אוקיינוסים קפואים קיימים בירחים רחוקים. למה הם לא קפואים מוצקים? | מגזין קוונטה

במשך רוב הקיום של המין האנושי, כדור הארץ היה העולם היחיד הידוע עטוף האוקיינוס, שלא דומה לכאורה לאי קוסמי אחר.

אבל ב-1979, שתי חלליות וויאג'ר של נאס"א טסו ליד צדק. הירח שלו אירופה, ממלכה קפואה, היה מעוטר בחריצים ושברים - רמזים שאולי יש משהו דינמי מתחת לפני השטח שלו.

"אחרי וויאג'ר, אנשים חשדו שאירופה היא מוזרה ואולי יש בה אוקיינוס", אמר פרנסיס נימו, מדען פלנטרי באוניברסיטת קליפורניה, סנטה קרוז.

ואז, ב-1996 חלפה החללית גלילאו של נאס"א על ​​פני אירופה וזיהתה שדה מגנטי מוזר שהגיע מבפנים. "לא הבנו מה זה," אמר מרגרט קיבלסון, פיזיקאי חלל מאוניברסיטת קליפורניה, לוס אנג'לס, שהיה אחראי על המגנומטר של החללית. בסופו של דבר, היא והצוות שלה הבינו שנוזל מוליך חשמלי - משהו בתוך הירח - מתעוות בתגובה לשדה המגנטי העצום של צדק. "הדבר היחיד שהיה הגיוני", אמר קיבלסון, "היה אם יש מעטפת של נמס נוזלים מתחת לפני הקרח".

בשנת 2004 הגיעה חללית קאסיני של נאס"א לשבתאי. כאשר הוא צפה בירח הקטן של שבתאי אנקלדוס, הוא מצא גלגול פלומות קפואות מתפרץ מתהומים עצומים בקוטב הדרומי של הירח. וכאשר קאסיני עף דרך הזרבובים האלה, הראיות היו בלתי ניתנות לטעות - זה היה אוקיינוס ​​מלוח שדימם במרץ לחלל.

עכשיו האוקיינוסים של כדור הארץ כבר אינם ייחודיים. הם פשוט מוזרים. הם קיימים על פני השטח המוארים בשמש של הפלנטה שלנו, בעוד הימים של מערכת השמש החיצונית תחובים מתחת לקרח ושטופים בחושך. ונראה שהאוקיינוסים הנוזלים התת-קרקעיים הללו הם הכלל עבור מערכת השמש שלנו, לא היוצא מן הכלל. בנוסף לאירופה ולאנסלדוס, קיימים כמעט בוודאות גם ירחים אחרים עם אוקיינוסים מכוסי קרח. צי של חלליות יחקור אותם בפירוט במהלך העשור הבא.

כל זה מעלה פרדוקס לכאורה. ירחים אלה התקיימו באזורים הכפורים של מערכת השמש שלנו במשך מיליארדי שנים - מספיק זמן כדי שהחום שיורי מיצירתם יימלט לחלל לפני עידנים. כל ים תת-קרקעיים אמור להיות קרח מוצק עד עכשיו. אז איך ירחים האלה, שמקיפים כל כך הרבה מעבר לחום השמש, יכולים להיות עדיין אוקיינוסים כיום?

עדויות מתגברות מצביעות על כך שעשויות להיות מספר דרכים לקיים אוקיינוסים של מים נוזליים במשך מיליארדי שנים. פענוח המתכונים הללו יכול להאיץ את החיפוש שלנו לקבוע עד כמה קל, או בעייתי, לחיים לצוץ ברחבי הקוסמוס. מנותח טרי נתונים מחללית ישנה, בתוספת תצפיות אחרונות של נאס"א חללית ג'ונו ו ג 'יימס ווב טלסקופ החלל, מוסיפים לראיות ההולכות וגדלות לכך שהאוקיינוסים החמים האלה מכילים כימיה המועילה לביולוגיה, ושמערכת השמש הפנימית היא לא המקום היחיד שהחיים יכולים לקרוא לו בית.

ירחים אוקייניים אלה מציעים גם אפשרות גדולה יותר. אוקיינוסים ממוזגים, שאפשר לחיות בהם, יכולים להיות תוצאה בלתי נמנעת של היווצרות כוכב לכת. זה אולי לא משנה כמה רחוקים כוכב לכת וירחיו מהמדורה הגרעינית של הכוכב שלהם. ואם זה נכון, אז מספר הנופים שאנו עשויים לחקור בחיפושנו אחר חיים מעבר לכדור הארץ הוא כמעט בלתי מוגבל.

"אוקיינוסים תחת ירחים קפואים נראים מוזרים ובלתי סבירים", אמר סטיבן ואנס, אסטרוביולוג וגיאופיזיקאי במעבדה להנעת סילון של נאס"א.

ובכל זאת, בהתרסה, הים החייזרים האלה נשארים נוזליים.

אוקיינוס ​​עטוף במראה

מדענים חושדים שקומץ ירחים המקיפים את צדק ושבתאי - ואולי אפילו חלקם מסתובבים סביב אורנוס ונפטון - נוצרים אוקיינוסים. גנימד כבד וקליסטו המצולק במכתש מייצרים אותות מגנטיים חלשים דמויי אירופה. גם לטיטאן המכוסה אובך של שבתאי, יש כנראה ים תת-קרקעי מים נוזליים. אלה "הם החמישה שרוב המדענים בקהילה מרגישים די בטוחים לגביהם", אמר מייק סורי, מדען פלנטרי באוניברסיטת פרדו.

עד כה, הוודאות האוקיאנית המוחלטת היחידה היא Enceladus. "זה לא מובן מאליו," אמר קרלי האוט, מדען פלנטרי מאוניברסיטת אוקספורד.

בשנות ה-1980, כמה מדענים חשדו ש-Enceladus היו בעלי פלומות; טבעת ה-E של שבתאי הייתה כל כך נקייה ומבריקה שמשהו - אולי מאחד הירחים שלה - חייב לדלוף לחלל ולרענן אותו כל הזמן. לאחר שקאסיני לבסוף היה עד לאותו קסם מקשט כוכבי הלכת בפעולה, מדענים שאלו בקצרה האם הפלומות הדרומיות-קוטביות של הירח עשויות להיות העבודה של אור השמש המאידה קרח במעטפת הירח - קצת כמו קרח יבש שמתבשל כשהוא מחומם, אולי באור השמש.

"במשך זמן מה, היה הוויכוח הזה אם צריך להיות אוקיינוס ​​בכלל", אמר נימו. "מה שבאמת נעצר זה היה כאשר [קסיני] עף דרך הפלומה והם מצאו מלח - נתרן כלורי. זה אוקיינוס." עדיין היה סיכוי שהנומרות הללו יתפרצו בים קטן ומבודד יותר. אבל תצפיות נוספות של קאסיני גילו שהקונכייה של אנצלדוס מתנדנדת קדימה ואחורה בצורה כה חריפה עד שהיא חייבת להיות מופרדת מחלקו הפנימי העמוק יותר של הירח על ידי אוקיינוס ​​גלובלי.

הפלומים גם שואבים מימן וקוורץ, סימנים לפעילות של אוורור הידרותרמי בים עמוק, אמרו פרנק פוסטברג, מדען פלנטרי באוניברסיטה החופשית של ברלין. על פני כדור הארץ, פתחי אוורור כאלה מייצרים את החום והכימיה הדרושים להפעלת מערכות אקולוגיות שקיימות מעבר להישג ידו של אור השמש - קהילות של אורגניזמים שפעם חשבו מדענים שלא יכולים להתקיים בעולם התלוי הפוטוסינתטי שלנו.

אבל מה יכול להניע מערכת אוורור חזקה מספיק כדי לחמם אוקיינוס ​​שלם? ירח אחר - זה מהמגוון הלוהט - יספק את הרמזים האלה.

הגאות הנצחית, התופתית

ביוני 1979, חודש לפני הטיסה הקרובה של וויאג'ר 2 לאירופה, מדענים הודיע שוויאג'ר 1 הבחינה בנומרות טיטאניות בצורת מטרייה המתנשאות לחלל מעל איו - טביעות אצבע מתפרצות של כמה הרי געש.

תצפית זו הייתה צריכה להיות מביכה: געשיות דורשת מקור חום פנימי, ואיו, כמו שאר הירחים הקפואים, היה צריך להיות לא יותר מגחלת. אבל כמה חודשים קודם לכן, צוות עצמאי של מדענים עשה זאת נכון חזה שאיו עשוי להיות עולם געשי היפראקטיבי.

הם ביססו את התחזית שלהם על ריקוד מסלולי של הירחים הגדולים ביותר של צדק. על כל ארבעה מסלולים שאיו משלים, אירופה עושה שניים וגנימד אחד. תצורת מסלול זו, המכונה תהודה, גורמת ל-Io להתנדנד קדימה ואחורה, מה שהופך את מסלולו אליפטי. כאשר איו קרוב יותר לצדק, כוח המשיכה של כוכב הלכת מושך בו ביתר שאת. כשהוא רחוק יותר, המשיכה של צדק חלשה יותר. משיכת המשיכה הכבידה הבלתי נגמרת הזו הופכת את פני השטח הסלעיים של איו זוז למעלה ולמטה ב-100 מטר, גובה זהה לבניין בן 30 קומות. אלה הם גאות ושפל, כמו זה של כדור הארץ - רק בסלע מוצק, לא במים.

הגאות והשפל יוצרים חיכוך בתוך הירח שיוצר חום. והחימום הגאות הזה חזק מספיק כדי להמיס את הסלע עמוק בתוך Io. "לאו אין אוקיינוס ​​מים, אבל כנראה יש לו אוקיינוס ​​מאגמה," אמר נימו. (גלילאו קלט גם שם שדה מגנטי משני, שנוצר על ידי א מאגר תת קרקעי עולמי של סלע מותך.)

אירופה חווה גם קצת חימום גאות ושפל. אבל עד כמה הגאות והשפל האלה מחממות אוקיינוס ​​תלוי איפה בתוך הירח הם מתרחשים; במילים אחרות, מספיק מהחום הזה צריך להגיע לים כדי לשמור אותו נוזלי. "התחממות הגאות יכולה להתרחש במעטפת הקרח עצמה, או שהיא יכולה להתרחש בליבה הסלעית שמתחתיה", אמר נימו. מדענים לא יודעים מה נכון - אז הם לא יכולים לומר בוודאות כמה חימום הגאות תורם לפנים הנוזל של אירופה.

גם אנצלדוס נמתח ונלחץ על ידי הטנגו הכבידתי שלו עם ירח שכן בשם דיונה. בתיאוריה זה יכול לייצר גאות ושפל שמחממים את פנים הירח. אבל נראה שהגאות והשפל שנוצרה מהתהודה שלו עם דיונה, לפחות על הנייר, לא מספיקות כדי להסביר את האוקיינוס ​​שלה. המספרים עדיין לא עובדים, אמר סורי, וכמות החום המופקת אינה מספיקה כדי לשמור על אוקיינוס ​​גלובלי במשך מיליארדי השנים מאז לידתה של מערכת השמש. אולי, כמו באירופה, מדענים לא ממש יודעים היכן הגאות והשפל יוצרים חום בתוך אנקלדוס.

גורם מבלבל נוסף הוא שהמסלולים אינם קבועים לאורך זמן אסטרונומי. כאשר מערכות פלנטריות מתפתחות, ירחים נודדים, ו"חימום גאות ושפל יכול להידלק ולכבות כאשר דברים נסחפים פנימה והחוצה מתהודות שונות", אמר דיוויד רותרי, מדען פלנטרי באוניברסיטה הפתוחה בבריטניה. מדענים חושדים שזה קרה עם מירנדה ואריאל, שני לוויינים מאוראניים שעשויים להיות שותפי ריקוד לשעבר; הירחים האלה נראים כאילו היו פעם פעילים גיאולוגית אבל הם עכשיו ניתן לטעון קפוא לליבותיהם.

ברוח דומה, אולי לא תמיד היה לאנקלדוס את דיונה כבת זוגו לריקוד: אולי הבוגי הסובב את שבתאי שלהם התחיל לאחרונה וחיממה ירח מוצק בעבר. אבל גם את התרחיש הזה קשה להסביר. "קל יותר להחזיק אוקיינוס ​​בסביבה ולתחזק אותו, במקום להקפיא ולהמיס אותו מחדש", אמר סורי. לפיכך, אם חימום הגאות והשפל הוא האחראי הבלעדי לאוקיינוס ​​של אנצלדוס, אז הירח הוא רקדן ותיק שהתגבר כבר כמה מיליארדי שנים.

לעת עתה, הוודאות היחידה לגבי האוקיינוס ​​של הירח הזה היא שהוא קיים. איך זה קרה, ואיך זה עדיין קיים היום, "זו אחת השאלות הגדולות באמת לא פתורות", אמר סורי. "קשה להבין את Enceladus."

שויקים רדיואקטיביים 

למרבה המזל, פנים ירח חם אינם תלויים אך ורק בגאות.

מחצית מהחום הפנימי של כדור הארץ הגיע מלידתו. השאר נובע מיסודות רדיואקטיביים מתכלים. באופן דומה, המעמקים העשירים בסלע של ירחים קפואים צריכים להכיל כמות הגונה של אורניום, תוריום ואשלגן - מאגרים רדיואקטיביים שיכולים לבשל את סביבתם במשך מאות מיליוני, אם לא מיליארדי שנים, לפני שהם מתפרקים ליסודות יציבים ומפסיקים לשחרר חום. .

ירחים גדולים יותר יתחילו עם מאגרים שופעים יותר של חומר רדיואקטיבי. ואולי זה כל מה שהאוקיינוסים שלהם דורשים. "עבור ירחים גדולים יותר כמו גנימד וקליסטו וטיטאן, הם די בלתי נמנעים בגלל הגורם הרדיוגני הזה", אמר ואנס. כמה מדענים אפילו טוענים כי פלוטו יש אוקיינוס ​​תת קרקעי. כמו שלושת הירחים, כוכב הלכת הננסי הזה כנראה מבודד על ידי קרום עבה מספיק שמאט את דליפת הכבשן הרדיואקטיבי שלו לחלל.

עם זאת, הלבבות הקטנים יחסית בירחים ליליפוטיים כמו אנצלדוס אינם מכילים מספיק חומר רדיואקטיבי כדי לשמור עליהם צלילים במשך מיליארדי שנים. פתרון אחד לא מספק לחידה הזו היא שאולי אנצלדוס פשוט התמזל מזלו: רדיואקטיביות יכולה להסביר חלק מוקדם מהעבר האוקיאני שלה, והריקוד שלה עם דיונה פרק עדכני יותר. אולי "אנחנו עכשיו בנקודת ההצלבה, שבה הרדיוגני [החימום] נהיה כה נמוך עד שחימום הגאות והשפל משתלט," אמר פוסטברג.

אם כן, אולי אנקלדוס הוא מיקרוקוסמוס של היקום: שילוב של חימום גאות ושפל ורדיואקטיביות. זה אומר שירחים אוקיינוסים יכולים להתקיים בכל מקום - או, להיפך, כמעט בשום מקום.

אוקיינוסים צעירים

לחלופין, ושנויה במחלוקת, כמה מדענים טוענים שאנקלדוס יכול להיות צעיר להפליא.

בחלל הנתונים שנאספו על ידי חללית קאסיני מסתתרים רמזים לכך ששבתאי לא נולד עם הטבעות האיקוניות שלו. במקום זאת, מדענים רבים משוכנעים זאת כעת הטבעות נוצרו רק לפני כמה מאות מיליוני שנים. מחקר חדש שמשתמש במחשבי-על כדי לדמות אלימות ירח-על-ירח מצביע על כך שהטבעות של שבתאי נוצרו כאשר שני ירחים עתיקים התנגשו בסביבות הזמן שבו הסתובבו סטגוזאורים בכדור הארץ. הפיצוץ הזה זרוע את מסלולו של שבתאי בגדודים של רסיסים קפואים; בעוד שרבים יצרו את הטבעות, אחרים פרצו ירחים קיימים ו יצרו חדשים. ואם הטבעות צעירות, אנקלדוס וקומץ ירחים אחרים עשויים להיות צעירים מדי.

"זה מרגיש כאילו אנשים הופכים פתוחים יותר להתחשב בכך שהירחים צעירים", אמר יעקב קגרריס, מדען מחקר במרכז המחקר איימס של נאס"א במאונטיין וויו, קליפורניה, ומחבר שותף של מחקר היווצרות הטבעות האחרון.

בטוויסט שתומך ברעיון הזה, מתברר שמדענים אינם יודעים בני כמה חלק מהירחי שבתאי. "Enceladus יכול להיות רק כמה מאות מיליוני או עשרות מיליוני שנים," אמר רות'רי. אם כן, אז אולי החום מלידתו המטורפת עדיין שומר על האוקיינוס ​​הצעיר שלו נוזלי.

אבל הסיפור של הירחים הצעירים רחוק מלהיות בטוח - המספר העצום של מכתשים שמציגים רבים מצביע על כך שהירחים היו בסביבה כדי לחוות את המגפה דמוית הפינבול של מערכת השמש במשך תקופה ארוכה. "אני כן חושב שבמערכת שבתאי קרה משהו מוזר לפני כמה מאות מיליוני שנים", אמר נימו. "אבל הניחוש שלי הוא שכל הלוויינים בני 4.5 מיליארד שנים."

מגידי עתידות לווין

כשמשימות גלילאו וקאסיני מתו מזמן, מדענים תולים כעת תקוות בשתי חלליות: סייר הירחים הקרח של סוכנות החלל האירופית Jupiter Icy Moons Explorer, ששוגר לאחרונה, ו-Europa Clipper של נאס"א, שלא. שניהם יגיעו לצדק בתחילת העשור הבא.

וזה מחזיר אותנו לאירופה, הירח שכפה לראשונה דמיון מחדש של ההקשר הקוסמי שבו קיימים ימי כדור הארץ.

אחת המטרות של חללית קליפר - שאמורה לטוס באוקטובר 2024 - היא (במילים של הרשימה האובייקטיבית של המשימה) כדי "לאשר" שהאוקיינוס ​​של אירופה קיים. "היו הרבה ויכוחים על המילה הזו," אמר נימו. קליפר יכול למצוא משהו אחר מלבד אוקיינוס; במקום זה יכול להיות ים קפוא מלא בכיסי מי נמס. או "זו יכולה להיות שכבה דקה של זהב", התבדח נימו. "אני חושב שזה בטוח ב-99% שיש שם אוקיינוס."

בהנחה שקליפר יאשר את קיומו של האוקיינוס ​​של אירופה, הוא יתחיל לעבוד באפיון הירח והים התת-קרקעי שלו. כדי לעשות זאת, החללית תתחיל בבירור אילו מולקולות נמצאות על פני הירח - ואם יתמזל מזלם של מדענים, באוקיינוס ​​שמתחת. בזמן שהוא טס ליד הירח, קליפר יבלע כל אבק מיקרוסקופי, קרח או אדי מים הנישאים מעל פני הירח. אותם חלקיקים יחקרו על ידי זה מנתח אבק משטח מכשיר: כאשר גרגרים פוגעים בלוח המתכת שלו, הם מתאדים וטעונים חשמלית, מה שמאפשר למכשיר לחשוף את הזהות הכימית של הדגן.

התקווה היא שנוצות מוציאות בעדינות את האוקיינוס ​​של אירופה לחלל, מה שיקל משמעותית על החיפוש של קליפר. זרמים כאלה אולי קיימים, אבל הם לא יהיו כמו אלה של אנקלדוס; הם עשויים להיות יותר לסירוגין וספורדיים גיאוגרפית. או שהם לא יהיו נוכחים בכלל - במקרה זה, התקווה היא שפגיעות מיקרומטאוריט עשויות להתנתק במעטפת הקפואה, לשחרר מרקים של האוקיינוס ​​ולרסס אותה לכיוון קליפר.

ואולי יתברר שבכל הנוגע לשמירה על חום, אירופה והירחים האחרים מסתמכים על טריקים כימיים שאינם זרים כפי שהיינו יכולים לצפות. בחורף, "אנחנו ממליחים את הכבישים כדי להוריד את טמפרטורת ההיתוך", אמר סורי. אולי האוקיינוס ​​של אירופה מלוח במיוחד, מה שיוריד את נקודת הקיפאון. עם זאת, תרכובות אחרות יהיו חומר נגד קפיאה יעיל יותר - "אמוניה, במיוחד", אמר סורי, שנמצאת בשפע יותר רחוק מהבוהק המתאדה של השמש.

גאות ושפל, רדיואקטיביות, כימיה ונוער: מרכיבים אלה, כאשר הם מעורבים בצורה נכונה, יכולים לייצר - ולקיים - אוקיינוסים על הירחים הקפואים הללו. "עם כל הדברים האלה, אני לא חושב שזה או/או," אמר האוט. המתכון הספציפי עבור כל לוויין עשוי להיות שונה. יכולות להיות מאות דרכים ליצור ירח קפוא מלא באוקיינוס.

גילוי האוקיינוס ​​הסודי של אירופה "באמת שינה את הדרך שבה אנשים חשבו על ירחים", אמר קיבלסון. וזה העמיד את המדע על מסלול לקבוע אם צורות חיים זרות עשויות לאכלס את הימים החייזרים הללו, ואולי להביא לתגלית שתשנה לנצח את התפיסה שלנו לגבי מקומנו ביקום.

Quanta עורכת סדרה של סקרים כדי לשרת טוב יותר את הקהל שלנו. קח את שלנו סקר קוראי פיזיקה ותוכלו לזכות בחינם Quanta סחורה.