Lodowe oceany istnieją na odległych księżycach. Dlaczego nie są zamrożone w postaci stałej? | Magazyn Quanta

Przez większą część istnienia ludzkości Ziemia była jedynym znanym światem pokrytym oceanami, pozornie niepodobnym do żadnej innej kosmicznej wyspy.

Jednak w 1979 roku dwie sondy kosmiczne NASA Voyager przeleciały obok Jowisza. Jej księżycowa Europa, zamarznięta kraina, była ozdobiona rowkami i pęknięciami – co wskazuje, że pod jej powierzchnią może znajdować się coś dynamicznego.

„Po Voyagerze ludzie podejrzewali, że Europa jest dziwna i może mieć ocean” – powiedział Franciszek Nimmo, planetolog z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz.

Następnie, w 1996 roku, należąca do NASA sonda kosmiczna Galileo przeleciała obok Europy i wykryła dziwne pole magnetyczne pochodzące z jej wnętrza. „Nie rozumieliśmy, co to było” – powiedział Małgorzata Kivelson, fizyk kosmiczny z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles, który był odpowiedzialny za magnetometr statku kosmicznego. W końcu ona i jej zespół zdały sobie sprawę, że elektrycznie przewodzący płyn – coś wewnątrz Księżyca – drga w odpowiedzi na ogromne pole magnetyczne Jowisza. „Jedyne, co miało sens” – powiedział Kivelson – „było to, że pod powierzchnią lodu znajdowała się skorupa stopionego płynu”.

W 2004 roku należąca do NASA sonda Cassini dotarła do Saturna. Kiedy obserwował mały księżyc Saturna Enceladus, stwierdził, że kruszy się lodowe pióropusze wybucha z rozległych otchłani na południowym biegunie Księżyca. A kiedy Cassini przeleciała przez te rynny, dowody były jednoznaczne – był to słony ocean energicznie wypływający w przestrzeń kosmiczną.

Teraz oceany Ziemi nie są już wyjątkowe. Są po prostu dziwni. Występują na nasłonecznionej powierzchni naszej planety, podczas gdy morza zewnętrznego Układu Słonecznego są ukryte pod lodem i skąpane w ciemności. A te podziemne ciekłe oceany wydają się być regułą w naszym Układzie Słonecznym, a nie wyjątkiem. Oprócz Europy i Enceladusa prawie na pewno istnieją również inne księżyce z oceanami pokrytymi lodem. Flota statków kosmicznych będzie je szczegółowo badać w ciągu następnej dekady.

Wszystko to rodzi pozorny paradoks. Księżyce te istnieją w mroźnych obszarach naszego Układu Słonecznego od miliardów lat – wystarczająco długo, aby ciepło resztkowe powstałe podczas ich powstania uciekło w przestrzeń kosmiczną eony temu. Wszelkie morza podpowierzchniowe powinny już być stałym lodem. Jak więc te księżyce, krążące tak daleko od ciepła Słońca, mogą nadal mieć oceany?

Coraz więcej dowodów wskazuje, że może istnieć wiele sposobów na utrzymanie oceanów w stanie ciekłym przez miliardy lat. Odkodowanie tych przepisów mogłoby przyspieszyć nasze poszukiwania ustalenia, jak łatwe lub kłopotliwe jest pojawienie się życia w całym kosmosie. Świeżo analizowane dane ze starego statku kosmicznegooraz najnowsze obserwacje NASA Statek kosmiczny Juno oraz Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba, stanowią coraz więcej dowodów na to, że te ciepłe oceany zawierają chemię korzystną dla biologii i że wewnętrzny Układ Słoneczny nie jest jedynym miejscem, które życie może potencjalnie nazwać domem.

Te oceaniczne księżyce oferują również większe możliwości. Umiarkowane, potencjalnie nadające się do zamieszkania oceany mogą być nieuniknioną konsekwencją powstawania planet. Może nie mieć znaczenia, jak daleko planeta i jej księżyce znajdują się od nuklearnego ogniska ich gwiazdy. A jeśli to prawda, liczba krajobrazów, które możemy zbadać w poszukiwaniu życia poza Ziemią, jest prawie nieograniczona.

„Oceany pod lodowymi księżycami wydają się dziwne i nieprawdopodobne” – powiedział Stevena Vance'a, astrobiolog i geofizyk w Laboratorium Napędów Odrzutowych NASA.

A jednak, wbrew pozorom, te obce morza pozostają płynne.

Ocean owinięty w lustro

Naukowcy podejrzewają, że kilka księżyców krążących wokół Jowisza i Saturna – a może nawet niektóre krążące wokół Urana i Neptuna – stanowią schronienie dla oceanów. Potężny Ganimedes i pokryta kraterami Kallisto wytwarzają słabe sygnały magnetyczne przypominające Europę. Na pokrytym mgłą Tytanie Saturna najprawdopodobniej znajduje się pod powierzchnią ocean w stanie ciekłym. „To pięć, co do których większość naukowców w społeczności czuje się całkiem pewnie” – stwierdził Mike Sori, planetolog z Purdue University.

Póki co jedyną absolutną oceaniczną pewnością jest Enceladus. „To oczywiste” – powiedział Carly Howett, planetolog z Uniwersytetu Oksfordzkiego.

W latach 1980. niektórzy naukowcy podejrzewali, że Enceladus ma pióropusze; Pierścień E Saturna był tak czysty i błyszczący, że coś – być może z jednego z jego księżyców – musiało wyciekać w przestrzeń kosmiczną i stale ją odświeżać. Po tym, jak Cassini w końcu była świadkiem działania magii ozdabiającej planety, naukowcy na krótko zadali sobie pytanie, czy pióropusze księżyca na biegunie południowym mogą być dziełem światła słonecznego odparowującego lód w powłoce księżyca – trochę jak suchy lód wrzący po podgrzaniu, być może przez światło słoneczne.

„Przez jakiś czas toczył się spór o to, czy ocean w ogóle powinien istnieć” – powiedział Nimmo. „To, co naprawdę się udało, to moment, w którym [Cassini] przeleciał przez pióropusz i znalazł sól – chlorek sodu. To ocean.” Nadal istniała szansa, że ​​te pióropusze mogą wybuchać z mniejszego, bardziej odizolowanego morza. Jednak dalsze obserwacje Cassini ujawniły, że skorupa Enceladusa kołysze się w przód i w tył tak gwałtownie, że musi być oddzielona od głębszego wnętrza Księżyca globalnym oceanem.

Pióropusze wydzielają także wodór i kwarc, co jest oznaką aktywności głębinowych kominów hydrotermalnych Franka Postberga, planetolog z Wolnego Uniwersytetu w Berlinie. Na Ziemi takie otwory wentylacyjne wytwarzają ciepło i chemię potrzebną do zasilania ekosystemów istniejących poza zasięgiem światła słonecznego — społeczności organizmów, o których naukowcy kiedyś myśleli, że nie mogą istnieć w naszym świecie zależnym od fotosyntezy.

Ale co może zasilać system wentylacyjny wystarczająco mocny, aby ogrzać cały ocean? Inny księżyc – ten ognisty – dostarczy tych wskazówek.

Wieczne, piekielne przypływy

Naukowcy odkryli, że w czerwcu 1979 r., na miesiąc przed bliskim przelotem sondy Voyager 2 w pobliżu Europy ogłosił że Voyager 1 dostrzegł gigantyczne pióropusze w kształcie parasola unoszące się w przestrzeń kosmiczną nad Io – odciski palców kilku wulkanów.

Ta obserwacja powinna być zaskakująca: wulkanizm wymaga wewnętrznego źródła ciepła, a Io, podobnie jak inne lodowe księżyce, nie powinien być niczym innym jak żarem. Jednak kilka miesięcy wcześniej niezależny zespół naukowców miał rację Przewiduje że Io może być nadpobudliwym światem wulkanicznym.

Swoje przewidywania oparli na taniec orbitalny największych księżyców Jowisza. Na każde cztery orbity, które wykonuje Io, Europa wykonuje dwa, a Ganimedes jedno. Ta konfiguracja orbity, znana jako rezonans, powoduje, że Io kołysze się w przód i w tył, czyniąc jego orbitę eliptyczną. Kiedy Io znajduje się bliżej Jowisza, grawitacja planety przyciąga go bardziej intensywnie. Kiedy jest dalej, przyciąganie Jowisza jest słabsze. To niekończące się przeciąganie grawitacyjne sprawia, że ​​skalista powierzchnia Io rusz się w górę i w dół o 100 metrów, czyli na taką samą wysokość jak 30-piętrowy budynek. Są to pływy, takie jak na Ziemi – tylko w litej skale, a nie w wodzie.

Pływy te powodują tarcie na Księżycu, które generuje ciepło. A to ogrzewanie pływowe jest wystarczająco silne, aby stopić skałę głęboko w Io. „Io nie ma oceanu wody, ale prawdopodobnie ma ocean magmy” – powiedział Nimmo. (Galileo również wykrył tam wtórne pole magnetyczne, generowane przez a globalny podziemny zbiornik stopionej skały.)

Europa również doświadcza pewnego ogrzewania pływowego. Ale stopień ocieplenia oceanu przez te pływy zależy od tego, gdzie na Księżycu występują; innymi słowy, wystarczająca ilość tego ciepła musi dotrzeć do oceanu, aby zachować jego płynność. „Ogrzewanie pływowe może zachodzić w samej skorupie lodowej lub w skalistym jądrze pod spodem” – powiedział Nimmo. Naukowcy nie wiedzą, która z nich jest poprawna, więc nie mogą z całą pewnością stwierdzić, w jakim stopniu ogrzewanie pływowe wpływa na ciekłe wnętrze Europy.

Enceladus również jest rozciągany i ściskany przez grawitacyjne tango z sąsiednim księżycem zwanym Dione. Teoretycznie może to powodować pływy, które ogrzewają wnętrze Księżyca. Jednak pływy powstałe w wyniku rezonansu z Dione, przynajmniej na papierze, nie wydają się wystarczające do wyjaśnienia istnienia oceanu. Liczby jeszcze nie działają, stwierdziła Sori, a ilość wytworzonego ciepła nie wystarczy, aby utrzymać globalny ocean przez miliardy lat od narodzin Układu Słonecznego. Być może, podobnie jak w przypadku Europy, naukowcy nie do końca wiedzą, gdzie pływy wytwarzają ciepło w Enceladusie.

Innym czynnikiem zakłócającym jest to, że orbity nie są stałe w czasie astronomicznym. W miarę ewolucji układów planetarnych migrują księżyce, a „ogrzewanie pływowe może włączać się i wyłączać, gdy obiekty wchodzą i wychodzą z różnych rezonansów” – powiedział Davida Rothery’ego, planetolog z Open University w Wielkiej Brytanii. Naukowcy podejrzewają, że stało się to w przypadku Mirandy i Ariel, dwóch satelitów Urana, które mogły być byłymi partnerami w tańcu; księżyce te wyglądają, jakby były kiedyś aktywne geologicznie, a teraz są aktywne prawdopodobnie zamrożone do ich rdzeni.

Podobnie Enceladus nie zawsze miał Dione jako partnera do tańca: być może ich boogie krążące wokół Saturna rozpoczęło się niedawno i ogrzało wcześniej pełnię księżyca. Ale ten scenariusz jest również trudny do wyjaśnienia. „Łatwiej jest utrzymać ocean i konserwować go, niż zamrażać i przetapiać” – stwierdziła Sori. Zatem jeśli za ocean Enceladusa odpowiedzialne są wyłącznie ogrzewanie pływowe, to Księżyc jest tancerzem-weteranem, który podskakuje od kilku miliardów lat.

Na razie jedyną pewnością co do oceanu tego księżyca jest to, że on istnieje. Jak do tego doszło i jak istnieje do dziś, „jest jednym z naprawdę największych nierozwiązanych pytań” – powiedziała Sori. „Enceladusa trudno rozgryźć.”

Radioaktywni renegaci 

Na szczęście ciepłe, księżycowe wnętrza nie są zależne wyłącznie od pływów.

Połowa wewnętrznego ciepła Ziemi pochodziła z chwili jej narodzin. Reszta pochodzi z rozpadających się pierwiastków promieniotwórczych. Podobnie bogate w skały głębiny lodowych księżyców powinny zawierać przyzwoitą ilość uranu, toru i potasu – radioaktywnych magazynów, które mogą gotować otoczenie przez setki milionów, jeśli nie miliardy lat, zanim rozpadną się na stabilne pierwiastki i przestaną wydzielać ciepło .

Większe księżyce zaczną od bardziej obfitych zbiorników materii radioaktywnej. Być może to wszystko, czego potrzebują ich oceany. „W przypadku większych księżyców, takich jak Ganimedes, Kallisto i Tytan, są one w pewnym sensie nieuniknione ze względu na czynnik radiogenny” – powiedział Vance. Niektórzy naukowcy twierdzą nawet, że Pluton ma podpowierzchniowy ocean. Podobnie jak trzy księżyce, ta planeta karłowata jest prawdopodobnie izolowana przez wystarczająco grubą skorupę, która spowalnia wyciek jej radioaktywnego pieca w przestrzeń kosmiczną.

Jednak stosunkowo małe serca księżyców Liliputów, takich jak Enceladus, nie zawierają wystarczającej ilości materii radioaktywnej, aby utrzymać je w cieple przez miliardy lat. Jednym z niezadowalających rozwiązań tej zagadki jest to, że być może Enceladusowi po prostu się poszczęściło: radioaktywność może wyjaśnić wczesną część jego oceanicznej przeszłości, a jego taniec z Dione – nowszym epizodem. Być może „jesteśmy teraz w punkcie przejścia, gdzie [ogrzewanie] radiogeniczne spada tak nisko, że przejmuje je ogrzewanie pływowe” – powiedział Postberg.

Jeśli tak, być może Enceladus jest mikrokosmosem wszechświata: nieoczekiwanym połączeniem ogrzewania pływowego i radioaktywności. Oznaczałoby to, że księżyce oceaniczne mogą istnieć wszędzie – lub odwrotnie, prawie nigdzie.

Młode oceany

Alternatywnie, choć kontrowersyjnie, niektórzy naukowcy twierdzą, że Enceladus może być niezwykle młody.

W stosach danych zebranych przez sondę Cassini ukryte są wskazówki, że Saturn nie narodził się ze swoimi ikonicznymi pierścieniami. Zamiast tego wielu naukowców jest obecnie o tym przekonanych powstały pierścienie zaledwie kilkaset milionów lat temu. Nowe badania wykorzystujące superkomputery do symulacji przemocy między Księżycami sugerują, że pierścienie Saturna powstały w wyniku zderzenia dwóch starożytnych księżyców mniej więcej w czasie, gdy stegozaury przemierzały Ziemię. To zderzenie zaśmieciło orbitę Saturna legionami lodowych odłamków; podczas gdy wielu utworzyło pierścienie, inni rozbili istniejące księżyce i stworzył nowe. A jeśli pierścienie są młode, Enceladus i kilka innych księżyców również mogą być młode.

„Wydaje się, że ludzie stają się coraz bardziej otwarci na uznanie, że księżyce są młode” – mówi Jakuba Kegerreisa, naukowiec w Centrum Badawczym Ames NASA w Mountain View w Kalifornii i współautor niedawnego badania nad formowaniem się pierścieni.

Co potwierdza tę tezę, okazuje się, że naukowcy nie wiedzą, ile lat mają niektóre księżyce Saturna. „Enceladus może mieć zaledwie kilkaset milionów lub dziesiątki milionów lat” – powiedział Rothery. Jeśli tak, to ciepło wywołane szalonymi narodzinami może nadal utrzymywać młody ocean w stanie ciekłym.

Jednak historia młodych księżyców nie jest pewna — sama liczba kraterów, które wiele z nich pokazuje, sugeruje, że księżyce były w pobliżu i doświadczały pandemonium przypominającego flippery w Układzie Słonecznym przez wiele eonów. „Myślę, że w układzie Saturna kilkaset milionów lat temu wydarzyło się coś dziwnego” – powiedział Nimmo. „Ale przypuszczam, że wszystkie satelity mają 4.5 miliarda lat”.

Wróżbici satelitarni

Ponieważ misje Galileo i Cassini już dawno dobiegły końca, naukowcy pokładają obecnie nadzieje w dwóch statkach kosmicznych: należącym do Europejskiej Agencji Kosmicznej Jupiter Icy Moons Explorer, który niedawno został wystrzelony, oraz należącym do NASA Europa Clipper, który jeszcze tego nie zrobił. Obie dotrą do Jowisza na początku następnej dekady.

To prowadzi nas z powrotem do Europy, księżyca, który jako pierwszy wymusił ponowne przemyślenie kosmicznego kontekstu, w którym istnieją ziemskie morza.

Jednym z celów statku kosmicznego Clipper – którego lot ma nastąpić w październiku 2024 r. – jest (według słów listę celów misji), aby „potwierdzić” istnienie oceanu Europy. „Było wiele dyskusji na temat tego słowa” – powiedział Nimmo. Clipper mógłby znaleźć coś innego niż ocean; zamiast tego może istnieć zamarznięte morze wypełnione kieszeniami wody roztopowej. Lub „może to być cienka warstwa złota” – zażartował Nimmo. „Myślę, że na 99% jest tam ocean”.

Zakładając, że Clipper potwierdzi istnienie oceanu Europy, przystąpi do scharakteryzowania Księżyca i jego podpowierzchniowego morza. Aby tego dokonać, statek kosmiczny zacznie od ustalenia, które cząsteczki znajdują się na powierzchni Księżyca, a jeśli naukowcom dopisze szczęście, w oceanie poniżej. Przelatując obok Księżyca, Clipper połknie mikroskopijny pył, lód lub parę wodną unoszące się z powierzchni Księżyca. Cząsteczki te będą badane przez jego analizator pyłu powierzchniowego instrument: gdy ziarna uderzają w metalową płytkę, zostają odparowane i naładowane elektrycznie, umożliwiając instrumentowi ujawnienie chemicznej tożsamości ziarna.

Mamy nadzieję, że pióropusze delikatnie wypuszczają ocean Europy w przestrzeń kosmiczną, co znacznie ułatwi wyprawę Clippera. Takie dziobki mogą istnieć, ale nie będą takie jak te na Enceladusie; mogą mieć charakter bardziej sporadyczny i geograficzny. Lub może ich w ogóle nie być – w takim przypadku istnieje nadzieja, że ​​uderzenia mikrometeorytów mogą rozbijać lodową skorupę, uwalniając zupy oceaniczne i rozpryskując je w stronę Clippera.

Może się okazać, że jeśli chodzi o utrzymanie ciepła, Europa i inne księżyce polegają na sztuczkach chemicznych, które nie są tak obce, jak moglibyśmy się spodziewać. Zimą „solimy drogi, aby obniżyć temperaturę topnienia” – powiedziała Sori. Być może ocean Europy jest szczególnie słony, co obniża temperaturę zamarzania. Jednak inne związki byłyby skuteczniejszym środkiem przeciw zamarzaniu – „w szczególności amoniak” – stwierdziła Sori, którego jest więcej w miejscach oddalonych od parującego blasku słońca.

Pływy, radioaktywność, chemia i młodość: te składniki, jeśli zostaną odpowiednio zmieszane, mogą wytworzyć i utrzymać oceany na tych lodowych księżycach. „Biorąc pod uwagę te wszystkie rzeczy, nie sądzę, że jest to albo-albo” – powiedział Howett. Konkretny przepis dla każdego satelity może być inny. Istnieją setki sposobów na utworzenie lodowego księżyca wypełnionego oceanem.

Odkrycie tajemniczego oceanu Europy „naprawdę zmieniło sposób, w jaki ludzie myślą o księżycach” – powiedział Kivelson. Skierowało to naukę na kurs mający na celu ustalenie, czy obce formy życia mogą zasiedlić te obce morza i być może doprowadzić do odkrycia, które na zawsze zmieni naszą koncepcję naszego miejsca we wszechświecie.

Quanta przeprowadza serię ankiet, aby lepiej służyć naszym odbiorcom. Weź nasze ankieta dla czytelników fizyki i zostaniesz wpisany, aby wygrać za darmo Quanta towar.