Oceanos gelados existem em luas distantes. Por que eles não estão congelados? | Revista Quanta

Durante a maior parte da existência da humanidade, a Terra foi o único mundo conhecido coberto de oceano, aparentemente diferente de qualquer outra ilha cósmica.

Mas em 1979, as duas espaçonaves Voyager da NASA passaram por Júpiter. A sua lua Europa, um reino congelado, estava decorada com sulcos e fraturas – indícios de que poderia haver algo dinâmico abaixo da sua superfície.

“Depois da Voyager, as pessoas suspeitaram que Europa era estranha e poderia ter um oceano”, disse Francisco Nimmo, um cientista planetário da Universidade da Califórnia, Santa Cruz.

Então, em 1996, a sonda Galileo da NASA passou por Europa e detectou um estranho campo magnético vindo de dentro. “Não entendíamos o que era”, disse Margaret Kivelson, um físico espacial da Universidade da Califórnia, em Los Angeles, responsável pelo magnetômetro da espaçonave. Eventualmente, ela e a sua equipa perceberam que um fluido eletricamente condutor — algo dentro da lua — estava em convulsão em resposta ao imenso campo magnético de Júpiter. “A única coisa que fazia algum sentido”, disse Kivelson, “era se houvesse uma camada de líquido derretido sob a superfície do gelo”.

Em 2004, a espaçonave Cassini da NASA chegou a Saturno. Quando observou a pequena lua de Saturno, Encélado, encontrou plumas geladas em erupção de vastos abismos no pólo sul da lua. E quando a Cassini voou através destas fontes, a evidência era inequívoca – tratava-se de um oceano salgado sangrando vigorosamente para o espaço.

Agora os oceanos da Terra não são mais únicos. Eles são simplesmente estranhos. Eles existem na superfície iluminada pelo sol do nosso planeta, enquanto os mares do sistema solar exterior estão escondidos sob o gelo e banhados pela escuridão. E estes oceanos líquidos subterrâneos parecem ser a regra para o nosso sistema solar, não a exceção. Além de Europa e Encélado, é quase certo que também existem outras luas com oceanos cobertos de gelo. Uma frota de naves espaciais irá explorá-los em detalhe durante a próxima década.

Tudo isto levanta um aparente paradoxo. Estas luas existem nas regiões geladas do nosso sistema solar há milhares de milhões de anos – tempo suficiente para que o calor residual da sua criação tenha escapado para o espaço há milhares de anos. Qualquer mar subterrâneo já deve ser gelo sólido. Então, como é que estas luas, que orbitam tão longe do calor do Sol, ainda hoje têm oceanos?

Evidências crescentes indicam que pode haver múltiplas maneiras de sustentar oceanos de água líquida ao longo de bilhões de anos. A decodificação dessas receitas poderia acelerar nossa busca para determinar o quão fácil, ou problemático, é para a vida surgir em todo o cosmos. Recentemente analisado dados de naves espaciais antigas, além de observações recentes da NASA Espaçonave Juno e os votos de Telescópio espacial James Webb, estão a aumentar a evidência crescente de que estes oceanos quentes contêm uma química benéfica para a biologia e que o interior do sistema solar não é o único lugar onde a vida poderia potencialmente chamar de lar.

Estas luas oceânicas também oferecem uma possibilidade maior. Oceanos temperados e potencialmente habitáveis ​​poderiam ser uma consequência inevitável da formação planetária. Pode não importar a que distância um planeta e as suas luas estão da fogueira nuclear da sua estrela. E se isso for verdade, então o número de paisagens que poderemos explorar na nossa busca por vida fora da Terra é quase ilimitado.

“Oceanos sob luas geladas parecem estranhos e improváveis”, disse Steven Vance, astrobiólogo e geofísico do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA.

E ainda assim, desafiadoramente, estes mares alienígenas permanecem líquidos.

Um oceano envolto em espelho

Os cientistas suspeitam que um punhado de luas que orbitam Júpiter e Saturno – e talvez até algumas que giram em torno de Urano e Netuno – abriguem oceanos. O robusto Ganimedes e Calisto, com cicatrizes de crateras, produzem sinais magnéticos fracos, semelhantes aos de Europa. A nebulosa Titã de Saturno também tem muito provavelmente um oceano subterrâneo de água líquida. Estes “são os cinco sobre os quais a maioria dos cientistas da comunidade se sente bastante confiante”, disse Mike Sori, um cientista planetário da Purdue University.

Até agora, a única certeza oceânica absoluta é Encélado. “Isso é óbvio”, disse Carly Howett, um cientista planetário da Universidade de Oxford.

Na década de 1980, alguns cientistas suspeitaram que Encélado tinha plumas; O anel E de Saturno era tão limpo e brilhante que alguma coisa — talvez de uma de suas luas — devia estar vazando para o espaço e atualizando-o constantemente. Depois que a Cassini finalmente testemunhou a magia de adornar o planeta em ação, os cientistas questionaram brevemente se as plumas polares sul da lua poderiam ser o trabalho da luz solar vaporizando o gelo na concha da lua - um pouco como o gelo seco fervendo quando aquecido, talvez pela luz solar.

“Durante algum tempo, houve esta discussão sobre a necessidade de haver um oceano”, disse Nimmo. “O que realmente acertou em cheio foi quando [a Cassini] voou através da pluma e encontraram sal – cloreto de sódio. Isso é um oceano.” Ainda havia uma chance de que essas plumas pudessem estar em erupção em um mar menor e mais isolado. Mas observações adicionais da Cassini revelaram que a concha de Encélado balança para a frente e para trás com tanta intensidade que deve estar separada do interior mais profundo da lua por um oceano global.

As plumas também bombeiam hidrogênio e quartzo, sinais de atividade de fontes hidrotermais em águas profundas, disse Frank Postberg, um cientista planetário da Universidade Livre de Berlim. Na Terra, essas fontes produzem o calor e a química necessários para alimentar os ecossistemas que existem fora do alcance da luz solar – comunidades de organismos que os cientistas outrora pensavam que não poderiam existir no nosso mundo fotossinteticamente dependente.

Mas o que poderia alimentar um sistema de ventilação forte o suficiente para aquecer um oceano inteiro? Outra lua – esta do tipo ígnea – forneceria essas pistas.

As marés eternas e infernais

Em junho de 1979, um mês antes do sobrevoo próximo da Europa pela Voyager 2, os cientistas anunciou que a Voyager 1 tinha vislumbrado plumas titânicas em forma de guarda-chuva ondulando no espaço acima de Io – as impressões digitais eruptivas de vários vulcões.

Esta observação deveria ter sido desconcertante: o vulcanismo requer uma fonte interna de calor e Io, tal como as outras luas geladas, não deveria ser nada mais do que brasas. Mas, alguns meses antes, uma equipe independente de cientistas havia corretamente previsto que Io pode ser um mundo vulcânico hiperativo.

Eles basearam sua previsão no dança orbital das maiores luas de Júpiter. Para cada quatro órbitas que Io completa, Europa faz duas e Ganimedes uma. Esta configuração orbital, conhecida como ressonância, faz com que Io oscile para frente e para trás, tornando sua órbita elíptica. Quando Io está mais perto de Júpiter, a gravidade do planeta o afeta com mais intensidade. Quando está mais longe, o puxão de Júpiter é mais fraco. Esse interminável cabo de guerra gravitacional torna a superfície rochosa de Io Mova para cima e para baixo por 100 metros, a mesma altura de um prédio de 30 andares. Estas são marés, como as da Terra – apenas em rocha sólida, não em água.

Essas marés criam atrito dentro da lua que gera calor. E esse aquecimento das marés é forte o suficiente para derreter a rocha nas profundezas de Io. “Io não tem um oceano de água, mas provavelmente tem um oceano de magma”, disse Nimmo. (Galileu captou ali também um campo magnético secundário, gerado por um reservatório subterrâneo global de rocha derretida.)

Europa também experimenta algum aquecimento das marés. Mas o quanto essas marés aquecem um oceano depende de onde ocorrem na lua; em outras palavras, quantidade suficiente desse calor precisa chegar ao oceano para mantê-lo líquido. “O aquecimento das marés pode estar acontecendo na própria camada de gelo ou no núcleo rochoso abaixo”, disse Nimmo. Os cientistas não sabem o que é correto – por isso não podem dizer com certeza quanto o aquecimento das marés contribui para o interior líquido de Europa.

Encélado também é esticado e espremido pelo seu tango gravitacional com uma lua vizinha chamada Dione. Em teoria, isto poderia produzir marés que aqueceriam o interior da lua. Mas as marés criadas pela sua ressonância com Dione, pelo menos no papel, não parecem ser suficientes para explicar o seu oceano. Os números ainda não funcionam, disse Sori, e a quantidade de calor produzida não é suficiente para manter um oceano global durante os milhares de milhões de anos desde o nascimento do sistema solar. Talvez, tal como aconteceu com Europa, os cientistas não saibam bem onde as marés estão a criar calor em Encélado.

Outro fator de confusão é que as órbitas não são fixas ao longo do tempo astronômico. À medida que os sistemas planetários evoluem, as luas migram e “o aquecimento das marés pode ligar e desligar à medida que as coisas entram e saem de diferentes ressonâncias”, disse David Rothery, um cientista planetário da Open University no Reino Unido. Os cientistas suspeitam que isto aconteceu com Miranda e Ariel, dois satélites uranianos que podem ser antigos parceiros de dança; essas luas parecem que já foram geologicamente ativas, mas agora estão indiscutivelmente congelado aos seus núcleos.

Na mesma linha, Encélado pode nem sempre ter tido Dione como sua parceira de dança: talvez a dança circulando por Saturno tenha começado mais recentemente e aquecido uma lua anteriormente sólida. Mas esse cenário também é difícil de explicar. “É mais fácil manter um oceano por perto e mantê-lo, em vez de congelá-lo e fundi-lo novamente”, disse Sori. Assim, se o aquecimento das marés é exclusivamente responsável pelo oceano de Encélado, então a Lua é uma dançarina veterana que já oscila há vários milhares de milhões de anos.

Por enquanto, a única certeza sobre o oceano desta lua é que ele existe. Como surgiu e como ainda existe hoje “é uma das grandes questões não resolvidas”, disse Sori. “Encélado é difícil de descobrir.”

Renegados Radioativos 

Felizmente, os interiores lunares quentes não dependem exclusivamente das marés.

Metade do calor interno da Terra veio do seu nascimento. O resto vem da decomposição de elementos radioativos. Da mesma forma, as profundezas rochosas das luas geladas deveriam conter uma quantidade razoável de urânio, tório e potássio – reservas radioativas que podem cozinhar o seu ambiente durante centenas de milhões, se não milhares de milhões, de anos antes de se decomporem em elementos estáveis ​​e pararem de libertar calor. .

Luas maiores terão começado com depósitos mais abundantes de matéria radioativa. E talvez isso seja tudo o que os seus oceanos exigem. “Para luas maiores como Ganimedes, Calisto e Titã, elas são inevitáveis ​​por causa deste fator radiogênico”, disse Vance. Alguns cientistas até argumentam que Plutão tem um oceano subterrâneo. Tal como as três luas, este planeta anão está provavelmente isolado por uma crosta suficientemente espessa que retarda a fuga da sua fornalha radioactiva para o espaço.

No entanto, os corações relativamente pequenos das luas liliputianas como Encélado não contêm matéria radioativa suficiente para mantê-los quentinhos durante milhares de milhões de anos. Uma solução insatisfatória para este enigma é que talvez Encélado tenha tido sorte: a radioactividade poderia explicar uma parte inicial do seu passado oceânico, e a sua dança com Dione um episódio mais recente. Talvez “estejamos agora no ponto de cruzamento, onde o [aquecimento] radiogênico fica tão baixo que o aquecimento das marés assume o controle”, disse Postberg.

Se assim for, talvez Encélado seja um microcosmo do universo: uma combinação fortuita de aquecimento das marés e radioatividade. Isso significaria que luas oceânicas poderiam existir em todos os lugares – ou, inversamente, em quase lugar nenhum.

Oceanos Juvenis

Alternativamente, e de forma controversa, alguns cientistas argumentam que Encélado poderia ser notavelmente jovem.

Escondidos nas pilhas de dados recolhidos pela sonda Cassini estão indícios de que Saturno não nasceu com os seus anéis icónicos. Em vez disso, muitos cientistas estão agora convencidos de que os anéis se formaram apenas algumas centenas de milhões de anos atrás. Uma nova pesquisa usando supercomputadores para simular a violência lua-a-lua sugere que os anéis de Saturno se formaram quando duas luas antigas colidiram na época em que os estegossauros vagavam pela Terra. Este choque encheu a órbita de Saturno com legiões de fragmentos de gelo; enquanto muitos formaram os anéis, outros destruíram luas existentes e criou novos. E se os anéis forem jovens, Encélado e algumas outras luas também poderão ser jovens.

“Parece que as pessoas estão se tornando mais abertas a considerar que as luas são jovens”, disse Jacob Kegerreis, cientista pesquisador do Ames Research Center da NASA em Mountain View, Califórnia, e coautor do recente estudo de formação de anéis.

Numa reviravolta que apoia esta ideia, acontece que os cientistas não sabem a idade de algumas das luas de Saturno. “Encélado pode ter apenas algumas centenas de milhões ou dezenas de milhões de anos”, disse Rothery. Se assim for, então o calor do seu nascimento frenético pode ainda estar a manter o seu jovem oceano líquido.

Mas a história das luas jovens está longe de ser certa - o grande número de crateras que muitas exibem sugere que as luas existem há muitas eras para experimentar o pandemônio semelhante ao pinball do sistema solar. “Acho que algo bizarro aconteceu no sistema de Saturno há algumas centenas de milhões de anos”, disse Nimmo. “Mas o meu palpite é que todos os satélites têm 4.5 mil milhões de anos.”

Adivinhos Satélites

Com as missões Galileo e Cassini mortas há muito tempo, os cientistas depositam agora as suas esperanças em duas naves espaciais: a Jupiter Icy Moons Explorer da Agência Espacial Europeia, que foi lançada recentemente, e a Europa Clipper da NASA, que não o foi. Ambos chegarão a Júpiter no início da próxima década.

E isso nos traz de volta a Europa, a lua que primeiro forçou uma reimaginação do contexto cósmico em que existem os mares da Terra.

Um dos objetivos da espaçonave Clipper — prevista para voar em outubro de 2024 — é (nas palavras de a lista de objetivos da missão) para “confirmar” que o oceano de Europa existe. “Houve muitas discussões sobre essa palavra”, disse Nimmo. Clipper poderia encontrar algo diferente de um oceano; em vez disso, pode haver um mar congelado cheio de bolsas de água derretida. Ou “pode ser uma fina camada de ouro”, brincou Nimmo. “Acho que há 99% de certeza de que existe um oceano lá.”

Supondo que o Clipper confirme a existência do oceano de Europa, ele começará a caracterizar a Lua e seu mar subterrâneo. Para fazer isso, a espaçonave começará por descobrir quais moléculas estão na superfície da Lua – e, se os cientistas tiverem sorte, no oceano abaixo. Ao voar pela lua, o Clipper ingerirá qualquer poeira microscópica, gelo ou vapor de água que flutua na superfície da lua. Essas partículas serão estudadas por seu analisador de poeira de superfície instrumento: À medida que os grãos atingem sua placa de metal, eles são vaporizados e carregados eletricamente, permitindo que o instrumento revele a identidade química do grão.

A esperança é que as plumas estejam a libertar suavemente o oceano de Europa para o espaço, o que tornaria a busca de Clipper consideravelmente mais fácil. Tais bicas podem existir, mas não serão como as de Encélado; eles podem ser mais intermitentes e geograficamente esporádicos. Ou podem nem estar presentes – nesse caso, a esperança é que os impactos dos micrometeoritos possam estar a destruir a concha gelada, libertando pedaços do oceano e espalhando-os em direção a Clipper.

E pode acontecer que, quando se trata de manter o calor, Europa e as outras luas dependam de truques químicos que não são tão estranhos como poderíamos esperar. No inverno, “salgamos as estradas para diminuir a temperatura de degelo”, disse Sori. Talvez o oceano de Europa seja especialmente salgado, o que diminuiria o ponto de congelamento. Outros compostos seriam anticongelantes mais eficazes – “amônia, em particular”, disse Sori, que é mais abundante longe do brilho vaporizador do sol.

Marés, radioatividade, química e juventude: estes ingredientes, quando misturados da forma correta, podem produzir – e sustentar – oceanos nestas luas geladas. “Com todas essas coisas, não acho que seja um ou outro”, disse Howett. A receita específica para cada satélite pode ser diferente. Poderia haver centenas de maneiras de fazer uma lua gelada cheia de oceano.

A descoberta do oceano secreto de Europa “realmente mudou a forma como as pessoas pensavam sobre as luas”, disse Kivelson. E colocou a ciência no caminho para determinar se formas de vida alienígenas poderiam povoar estes mares alienígenas, e talvez provocar uma descoberta que alterará para sempre a nossa concepção do nosso lugar no universo.

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