungkap identitas kimia dari butiran tersebut.

Harapannya adalah bulu-bulu tersebut akan mengalirkan lautan Europa ke luar angkasa secara perlahan, yang akan membuat pencarian Clipper jauh lebih mudah. Semburan seperti itu mungkin ada, tetapi tidak seperti yang ada di Enceladus; kejadiannya mungkin lebih intermiten dan sporadis secara geografis. Atau mereka mungkin tidak ada sama sekali — dalam hal ini, harapannya adalah dampak mikrometeorit dapat mengikis lapisan es, melepaskan sup di lautan dan menyemprotkannya ke arah Clipper.

Dan ternyata dalam hal menjaga kehangatan, Europa dan bulan-bulan lainnya mengandalkan trik kimia yang tidak asing seperti yang kita duga. Di musim dingin, “kami mengasinkan jalan untuk menurunkan suhu leleh,” kata Sori. Mungkin lautan Europa sangat asin sehingga akan menurunkan titik bekunya. Namun, senyawa lain akan menjadi antibeku yang lebih efektif – “khususnya amonia,” kata Sori, yang jumlahnya lebih banyak di tempat yang jauh dari sinar matahari yang menguap.

Pasang surut, radioaktivitas, kimia, dan awet muda: Bahan-bahan ini, jika dicampur dengan cara yang benar, dapat menghasilkan — dan menopang — lautan di bulan-bulan es ini. “Dengan semua hal ini, menurut saya ini bukan salah satu/atau,” kata Howett. Resep spesifik untuk setiap satelit mungkin berbeda. Ada ratusan cara untuk membuat bulan es yang dipenuhi lautan.

Penemuan samudra rahasia Europa “benar-benar mengubah cara berpikir orang tentang bulan,” kata Kivelson. Dan hal ini mengarahkan ilmu pengetahuan untuk menentukan apakah bentuk kehidupan asing mungkin menghuni lautan asing ini, dan mungkin menghasilkan penemuan yang selamanya akan mengubah konsepsi kita tentang tempat kita di alam semesta.

Quanta sedang melakukan serangkaian survei untuk melayani audiens kami dengan lebih baik. Ambil milik kami survei pembaca fisika dan anda akan diikut sertakan untuk menang secara gratis Quanta dagangan.