Gli oceani ghiacciati esistono sulle lune lontane. Perché non sono congelati solidi? | Rivista Quanti

Per gran parte dell'esistenza del genere umano, la Terra è stata l'unico mondo conosciuto circondato dall'oceano, apparentemente diverso da qualsiasi altra isola cosmica.

Ma nel 1979, le due navicelle Voyager della NASA volarono vicino a Giove. La sua luna Europa, un regno ghiacciato, era decorata con solchi e fratture, suggerendo che potrebbe esserci qualcosa di dinamico sotto la sua superficie.

"Dopo la Voyager, la gente sospettava che Europa fosse strana e potesse avere un oceano", ha detto Francesco Nimmo, uno scienziato planetario presso l'Università della California, Santa Cruz.

Poi, nel 1996, la navicella spaziale Galileo della NASA passò accanto a Europa e rilevò uno strano campo magnetico proveniente dall'interno. "Non abbiamo capito cosa fosse", ha detto Margaret Kvelson, un fisico spaziale dell'Università della California, a Los Angeles, responsabile del magnetometro della navicella. Alla fine, lei e il suo team si sono resi conto che un fluido elettricamente conduttivo – qualcosa all’interno della luna – stava avendo convulsioni in risposta all’immenso campo magnetico di Giove. “L’unica cosa che avesse senso”, ha detto Kivelson, “era se ci fosse un guscio di liquido sciolto sotto la superficie del ghiaccio”.

Nel 2004, la navicella spaziale Cassini della NASA arrivò su Saturno. Quando osservò la piccola luna di Saturno, Encelado, trovò coruscazioni pennacchi ghiacciati eruttando da vasti abissi al polo sud della Luna. E quando Cassini volò attraverso queste bocche, la prova era inequivocabile: si trattava di un oceano salato che sanguinava vigorosamente nello spazio.

Ora gli oceani della Terra non sono più unici. Sono semplicemente strani. Esistono sulla superficie soleggiata del nostro pianeta, mentre i mari del sistema solare esterno sono nascosti sotto il ghiaccio e immersi nell'oscurità. E questi oceani liquidi sotterranei sembrano essere la regola per il nostro sistema solare, non l’eccezione. Oltre a Europa ed Encelado, quasi certamente esistono anche altre lune con oceani coperti di ghiaccio. Una flotta di veicoli spaziali li esplorerà in dettaglio nel prossimo decennio.

Tutto ciò solleva un apparente paradosso. Queste lune esistono nelle zone gelide del nostro sistema solare da miliardi di anni, abbastanza a lungo perché il calore residuo della loro creazione sia fuggito nello spazio eoni fa. Tutti i mari sotterranei dovrebbero ormai essere ghiacciati solidi. Allora come possono queste lune, che orbitano così lontano oltre il calore del sole, avere ancora oggi oceani?

Prove crescenti indicano che potrebbero esserci diversi modi per sostenere gli oceani di acqua liquida per miliardi di anni. Decodificare queste ricette potrebbe accelerare la nostra ricerca per determinare quanto sia facile, o problematico, per la vita emergere in tutto il cosmo. Appena analizzato dati provenienti da vecchi veicoli spaziali, oltre alle recenti osservazioni della NASA navicella spaziale Giunone e la James Webb Space Telescope, stanno aggiungendo prove crescenti che questi oceani caldi contengono sostanze chimiche benefiche per la biologia e che il sistema solare interno non è l’unico posto che la vita potrebbe potenzialmente chiamare casa.

Queste lune oceaniche offrono anche una possibilità più ampia. Oceani temperati e potenzialmente vivibili potrebbero essere una conseguenza inevitabile della formazione dei pianeti. Potrebbe non avere importanza quanto un pianeta e le sue lune siano lontani dal falò nucleare della loro stella. E se questo è vero, allora il numero di paesaggi che potremmo esplorare nella nostra ricerca della vita oltre la Terra è quasi illimitato.

"Gli oceani sotto le lune ghiacciate sembrano strani e improbabili", ha detto Steven Vance, astrobiologo e geofisico del Jet Propulsion Laboratory della NASA.

Eppure, con aria di sfida, questi mari alieni rimangono liquidi.

Un oceano avvolto da specchi

Gli scienziati sospettano che una manciata di lune che orbitano attorno a Giove e Saturno – e forse anche alcune che ruotano attorno a Urano e Nettuno – ospitano oceani. Il massiccio Ganimede e Callisto, segnato da crateri, producono segnali magnetici deboli, simili a quelli di Europa. Anche Titano, coperto di foschia, molto probabilmente ha un oceano sotterraneo di acqua liquida. Questi "sono i cinque su cui la maggior parte degli scienziati nella comunità si sente abbastanza fiduciosa", ha detto Mike Sori, uno scienziato planetario della Purdue University.

Finora, l’unica certezza oceanica assoluta è Encelado. "Questo è un gioco da ragazzi", ha detto Carly Howett, uno scienziato planetario dell'Università di Oxford.

Negli anni '1980, alcuni scienziati sospettavano che Encelado avesse delle piume; L'anello E di Saturno era così pulito e brillante che qualcosa, forse proveniente da una delle sue lune, doveva fuoriuscire nello spazio e rinfrescarlo costantemente. Dopo che Cassini ha finalmente assistito a quella magia che guarnisce il pianeta in azione, gli scienziati si sono brevemente chiesti se i pennacchi del polo sud della luna potessero essere il lavoro della luce solare che vaporizza il ghiaccio nel guscio della luna - un po' come il ghiaccio secco che bolle quando viene riscaldato, forse dalla luce solare.

“Per un po’ si è discusso se fosse davvero necessario che ci fosse un oceano”, ha detto Nimmo. “Ciò che ha veramente colpito è stato quando [Cassini] volò attraverso il pennacchio e trovarono sale: cloruro di sodio. Quello è un oceano. C’era ancora la possibilità che questi pennacchi potessero eruttare da un mare più piccolo e isolato. Ma ulteriori osservazioni di Cassini hanno rivelato che il guscio di Encelado oscilla avanti e indietro in modo così acuto che deve essere separato dalle profondità interne della Luna da un oceano globale.

I pennacchi pompano anche idrogeno e quarzo, segni di attività di sfiati idrotermali di acque profonde, ha detto Franco Postberg, planetologo della Libera Università di Berlino. Sulla Terra, tali prese d’aria producono il calore e la chimica necessari per alimentare gli ecosistemi che esistono oltre la portata della luce solare – comunità di organismi che gli scienziati una volta pensavano non potessero esistere nel nostro mondo fotosinteticamente dipendente.

Ma cosa potrebbe alimentare un sistema di ventilazione abbastanza potente da riscaldare un intero oceano? Un’altra luna, questa della varietà infuocata, fornirebbe quegli indizi.

Le maree eterne e infernali

Nel giugno 1979, un mese prima del sorvolo ravvicinato di Europa della Voyager 2, gli scienziati ha annunciato che la Voyager 1 aveva intravisto titanici pennacchi a forma di ombrello che si gonfiavano nello spazio sopra Io: le impronte eruttive di diversi vulcani.

Questa osservazione avrebbe dovuto essere sconcertante: il vulcanismo richiede una fonte di calore interna e Io, come le altre lune ghiacciate, non avrebbe dovuto essere altro che brace. Ma pochi mesi prima, un team indipendente di scienziati aveva ragione previsto che Io potrebbe essere un mondo vulcanico iperattivo.

Avevano basato la loro previsione su danza orbitale delle lune più grandi di Giove. Per ogni quattro orbite completate da Io, Europa ne compie due e Ganimede una. Questa configurazione orbitale, nota come risonanza, fa oscillare Io avanti e indietro, rendendo la sua orbita ellittica. Quando Io è più vicino a Giove, la gravità del pianeta lo colpisce più intensamente. Quando è più lontano, la forza di Giove è più debole. Questo tiro alla fune gravitazionale senza fine crea la superficie rocciosa di Io spostati su e giù di 100 metri, la stessa altezza di un edificio di 30 piani. Queste sono maree, come quelle della Terra, solo nella solida roccia, non nell'acqua.

Quelle maree creano attrito all’interno della luna che genera calore. E il riscaldamento delle maree è abbastanza forte da sciogliere la roccia nelle profondità di Io. "Io non ha un oceano d'acqua, ma probabilmente ha un oceano di magma", ha detto Nimmo. (Anche lì Galileo captò un campo magnetico secondario, generato da a serbatoio sotterraneo globale di roccia fusa.)

Anche Europa sperimenta un certo riscaldamento dovuto alle maree. Ma quanto queste maree riscaldano un oceano dipende da dove si verificano all’interno della luna; in altre parole, è necessario che una quantità sufficiente di quel calore raggiunga l’oceano per mantenerlo liquido. "Il riscaldamento delle maree potrebbe verificarsi nel guscio di ghiaccio stesso, o potrebbe verificarsi nel nucleo roccioso sottostante", ha detto Nimmo. Gli scienziati non sanno quale sia la risposta corretta, quindi non possono dire con certezza quanto il riscaldamento delle maree contribuisca all’interno liquido di Europa.

Anche Encelado è teso e schiacciato dal suo tango gravitazionale con una luna vicina chiamata Dione. In teoria ciò potrebbe produrre maree che riscaldano l’interno della Luna. Ma le maree create dalla sua risonanza con Dione, almeno sulla carta, non sembrano sufficienti a spiegare il suo oceano. I numeri non funzionano ancora, ha detto Sori, e la quantità di calore prodotta non è sufficiente a mantenere un oceano globale per i miliardi di anni trascorsi dalla nascita del sistema solare. Forse, come nel caso di Europa, gli scienziati non sanno bene dove le maree creano calore all'interno di Encelado.

Un altro fattore di confusione è che le orbite non sono fisse nel tempo astronomico. Man mano che i sistemi planetari si evolvono, le lune migrano e “il riscaldamento delle maree può accendersi e spegnersi mentre le cose entrano ed escono da risonanze diverse”, ha affermato Davide Rothery, uno scienziato planetario della Open University nel Regno Unito. Gli scienziati sospettano che ciò sia accaduto con Miranda e Ariel, due satelliti uraniani che potrebbero essere ex compagni di ballo; queste lune sembrano come se una volta fossero geologicamente attive, ma lo sono ora discutibilmente congelati ai loro nuclei.

Allo stesso modo, Encelado potrebbe non aver sempre avuto Dione come compagno di ballo: forse il loro boogie in orbita attorno a Saturno è iniziato più recentemente e ha riscaldato una luna precedentemente solida. Ma questo scenario è anche difficile da spiegare. "È più facile mantenere un oceano in giro e mantenerlo, piuttosto che congelarlo e rifonderlo", ha detto Sori. Pertanto, se il riscaldamento delle maree è l’unico responsabile dell’oceano di Encelado, allora la Luna è una ballerina veterana che oscilla da diversi miliardi di anni.

Per ora, l’unica certezza sull’oceano di questa luna è che esista. Come è nato, e come esiste ancora oggi, "è una delle domande davvero grandi irrisolte", ha detto Sori. "Encelado è difficile da capire."

Rinnegati radioattivi 

Fortunatamente, gli interni caldi e lunari non dipendono esclusivamente dalle maree.

La metà del calore interno della Terra proviene dalla sua nascita. Il resto proviene da elementi radioattivi in ​​decomposizione. Allo stesso modo, le profondità ricche di rocce delle lune ghiacciate dovrebbero contenere una discreta quantità di uranio, torio e potassio, depositi radioattivi che possono cuocere l’ambiente circostante per centinaia di milioni, se non miliardi, di anni prima di decadere in elementi stabili e smettere di rilasciare calore. .

Le lune più grandi avranno inizialmente riserve più abbondanti di materia radioattiva. E forse questo è tutto ciò di cui i loro oceani hanno bisogno. "Per le lune più grandi come Ganimede, Callisto e Titano, sono inevitabili a causa di questo fattore radiogenico", ha detto Vance. Alcuni scienziati sostengono addirittura che Plutone ha un oceano sotterraneo. Come le tre lune, questo pianeta nano è probabilmente isolato da una crosta sufficientemente spessa che rallenta la fuoriuscita della sua fornace radioattiva nello spazio.

Eppure i cuori relativamente piccoli delle lune lillipuziane come Encelado non contengono abbastanza materia radioattiva per mantenerli caldi per miliardi di anni. Una soluzione insoddisfacente a questo enigma è che forse Encelado è stato semplicemente fortunato: la radioattività potrebbe spiegare una prima parte del suo passato oceanico e la sua danza con Dione un episodio più recente. Forse "siamo ora al punto di crossover, dove il [riscaldamento] radiogenico diventa così basso che il riscaldamento mareale prende il sopravvento", ha detto Postberg.

Se è così, forse Encelado è un microcosmo dell’universo: una combinazione fortuita di riscaldamento delle maree e radioattività. Ciò significherebbe che le lune oceaniche potrebbero esistere ovunque – o, al contrario, quasi da nessuna parte.

Oceani giovanili

In alternativa, e in modo controverso, alcuni scienziati sostengono che Encelado potrebbe essere notevolmente giovane.

Nascosti tra le risme di dati raccolti dalla navicella spaziale Cassini ci sono indizi che Saturno non è nato con i suoi iconici anelli. Invece molti scienziati ormai ne sono convinti si formarono gli anelli solo poche centinaia di milioni di anni fa. Una nuova ricerca che utilizza supercomputer per simulare la violenza luna-su-luna suggerisce che gli anelli di Saturno si sono formati quando due antiche lune si sono scontrate nel periodo in cui gli stegosauri vagavano sulla Terra. Questo incidente ha disseminato l'orbita di Saturno con legioni di frammenti ghiacciati; mentre molti formarono gli anelli, altri distrussero le lune esistenti e ne crearono di nuovi. E se gli anelli sono giovani, anche Encelado e una manciata di altre lune potrebbero essere giovani.

"Sembra che le persone stiano diventando più aperte nel considerare che le lune sono giovani", ha detto Jacob Kegerreis, ricercatore presso l'Ames Research Center della NASA a Mountain View, California, e coautore del recente studio sulla formazione degli anelli.

In una svolta che supporta questa idea, si scopre che gli scienziati non sanno quanti anni hanno alcune lune di Saturno. "Encelado potrebbe avere solo poche centinaia di milioni o decine di milioni di anni", ha detto Rothery. Se è così, allora il calore della sua nascita frenetica potrebbe ancora mantenere liquido il suo giovane oceano.

Ma la storia delle lune giovani è tutt’altro che certa: l’enorme numero di crateri che molti mostrano suggerisce che le lune sono state in giro per sperimentare il pandemonio simile a un flipper del sistema solare per molti eoni. "Penso che, nel sistema di Saturno, qualcosa di bizzarro sia accaduto qualche centinaio di milioni di anni fa", ha detto Nimmo. “Ma la mia ipotesi è che tutti i satelliti abbiano 4.5 miliardi di anni”.

Indovini satellitari

Con le missioni Galileo e Cassini morte da tempo, gli scienziati stanno ora riponendo le loro speranze su due veicoli spaziali: il Jupiter Icy Moons Explorer dell'Agenzia spaziale europea, lanciato di recente, e l'Europa Clipper della NASA, che non è stato lanciato. Entrambi arriveranno su Giove all'inizio del prossimo decennio.

E questo ci riporta a Europa, la luna che per prima ha imposto una rivisitazione del contesto cosmico in cui esistono i mari della Terra.

Uno degli obiettivi per la navicella spaziale Clipper, che volerà nell’ottobre 2024, è (nelle parole di l'elenco degli obiettivi della missione) per “confermare” che l'oceano di Europa esiste. "Ci sono state molte discussioni su quella parola", ha detto Nimmo. Clipper potrebbe trovare qualcosa di diverso dall'oceano; potrebbe invece esserci un mare ghiacciato pieno di sacche di acqua di disgelo. Oppure “potrebbe essere un sottile strato d’oro”, ha scherzato Nimmo. "Penso che sia sicuro al 99% che ci sia un oceano lì."

Supponendo che Clipper confermi l'esistenza dell'oceano di Europa, si metterà al lavoro per caratterizzare la luna e il suo mare sotterraneo. Per fare ciò, la sonda inizierà scoprendo quali molecole si trovano sulla superficie della Luna e, se gli scienziati sono fortunati, nell’oceano sottostante. Mentre vola vicino alla Luna, Clipper ingerisce tutta la polvere microscopica, il ghiaccio o il vapore acqueo che si diffonde dalla superficie lunare. Quelle particelle saranno studiate dai suoi analizzatore di polveri superficiali strumento: quando i grani colpiscono la piastra metallica, vengono vaporizzati e caricati elettricamente, consentendo allo strumento di svelare l'identità chimica del granello.

La speranza è che i pennacchi stiano scaricando dolcemente l'oceano di Europa nello spazio, il che renderebbe la ricerca di Clipper notevolmente più semplice. Tali getti potrebbero esistere, ma non saranno come quelli di Encelado; possono essere più intermittenti e geograficamente sporadici. Oppure potrebbero non essere affatto presenti, nel qual caso la speranza è che gli impatti dei micrometeoriti possano scheggiare il guscio ghiacciato, liberando porzioni di oceano e spruzzandolo verso Clipper.

E potrebbe risultare che, quando si tratta di stare al caldo, Europa e le altre lune si affidino a trucchi chimici che non sono così alieni come potremmo aspettarci. In inverno “saliamo le strade per abbassare la temperatura di scioglimento”, ha detto Sori. Forse l’oceano di Europa è particolarmente salato, il che abbasserebbe il punto di congelamento. Altri composti sarebbero però più efficaci come antigelo: "l'ammoniaca, in particolare", ha detto Sori, che è più abbondante lontano dalla luce vaporizzante del sole.

Maree, radioattività, chimica e gioventù: questi ingredienti, se miscelati nel modo giusto, possono produrre – e sostenere – gli oceani su queste lune ghiacciate. "Con tutte queste cose, non penso che sia l'uno o l'altro", ha detto Howett. La ricetta specifica per ciascun satellite potrebbe essere diversa. Potrebbero esserci centinaia di modi per creare una luna ghiacciata piena di oceano.

La scoperta dell'oceano segreto di Europa "ha davvero cambiato il modo in cui la gente pensava alle lune", ha detto Kivelson. E ha messo la scienza sulla rotta per determinare se forme di vita aliene potrebbero popolare questi mari alieni, e forse portare a una scoperta che modificherà per sempre la nostra concezione del nostro posto nell’universo.

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