Iskalde hav finnes på fjerne måner. Hvorfor er de ikke frosne solide? | Quanta Magazine

I det meste av menneskehetens eksistens var jorden den eneste kjente havdraperte verden, tilsynelatende ulik noen annen kosmisk øy.

Men i 1979 fløy NASAs to Voyager-romfartøy av Jupiter. Månen Europa, et frossent rike, var dekorert med riller og brudd - antydninger om at det kan være noe dynamisk under overflaten.

"Etter Voyager mistenkte folk at Europa var rart og kunne ha et hav," sa Francis Nimmo, en planetarisk forsker ved University of California, Santa Cruz.

Så, i 1996, passerte NASAs Galileo-romfartøy Europa og oppdaget et merkelig magnetfelt som kom innenfra. "Vi forsto ikke hva det var," sa Margaret Kivelson, en romfysiker ved University of California, Los Angeles som hadde ansvaret for romfartøyets magnetometer. Til slutt skjønte hun og teamet hennes at en elektrisk ledende væske - noe inne i månen - krampet seg som svar på Jupiters enorme magnetfelt. "Det eneste som ga noen mening," sa Kivelson, "var om det var et skall av væskesmelting under overflaten av isen."

I 2004 ankom NASAs romfartøy Cassini Saturn. Da den observerte Saturns lille måne Enceladus, fant den koruskering isete skyer bryter ut fra store kløfter ved månens sørpol. Og da Cassini fløy gjennom disse tutene, var bevisene umiskjennelige - dette var et salt hav som kraftig blødde ut i verdensrommet.

Nå er ikke jordens hav unike lenger. De er bare merkelige. De eksisterer på planetens solbelyste overflate, mens havet i det ytre solsystemet er gjemt under is og badet i mørke. Og disse underjordiske flytende havene ser ut til å være regelen for vårt solsystem, ikke unntaket. I tillegg til Europa og Enceladus, finnes det nesten helt sikkert andre måner med isdekkede hav også. En flåte av romfartøyer vil utforske dem i detalj i løpet av det neste tiåret.

Alt dette reiser et tilsynelatende paradoks. Disse månene har eksistert i de frostklare delene av solsystemet vårt i milliarder av år - lenge nok til at restvarme fra deres skapelse har rømt ut i verdensrommet for evigheter siden. Eventuelle hav under overflaten bør være fast is nå. Så hvordan kan disse månene, som går så langt utenfor solens varme, fortsatt ha hav i dag?

Flere bevis indikerer at det kan være flere måter å opprettholde flytende vannhav på over milliarder av år. Dekoding av disse oppskriftene kan akselerere vår søken etter å finne ut hvor enkelt, eller plagsomt, det er for livet å dukke opp i hele kosmos. Fersk analysert data fra gamle romfartøyer, pluss nylige observasjoner fra NASA Juno romfartøy og James Webb Space Telescope, legger til det økende beviset på at disse varme havene inneholder kjemi som er gunstig for biologien, og at det indre solsystemet ikke er det eneste stedet livet potensielt kan kalle hjem.

Disse havmånene tilbyr også en større mulighet. Tempererte, potensielt levelige hav kan være en uunngåelig konsekvens av planetdannelse. Det spiller kanskje ingen rolle hvor langt en planet og dens måner er fra stjernens kjernefysiske bål. Og hvis det er sant, så er antallet landskap vi kan utforske i vår søken etter liv utenfor jorden nesten ubegrenset.

"Hav under iskalde måner virker rare og usannsynlige," sa Steven Vance, en astrobiolog og geofysiker ved NASAs Jet Propulsion Laboratory.

Og likevel, trassig, forblir disse fremmede hav flytende.

Et speilfylt hav

Forskere mistenker at en håndfull måner som kretser rundt Jupiter og Saturn - og kanskje til og med noen som snurrer rundt Uranus og Neptun - har hav. Heftige Ganymedes og krater-arrede Callisto produserer svake, Europa-lignende magnetiske signaler. Også Saturns dis-dekkede Titan har sannsynligvis et hav under overflaten med flytende vann. Dette "er de fem som de fleste forskere i samfunnet føler seg ganske trygge på," sa Mike Sori, en planetarisk forsker ved Purdue University.

Så langt er den eneste absolutte oseaniske sikkerheten Enceladus. "Det er en no-brainer," sa Carly Howett, en planetarisk vitenskapsmann ved University of Oxford.

På 1980-tallet mistenkte noen forskere at Enceladus hadde skyer; Saturns E-ring var så ren og skinnende at noe - kanskje fra en av månene - må lekke ut i verdensrommet og stadig oppdatere det. Etter at Cassini endelig var vitne til den planetgarneringsmagien i aksjon, stilte forskere kort spørsmålstegn ved om månens sørpolare skyer kan være arbeidet med sollys som fordamper is i månens skall - litt som tørris som koker bort når den varmes opp, kanskje av sollys.

"En stund var det dette argumentet om hvorvidt det måtte være et hav i det hele tatt," sa Nimmo. "Det som virkelig spikret var da [Cassini] fløy gjennom skyen og de fant salt - natriumklorid. Det er et hav." Det var fortsatt en sjanse for at disse skyene kunne bryte ut fra et mindre, mer isolert hav. Men ytterligere Cassini-observasjoner avslørte at Enceladus sitt skall vugger så akutt frem og tilbake at det må skilles fra månens dypere indre av et globalt hav.

Plommene pumper også ut hydrogen og kvarts, tegn på dyphavs hydrotermisk ventilasjonsaktivitet, sa Frank Postberg, en planetarisk vitenskapsmann ved Free University of Berlin. På jorden produserer slike ventiler varmen og kjemien som trengs for å drive økosystemer som eksisterer utenfor rekkevidde av sollys - samfunn av organismer som forskerne en gang trodde ikke kunne eksistere i vår fotosyntetisk avhengige verden.

Men hva kan drive et ventilasjonssystem som er sterkt nok til å varme opp et helt hav? En annen måne - denne av den brennende varianten - ville gi disse ledetrådene.

Det evige, helvetes tidevann

I juni 1979, en måned før Voyager 2s nærflyging av Europa, forskerne annonsert at Voyager 1 hadde sett et glimt av titaniske, paraplyformede skyer som bølget ut i verdensrommet over Io - de eruptive fingeravtrykkene til flere vulkaner.

Denne observasjonen burde vært forvirrende: Vulkanisme krever en intern varmekilde, og Io, som de andre iskalde månene, burde ikke vært noe mer enn glør. Men noen måneder tidligere hadde et uavhengig team av forskere riktig spådd at Io kan være en hyperaktiv vulkansk verden.

De hadde basert sin spådom på orbital dans av Jupiters største måner. For hver fjerde bane som Io fullfører, gjør Europa to og Ganymedes en. Denne banekonfigurasjonen, kjent som en resonans, får Io til å vingle frem og tilbake, noe som gjør dens bane elliptisk. Når Io er nærmere Jupiter, trekker planetens tyngdekraft inn i den mer intenst. Når det er lenger unna, er Jupiters drag svakere. Den uendelige gravitasjonsdragkampen gjør den steinete overflaten til Io bevege deg opp og ned med 100 meter, samme høyde som en 30-etasjers bygning. Dette er tidevann, som jordens - bare i fast stein, ikke vann.

Disse tidevannet skaper friksjon i månen som genererer varme. Og den tidevannsoppvarmingen er sterk nok til å smelte steinen dypt inne i Io. "Io har ikke et vannhav, men det har sannsynligvis et magmahav," sa Nimmo. (Galileo fanget opp et sekundært magnetfelt der også, generert av en globalt underjordisk reservoar av smeltet stein.)

Europa opplever også noe tidevannsoppvarming. Men hvor mye tidevannet varmer et hav avhenger av hvor i månen de oppstår; med andre ord, nok av den varmen må til havet for å holde den flytende. "Tidvannsoppvarmingen kan skje i selve isskallet, eller det kan skje i den steinete kjernen under," sa Nimmo. Forskere vet ikke hva som er riktig - så de kan ikke si sikkert hvor mye tidevannsoppvarming bidrar til Europas flytende indre.

Enceladus er også strukket og klemt av sin gravitasjonstango med en nabomåne kalt Dione. I teorien kan dette produsere tidevann som varmer opp månens indre. Men tidevannet skapt av dens resonans med Dione, i det minste på papiret, ser ikke ut til å være tilstrekkelig til å forklare havet. Tallene fungerer ennå ikke, sa Sori, og mengden varme som produseres er ikke nok til å opprettholde et globalt hav i milliarder av år siden solsystemet ble født. Kanskje, som med Europa, vet ikke forskere helt hvor tidevannet skaper varme i Enceladus.

En annen forvirrende faktor er at baner ikke er fiksert over astronomisk tid. Etter hvert som planetsystemer utvikler seg, migrerer måner, og "tidevannsoppvarming kan slås av og på når ting driver inn og ut av forskjellige resonanser," sa David Rothery, en planetarisk vitenskapsmann ved Open University i Storbritannia. Forskere mistenker at dette skjedde med Miranda og Ariel, to uranske satellitter som kan være tidligere dansepartnere; disse månene ser ut som om de en gang var geologisk aktive, men er det nå antageligvis frossen til deres kjerne.

På samme måte har Enceladus kanskje ikke alltid hatt Dione som dansepartner: Kanskje deres Saturn-sirklende boogie startet nylig og varmet opp en tidligere solid måne. Men det scenariet er også vanskelig å forklare. "Det er lettere å holde et hav rundt og vedlikeholde det, i stedet for å fryse og smelte det om," sa Sori. Derfor, hvis tidevannsoppvarming er eksklusivt ansvarlig for Enceladus' hav, så er månen en veterandanser som har gått opp i flere milliarder år.

Foreløpig er den eneste sikkerheten om dette månens hav at det eksisterer. Hvordan det ble til, og hvordan det fortsatt er i dag, "er et av de virkelig store uløste spørsmålene," sa Sori. "Enceladus er vanskelig å finne ut."

Radioaktive overløpere 

Heldigvis avhenger ikke varmt, måneaktig interiør utelukkende av tidevann.

Halvparten av jordens indre varme kom fra fødselen. Resten kommer fra råtnende radioaktive grunnstoffer. Tilsvarende bør de steinrike dypene til iskalde måner inneholde en anstendig mengde uran, thorium og kalium - radioaktive lagre som kan koke omgivelsene sine i hundrevis av millioner, om ikke milliarder, år før de forfaller til stabile grunnstoffer og slutter å avgi varme .

Større måner vil ha startet med flere rikelig cacher av radioaktivt stoff. Og kanskje er det alt deres hav krever. "For større måner som Ganymede og Callisto og Titan, er de på en måte uunngåelige på grunn av denne radiogene faktoren," sa Vance. Noen forskere hevder til og med at Pluto har et hav under overflaten. I likhet med de tre månene er denne dvergplaneten sannsynligvis isolert av en tilstrekkelig tykk skorpe som bremser lekkasjen fra den radioaktive ovnen ut i verdensrommet.

Likevel inneholder ikke de relativt små hjertene i Lilliputian-måner som Enceladus nok radioaktivt materiale til å holde dem toasty i milliarder av år. En utilfredsstillende løsning på denne gåten er at kanskje Enceladus bare var heldig: Radioaktivitet kan forklare en tidlig del av dens oseaniske fortid, og dansen med Dione en nyere episode. Kanskje "vi er nå ved overgangen, hvor den radiogene [oppvarmingen] blir så lav at tidevannsoppvarmingen tar over," sa Postberg.

I så fall er kanskje Enceladus et mikrokosmos av universet: en serendipitøs kombinasjon av tidevannsoppvarming og radioaktivitet. Det ville bety at oseaniske måner kunne eksistere overalt - eller omvendt nesten ingen steder.

Ungdomshav

Alternativt, og kontroversielt, hevder noen forskere at Enceladus kan være bemerkelsesverdig ung.

Skjult i mengden av data samlet inn av romfartøyet Cassini er hint om at Saturn ikke ble født med sine ikoniske ringer. I stedet er mange forskere nå overbevist om det ringene dannet seg for bare noen hundre millioner år siden. Ny forskning som bruker superdatamaskiner for å simulere måne-på-måne-vold, antyder at Saturns ringer ble dannet da to eldgamle måner kolliderte rundt den tiden stegosaurene streifet rundt på jorden. Denne smashup strødde Saturns bane med legioner av isete skår; mens mange dannet ringene, slo andre opp eksisterende måner og opprettet nye. Og hvis ringene er unge, kan Enceladus og en håndfull andre måner også være unge.

"Det føles som om folk blir mer åpne for å vurdere at månene er unge," sa Jacob Kegerreis, en forsker ved NASAs Ames Research Center i Mountain View, California, og en medforfatter av den nylige ringdannelsesstudien.

I en vri som støtter denne ideen, viser det seg at forskerne ikke vet hvor gamle noen av Saturns måner er. "Enceladus kan bare være noen få hundre millioner eller titalls millioner år gammel," sa Rothery. I så fall kan varmen fra den vanvittige fødselen fortsatt holde dens unge hav flytende.

Men historien om unge måner er langt fra sikker - det store antallet kratere mange viser antyder at månene har vært rundt for å oppleve solsystemets flipperlignende pandemonium i mange evigheter. "Jeg tror, ​​i Saturn-systemet, skjedde noe merkelig for noen hundre millioner år siden," sa Nimmo. "Men min gjetning er at alle satellittene er 4.5 milliarder år gamle."

Satellitt-spåmenn

Ettersom Galileo- og Cassini-oppdragene for lengst er døde, setter forskere nå sitt håp til to romfartøyer: European Space Agencys Jupiter Icy Moons Explorer, som nylig ble lansert, og NASAs Europa Clipper, som ikke har gjort det. Begge vil ankomme Jupiter i begynnelsen av det neste tiåret.

Og det bringer oss tilbake til Europa, månen som først tvang en reimagining av den kosmiske konteksten der jordens hav eksisterer.

Et av målene for romfartøyet Clipper – som skal fly i oktober 2024 – er (med ordene til oppdragets målliste) for å "bekrefte" at Europas hav eksisterer. "Det var mange argumenter om det ordet," sa Nimmo. Clipper kunne finne noe annet enn et hav; det kan i stedet være et frossent hav fylt med lommer med smeltevann. Eller "det kan være et tynt lag med gull," spøkte Nimmo. "Jeg tror det er 99% sikkert at det er et hav der."

Forutsatt at Clipper bekrefter eksistensen av Europas hav, vil det komme i gang med å karakterisere månen og dens underjordiske hav. For å gjøre det, vil romfartøyet starte med å finne ut hvilke molekyler som er på månens overflate - og, hvis forskerne er heldige, i havet nedenfor. Når den flyr forbi månen, vil Clipper få i seg alt mikroskopisk støv, is eller vanndamp som strømmer fra månens overflate. Disse partiklene vil bli studert av dens overflatestøvanalysator instrument: Når korn treffer metallplaten, fordampes de og lades elektrisk, slik at instrumentet kan avsløre kornets kjemiske identitet.

Håpet er at skyer skånsomt lufter Europas hav ut i verdensrommet, noe som ville gjøre Clippers søken betydelig enklere. Slike tuter kan eksistere, men de vil ikke være som Enceladus; de kan være mer intermitterende og geografisk sporadiske. Eller de er kanskje ikke tilstede i det hele tatt - i så fall er håpet at mikrometeorittstøt kan flise bort ved det iskalde skallet, frigjøre supper av havet og sprøyte det mot Clipper.

Og det kan vise seg at når det gjelder å holde seg varm, er Europa og de andre månene avhengige av kjemiske triks som ikke er så fremmede som vi kunne forvente. Om vinteren "salter vi veiene for å senke smeltetemperaturen," sa Sori. Kanskje Europas hav er spesielt salt, noe som vil senke frysepunktet. Andre forbindelser ville imidlertid være mer effektive frostvæsker - "spesielt ammoniakk," sa Sori, som er mer rikelig lenger fra solens fordampende gjenskinn.

Tidevann, radioaktivitet, kjemi og ungdom: Disse ingrediensene, når de blandes på riktig måte, kan produsere - og opprettholde - hav på disse iskalde månene. "Med alle disse tingene tror jeg ikke det er enten/eller," sa Howett. Den spesifikke oppskriften for hver satellitt kan være forskjellig. Det kan være hundrevis av måter å lage en havfylt iskald måne på.

Oppdagelsen av Europas hemmelige hav "endret virkelig måten folk tenkte på måner," sa Kivelson. Og det satte vitenskapen på kurs for å avgjøre om fremmede livsformer kan befolke disse fremmede hav, og kanskje bringe til en oppdagelse som for alltid vil endre vår oppfatning av vår plass i universet.

Quanta gjennomfører en serie undersøkelser for å tjene publikum bedre. Ta vår fysikk leserundersøkelse og du vil bli registrert for å vinne gratis Quanta handelsvarer.