Oceanele înghețate există pe lunile îndepărtate. De ce nu sunt solide înghețate? | Revista Quanta

Pentru cea mai mare parte a existenței omenirii, Pământul a fost singura lume cunoscută acoperită de ocean, aparent diferită de orice altă insulă cosmică.

Dar în 1979, cele două nave spațiale Voyager ale NASA au zburat pe lângă Jupiter. Luna sa Europa, un tărâm înghețat, a fost decorată cu șanțuri și fracturi - indicii că ar putea exista ceva dinamic sub suprafața sa.

„După Voyager, oamenii au bănuit că Europa este ciudată și ar putea avea un ocean”, a spus Francis Nimmo, un om de știință planetar la Universitatea din California, Santa Cruz.

Apoi, în 1996, sonda spațială Galileo a NASA a trecut pe lângă Europa și a detectat un câmp magnetic ciudat venind din interior. „Nu am înțeles ce este”, a spus Margaret Kivelson, un fizician spațial de la Universitatea din California, Los Angeles, care era responsabil de magnetometrul navei spațiale. În cele din urmă, ea și echipa ei și-au dat seama că un fluid conductor de electricitate - ceva în interiorul lunii - convulsiona ca răspuns la câmpul magnetic imens al lui Jupiter. „Singurul lucru care avea sens”, a spus Kivelson, „a fost dacă sub suprafața gheții ar exista o înveliș de lichid topit.”

În 2004, sonda spațială Cassini a NASA a ajuns la Saturn. Când a observat luna mică a lui Saturn, Enceladus, a găsit coruscat pene înghețate izbucnind din abisurile vaste de la polul sudic al lunii. Și când Cassini a zburat prin aceste guri de scurgere, dovezile erau inconfundabile - acesta era un ocean sărat care sângera puternic în spațiu.

Acum oceanele Pământului nu mai sunt unice. Sunt doar ciudate. Ele există pe suprafața luminată de soare a planetei noastre, în timp ce mările sistemului solar exterior sunt ascunse sub gheață și scăldate în întuneric. Și aceste oceane lichide subterane par să fie regula pentru sistemul nostru solar, nu excepția. Pe lângă Europa și Enceladus, există aproape sigur și alte luni cu oceane acoperite de gheață. O flotă de nave spațiale le va explora în detaliu în următorul deceniu.

Toate acestea ridică un aparent paradox. Aceste luni au existat în zonele înghețate ale sistemului nostru solar de miliarde de ani - suficient de mult pentru ca căldura reziduală de la crearea lor să fi scăpat în spațiu în urmă cu eoni. Orice mări subterană ar trebui să fie gheață solidă până acum. Deci, cum pot aceste luni, care orbitează atât de mult dincolo de căldura soarelui, să aibă și astăzi oceane?

Dovezile tot mai mari indică faptul că pot exista mai multe moduri de a susține oceanele cu apă lichidă de-a lungul miliardelor de ani. Decodificarea acestor rețete ar putea accelera căutarea noastră de a determina cât de ușor sau supărător este ca viața să apară în cosmos. Proaspat analizat date de la vechea navă spațială, plus observații recente ale NASA Nava spațială Juno si Telescopul spațial James Webb, se adaugă la dovezile tot mai mari că aceste oceane calde conțin chimie benefică pentru biologie și că sistemul solar interior nu este singurul loc în care viața ar putea numi acasă.

Aceste luni oceanice oferă, de asemenea, o posibilitate mai mare. Oceanele temperate, potențial locuibile, ar putea fi o consecință inevitabilă a formării planetei. Poate că nu contează cât de departe sunt o planetă și lunile sale de focul nuclear al stelei lor. Și dacă acest lucru este adevărat, atunci numărul de peisaje pe care le-am putea explora în căutarea vieții dincolo de Pământ este aproape nelimitat.

„Oceanele sub luni înghețate par ciudate și improbabile”, a spus Steven Vance, astrobiolog și geofizician la Jet Propulsion Laboratory al NASA.

Și totuși, sfidător, aceste mări extraterestre rămân lichide.

Un ocean învelit în oglindă

Oamenii de știință bănuiesc că o mână de luni care orbitează în jurul lui Jupiter și Saturn – și poate chiar unele care se rotesc în jurul lui Uranus și Neptun – adăpostesc oceane. Ganymede puternic și Callisto cicatrici de crater produc semnale magnetice slabe, asemănătoare Europei. Titanul acoperit de ceață al lui Saturn, de asemenea, foarte probabil are un ocean subteran cu apă lichidă. Acestea „sunt cele cinci despre care majoritatea oamenilor de știință din comunitate se simt destul de încrezători”, a spus Mike Sori, un om de știință planetar la Universitatea Purdue.

Până acum, singura certitudine oceanică absolută este Enceladus. „Este o idee neînțeleasă”, a spus Carly Howett, un om de știință planetar la Universitatea din Oxford.

În anii 1980, unii oameni de știință bănuiau că Enceladus avea penaj; Inelul E al lui Saturn era atât de curat și strălucitor încât ceva - poate de la una dintre lunile sale - trebuie să se scurgă în spațiu și să-l împrospăteze constant. După ce Cassini a asistat în sfârșit la acțiunea magică a împodobirii planetei, oamenii de știință s-au întrebat pe scurt dacă penele polare de sud ale lunii ar putea fi lucrarea luminii solare care vaporizează gheața din învelișul lunii - un pic ca gheața uscată care fierbe când este încălzită, poate de lumina soarelui.

„Pentru o vreme, a existat această discuție despre dacă ar fi trebuit să existe un ocean”, a spus Nimmo. „Ceea ce a fost cu adevărat în cui a fost când [Cassini] a zburat prin penaj și au găsit sare - clorură de sodiu. Acesta este un ocean.” Încă mai exista șansa ca aceste penuri să poată erupe dintr-o mare mai mică, mai izolată. Dar observațiile ulterioare de la Cassini au dezvăluit că coaja lui Enceladus se balansează atât de acut înainte și înapoi încât trebuie separată de interiorul mai adânc al Lunii de un ocean global.

Penele pompează, de asemenea, hidrogen și cuarț, semne ale activității ventilației hidrotermale de adâncime, a spus Frank Postberg, un om de știință planetar la Universitatea Liberă din Berlin. Pe Pământ, astfel de orificii produc căldura și chimia necesare pentru a alimenta ecosistemele care există dincolo de lumina soarelui - comunități de organisme despre care oamenii de știință credeau cândva că nu ar putea exista în lumea noastră dependentă din punct de vedere fotosintetic.

Dar ce ar putea fi alimentarea unui sistem de ventilație suficient de puternic pentru a încălzi un întreg ocean? O altă lună - aceasta din varietatea de foc - ar oferi acele indicii.

Marea Eternă, Infernală

În iunie 1979, cu o lună înainte de zborul apropiat al Voyager 2 spre Europa, oamenii de știință a anunțat că Voyager 1 zărise niște penuri titane, în formă de umbrelă, care se ondulau în spațiu deasupra Io - amprentele digitale eruptive ale mai multor vulcani.

Această observație ar fi trebuit să fie uluitoare: vulcanismul necesită o sursă de căldură internă, iar Io, ca și celelalte luni de gheață, ar fi trebuit să fie nimic mai mult decât jar. Dar cu câteva luni mai devreme, o echipă independentă de oameni de știință a avut în mod corect a prezis că Io ar putea fi o lume vulcanică hiperactivă.

Și-au bazat predicția pe dans orbital dintre cele mai mari luni ale lui Jupiter. Pentru fiecare patru orbite pe care le finalizează Io, Europa face două, iar Ganimede una. Această configurație orbitală, cunoscută sub numele de rezonanță, face ca Io să se clătinească înainte și înapoi, făcându-și orbita eliptică. Când Io este mai aproape de Jupiter, gravitația planetei strânge de ea mai intens. Când este mai departe, remorcherul lui Jupiter este mai slab. Acea remorcheră gravitațională fără sfârșit face suprafața stâncoasă a Ioului deplasați-vă în sus și în jos cu 100 de metri, aceeași înălțime ca o clădire de 30 de etaje. Acestea sunt maree, ca cele ale Pământului - doar în rocă solidă, nu în apă.

Aceste maree creează frecare în interiorul lunii care generează căldură. Și acea încălzire prin maree este suficient de puternică pentru a topi roca adânc în Io. „Io nu are un ocean de apă, dar probabil are un ocean de magmă”, a spus Nimmo. (Galileo a captat și acolo un câmp magnetic secundar, generat de a rezervor subteran global de rocă topită.)

Europa se confruntă și cu o încălzire prin maree. Dar cât de mult încălzesc aceste maree un ocean depinde de locul în care apar în Lună; cu alte cuvinte, suficientă căldură trebuie să ajungă în ocean pentru a-l menține lichid. „Încălzirea mareelor ​​s-ar putea produce chiar în învelișul de gheață sau s-ar putea întâmpla în miezul stâncos de dedesubt”, a spus Nimmo. Oamenii de știință nu știu care este corect – așa că nu pot spune cu siguranță cât de mult contribuie încălzirea mareelor ​​la interiorul lichid al Europei.

De asemenea, Enceladus este întins și strâns de tango-ul său gravitațional cu o lună vecină numită Dione. În teorie, acest lucru ar putea produce maree care încălzesc interiorul lunii. Dar mareele create de rezonanța sa cu Dione, cel puțin pe hârtie, nu par a fi suficiente pentru a explica oceanul său. Cifrele nu funcționează încă, a spus Sori, iar cantitatea de căldură produsă nu este suficientă pentru a menține un ocean global pentru miliardele de ani de la nașterea sistemului solar. Poate, ca și în cazul Europei, oamenii de știință nu prea știu unde mareele creează căldură în Enceladus.

Un alt factor de confuzie este că orbitele nu sunt fixe în timpul astronomic. Pe măsură ce sistemele planetare evoluează, lunile migrează și „încălzirea mareelor ​​se poate porni și opri pe măsură ce lucrurile merg în derivă în și din diferite rezonanțe”, a spus. David Rothery, un om de știință planetar la Open University din Regatul Unit. Oamenii de știință bănuiesc că acest lucru sa întâmplat cu Miranda și Ariel, doi sateliți uranieni care ar putea fi foști parteneri de dans; aceste luni arată ca și cum ar fi fost cândva active din punct de vedere geologic, dar sunt acum discutabil congelate până la miezul lor.

Într-o ordine similară, Enceladus s-ar putea să nu fi avut întotdeauna pe Dione ca partener de dans: poate că boogie-ul lor în jurul Saturn a început mai recent și a încălzit o lună anterior solidă. Dar acest scenariu este și greu de explicat. „Este mai ușor să păstrezi un ocean în jur și să-l întreții, decât să îngheți și să-l retopești”, a spus Sori. Astfel, dacă încălzirea mareelor ​​este în exclusivitate responsabilă pentru oceanul lui Enceladus, atunci luna este un dansator veteran care a scăpat de câteva miliarde de ani.

Deocamdată, singura certitudine despre oceanul acestei luni este că există. Cum a apărut și cum există și astăzi, „este una dintre întrebările cu adevărat nerezolvate”, a spus Sori. „Enceladus este greu de înțeles.”

Renegații radioactivi 

Din fericire, interioarele calde și lunare nu depind exclusiv de maree.

Jumătate din căldura internă a Pământului a venit de la nașterea sa. Restul provine din elementele radioactive în descompunere. În mod similar, adâncimile bogate în roci ale lunilor înghețate ar trebui să conțină o cantitate decentă de uraniu, toriu și potasiu - depozite radioactive care pot găti mediul înconjurător timp de sute de milioane, dacă nu miliarde, de ani înainte ca acestea să se descompună în elemente stabile și să nu mai elibereze căldură. .

Lunii mai mari vor fi început cu depozite mai bogate de materie radioactivă. Și poate că asta este tot ce au nevoie oceanele lor. „Pentru lunile mai mari precum Ganymede și Callisto și Titan, ele sunt oarecum inevitabile din cauza acestui factor radiogenic”, a spus Vance. Unii oameni de știință susțin chiar că Pluto are un ocean subteran. La fel ca cele trei luni, această planetă pitică este probabil izolată de o crustă suficient de groasă care încetinește scurgerea cuptorului său radioactiv în spațiu.

Cu toate acestea, inimile relativ mici din lunile Liliputiene, cum ar fi Enceladus, nu conțin suficientă materie radioactivă pentru a le menține proaspete de miliarde de ani. O soluție nesatisfăcătoare a acestei enigma este că poate Enceladus tocmai a avut noroc: radioactivitatea ar putea explica o parte timpurie a trecutului său oceanic, iar dansul său cu Dione un episod mai recent. Poate că „acum suntem în punctul de trecere, unde [încălzirea] radiogenică devine atât de scăzută încât încălzirea mareelor ​​preia controlul”, a spus Postberg.

Dacă da, poate că Enceladus este un microcosmos al universului: o combinație întâmplătoare de încălzire prin maree și radioactivitate. Asta ar însemna că lunile oceanice ar putea exista peste tot - sau, dimpotrivă, aproape nicăieri.

Oceane Tinerete

Alternativ, și în mod controversat, unii oameni de știință susțin că Enceladus ar putea fi remarcabil de tânăr.

Ascunzându-se în multitudinea de date adunate de nava Cassini, există indicii că Saturn nu s-a născut cu inelele sale iconice. În schimb, mulți oameni de știință sunt acum convinși că inelele formate cu doar câteva sute de milioane de ani în urmă. Noile cercetări care utilizează supercomputere pentru a simula violența lună pe lună sugerează că inelele lui Saturn s-au format atunci când două luni antice s-au ciocnit în jurul timpului în care stegosaurii au cutreierat Pământul. Această spargere a presărat orbita lui Saturn cu legiuni de cioburi de gheață; în timp ce mulți au format inelele, alții au spart lunile existente și au creat altele noi. Și dacă inelele sunt tinere, Enceladus și o mână de alte luni ar putea fi și ei tineri.

„Se pare că oamenii devin din ce în ce mai deschiși să considere că lunile sunt tinere”, a spus Jacob Kegerreis, cercetător la Centrul de Cercetare Ames al NASA din Mountain View, California, și co-autor al studiului recent de formare a inelului.

Într-o întorsătură care susține această idee, se dovedește că oamenii de știință nu știu câți ani au unele dintre lunile lui Saturn. „Enceladus ar putea avea doar câteva sute de milioane sau zeci de milioane de ani”, a spus Rothery. Dacă da, atunci căldura de la nașterea lui frenetică ar putea să-și păstreze în continuare lichidul oceanic tânăr.

Dar povestea lunilor tinere este departe de a fi sigură – numărul mare de cratere pe care mulți le prezintă sugerează că lunile au existat pentru a experimenta pandemoniul asemănător cu pinball al sistemului solar de mulți eoni. „Cred că, în sistemul Saturn, ceva bizar sa întâmplat cu câteva sute de milioane de ani în urmă”, a spus Nimmo. „Dar presupunerea mea este că toți sateliții au o vechime de 4.5 miliarde de ani.”

Ghicitori prin satelit

Cu misiunile Galileo și Cassini moarte de mult, oamenii de știință își pun acum speranțele în două nave spațiale: Jupiter Icy Moons Explorer al Agenției Spațiale Europene, care a fost lansat recent, și Europa Clipper de la NASA, care nu a făcut-o. Ambele vor ajunge pe Jupiter la începutul următorului deceniu.

Și asta ne aduce înapoi la Europa, luna care a forțat pentru prima dată o reimaginare a contextului cosmic în care există mările Pământului.

Unul dintre obiectivele navei spațiale Clipper — programată să zboare în octombrie 2024 — este (în cuvintele lui lista obiectivelor misiunii) pentru a „confirma” că oceanul Europei există. „Au fost o mulțime de argumente în legătură cu acest cuvânt”, a spus Nimmo. Clipper putea găsi altceva decât un ocean; poate fi în schimb o mare înghețată plină cu buzunare de apă topită. Sau „ar putea fi un strat subțire de aur”, a glumit Nimmo. „Cred că sunt 99% sigur că există un ocean acolo.”

Presupunând că Clipper confirmă existența oceanului Europei, se va pune la treabă caracterizând luna și marea ei subterană. Pentru a face acest lucru, nava spațială va începe prin a afla care molecule se află pe suprafața Lunii și, dacă oamenii de știință au noroc, în oceanul de dedesubt. În timp ce zboară pe lângă Lună, Clipper va ingera orice praf microscopic, gheață sau vapori de apă care se iau de pe suprafața lunii. Aceste particule vor fi studiate de el analizor de praf de suprafață instrument: pe măsură ce boabele lovesc placa de metal, ele sunt vaporizate și încărcate electric, permițând instrumentului să dezvăluie identitatea chimică a boabelor.

Speranța este că penajele aerisesc ușor oceanul Europei în spațiu, ceea ce ar face căutarea lui Clipper considerabil mai ușoară. Asemenea guri de scurgere pot exista, dar nu vor fi ca cele ale lui Enceladus; pot fi mai intermitente și sporadice din punct de vedere geografic. Sau s-ar putea să nu fie prezenți deloc – caz în care, speranța este că impactul micrometeoriților ar putea strica coaja de gheață, eliberând bucăți de ocean și împroșcând-o către Clipper.

Și s-ar putea dovedi că atunci când vine vorba de a rămâne cald, Europa și celelalte luni se bazează pe trucuri chimice care nu sunt atât de străine pe cât ne-am putea aștepta. Iarna, „sărăm drumurile pentru a scădea temperatura de topire”, a spus Sori. Poate că oceanul Europei este deosebit de sărat, ceea ce ar scădea punctul de îngheț. Alți compuși ar fi, totuși, antigelul mai eficient - „amoniac, în special”, a spus Sori, care este mai abundent mai departe de strălucirea vaporizatoare a soarelui.

Marea, radioactivitate, chimie și tinerețe: Aceste ingrediente, atunci când sunt amestecate în mod corect, pot produce – și susține – oceane pe aceste luni înghețate. „Cu toate aceste lucruri, nu cred că este nici/sau”, a spus Howett. Rețeta specifică pentru fiecare satelit poate fi diferită. Ar putea exista sute de moduri de a face o lună de gheață plină de ocean.

Descoperirea oceanului secret al Europei „a schimbat într-adevăr modul în care oamenii gândeau despre luni”, a spus Kivelson. Și a pus știința pe un curs pentru a determina dacă formele de viață extraterestre ar putea popula aceste mări extraterestre și poate aduce o descoperire care va schimba pentru totdeauna concepția noastră despre locul nostru în univers.

Cuante efectuează o serie de sondaje pentru a servi mai bine publicul nostru. Ia-ne sondaj cititor de fizică și vei fi înscris pentru a câștiga gratuit Cuante mărfuri.