Ледяные океаны существуют на далеких лунах. Почему они не заморожены? | Журнал Кванта

На протяжении большей части существования человечества Земля была единственным известным миром, окруженным океаном, который, казалось бы, не похож ни на один другой космический остров.

Но в 1979 году два космических корабля НАСА «Вояджер» пролетели мимо Юпитера. Его спутник Европа, замороженное царство, была украшена бороздками и трещинами — намеки на то, что под ее поверхностью может быть что-то динамичное.

«После «Вояджера» люди подозревали, что Европа странная штука и что у нее может быть океан», — сказал он. Фрэнсис Ниммо, планетолог из Калифорнийского университета в Санта-Крус.

Затем, в 1996 году, космический корабль НАСА «Галилео» пролетел мимо Европы и обнаружил странное магнитное поле, исходящее изнутри. «Мы не поняли, что это такое», — сказал Маргарет Кивельсон, космический физик из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, отвечавший за магнитометр космического корабля. В конце концов она и ее команда поняли, что электропроводящая жидкость — что-то внутри Луны — трясется в конвульсиях в ответ на огромное магнитное поле Юпитера. «Единственное, что имело какой-то смысл, — сказал Кивельсон, — это если бы под поверхностью льда существовала оболочка талой жидкости».

В 2004 году космический корабль НАСА Кассини прибыл к Сатурну. Когда он наблюдал за маленьким спутником Сатурна Энцеладом, он обнаружил сияющий ледяные шлейфы извергающийся из огромных расщелин на южном полюсе Луны. И когда «Кассини» пролетел через эти струи, доказательства были безошибочными — это был соленый океан, энергично истекающий в космос.

Теперь океаны Земли больше не уникальны. Они просто странные. Они существуют на освещенной солнцем поверхности нашей планеты, в то время как моря внешней Солнечной системы спрятаны подо льдом и окутаны тьмой. И эти подземные жидкие океаны, похоже, являются правилом для нашей солнечной системы, а не исключением. Помимо Европы и Энцелада, почти наверняка существуют и другие спутники с покрытыми льдом океанами. В течение следующего десятилетия их подробно исследует флот космических кораблей.

Все это порождает очевидный парадокс. Эти спутники существовали в морозных уголках нашей Солнечной системы в течение миллиардов лет — достаточно долго, чтобы остаточное тепло от их создания могло уйти в космос тысячелетия назад. Любые подземные моря к настоящему времени должны быть сплошным льдом. Так как же могут эти луны, вращающиеся так далеко за пределами солнечного тепла, сегодня иметь океаны?

Все больше данных указывает на то, что может существовать множество способов поддерживать океаны с жидкой водой на протяжении миллиардов лет. Расшифровка этих рецептов может ускорить наши поиски, чтобы определить, насколько легко или сложно возникновение жизни во Вселенной. Свежий анализ данные со старого космического корабля, плюс недавние наблюдения НАСА Космический корабль юнона и космического телескопа Джеймса Вебба, добавляются к растущим доказательствам того, что эти теплые океаны содержат химию, полезную для биологии, и что внутренняя часть Солнечной системы — не единственное место, где жизнь потенциально может стать домом.

Эти океанические спутники также открывают более грандиозные возможности. Умеренные, потенциально пригодные для жизни океаны могут стать неизбежным следствием формирования планет. Возможно, не имеет значения, насколько далеко планета и ее спутники находятся от ядерного костра своей звезды. И если это правда, то количество ландшафтов, которые мы могли бы исследовать в поисках жизни за пределами Земли, практически безгранично.

«Океаны под ледяными лунами кажутся странными и невероятными», — сказал он. Стивен Вэнс, астробиолог и геофизик из Лаборатории реактивного движения НАСА.

И все же, несмотря на вызов, эти чужеродные моря остаются жидкими.

Зеркальный океан

Ученые подозревают, что несколько спутников, вращающихся вокруг Юпитера и Сатурна, а также, возможно, даже некоторые из них, вращающиеся вокруг Урана и Нептуна, содержат океаны. Огромный Ганимед и изрезанная кратерами Каллисто излучают слабые, подобные Европе магнитные сигналы. Покрытый дымкой Титан Сатурна, вполне вероятно, также имеет подповерхностный океан с жидкой водой. «Это пять, к которым большинство ученых в сообществе относятся довольно уверенно», — сказал он. Майк Сори, планетолог из Университета Пердью.

Пока что единственная абсолютная уверенность в океане — это Энцелад. «Это нетрудно», — сказал Карли Хоуэтт, планетолог из Оксфордского университета.

В 1980-х годах некоторые ученые подозревали, что на Энцеладе есть шлейфы; Кольцо Е Сатурна было настолько чистым и блестящим, что что-то — возможно, с одного из его спутников — должно быть, просачивалось в космос и постоянно его освежало. После того, как «Кассини», наконец, стал свидетелем этого волшебства, украшающего планету, в действии, ученые на короткое время задались вопросом, могут ли шлейфы южного полюса Луны быть результатом солнечного света, испаряющего лед в оболочке Луны — что-то вроде выкипания сухого льда при нагревании, возможно, солнечным светом.

«Некоторое время шел спор о том, нужен ли вообще океан», — сказал Ниммо. «Что действительно удалось, так это то, что [Кассини] пролетел сквозь шлейф и обнаружил соль — хлорид натрия. Это океан». Все еще существовала вероятность того, что эти шлейфы могли извергаться из меньшего и более изолированного моря. Но дальнейшие наблюдения Кассини показали, что оболочка Энцелада раскачивается взад и вперед так сильно, что она, должно быть, отделена от более глубоких недр Луны глобальным океаном.

По словам ученых, шлейфы также выделяют водород и кварц, что является признаком деятельности глубоководных гидротермальных источников. Фрэнк Постберг, планетолог из Свободного университета Берлина. На Земле такие источники производят тепло и химические вещества, необходимые для питания экосистем, существующих вне досягаемости солнечного света — сообществ организмов, которые, как когда-то считали ученые, не могут существовать в нашем фотосинтетически зависимом мире.

Но что может питать вентиляционную систему, достаточно мощную, чтобы нагреть целый океан? Другая луна — на этот раз огненная — могла бы дать такие подсказки.

Вечные, адские приливы

В июне 1979 года, за месяц до пролёта «Вояджера-2» над Европой, учёные объявило что «Вояджер-1» увидел гигантские зонтикообразные шлейфы, вздымающиеся в космос над Ио — отпечатки извержений нескольких вулканов.

Это наблюдение должно было сбить с толку: вулканизм требует внутреннего источника тепла, а Ио, как и другие ледяные луны, должна была представлять собой не что иное, как угли. Но несколькими месяцами ранее независимая группа учёных правильно предсказанный что Ио может быть гиперактивным вулканическим миром.

Они основывали свое предсказание на орбитальный танец крупнейших спутников Юпитера. На каждые четыре оборота, которые совершает Ио, Европа совершает два, а Ганимед — один. Эта орбитальная конфигурация, известная как резонанс, заставляет Ио раскачиваться вперед и назад, делая ее орбиту эллиптической. Когда Ио приближается к Юпитеру, гравитация планеты действует на него сильнее. Чем дальше, тем слабее притяжение Юпитера. Это бесконечное гравитационное перетягивание каната делает каменистую поверхность Ио двигаться вверх и вниз на 100 метров, как высота 30-этажного дома. Это приливы, как на Земле, только в твердой породе, а не в воде.

Эти приливы создают трение внутри Луны, которое генерирует тепло. И этот приливный нагрев достаточно силен, чтобы расплавить скалу глубоко внутри Ио. «На Ио нет водного океана, но, вероятно, там есть океан магмы», — сказал Ниммо. (Галилей там также уловил вторичное магнитное поле, генерируемое Глобальный подземный резервуар расплавленной породы.)

Европа также испытывает приливный нагрев. Но насколько эти приливы нагревают океан, зависит от того, где на Луне они происходят; другими словами, достаточное количество этого тепла должно попасть в океан, чтобы он оставался жидким. «Приливный нагрев может происходить как в самой ледяной оболочке, так и в скалистом ядре под ней», — сказал Ниммо. Ученые не знают, что из этого верно, поэтому они не могут точно сказать, какой вклад приливное нагревание вносит в жидкую внутреннюю часть Европы.

Энцелад тоже растягивается и сжимается гравитационным танго с соседним спутником Дионой. Теоретически это может вызвать приливы, которые согреют недра Луны. Но приливы, вызванные его резонансом с Дионой, по крайней мере на бумаге, похоже, недостаточны для объяснения существования океана. По словам Сори, цифры пока не работают, а количества производимого тепла недостаточно для поддержания мирового океана в течение миллиардов лет с момента рождения Солнечной системы. Возможно, как и в случае с Европой, ученые не совсем знают, где приливы создают тепло на Энцеладе.

Еще одним сбивающим с толку фактором является то, что орбиты не фиксируются в течение астрономического времени. По мере развития планетных систем спутники мигрируют, и «приливное нагревание может включаться и выключаться по мере того, как вещи входят в различные резонансы и выходят из них», — сказал он. Дэвид Ротери, планетолог из Открытого университета в Великобритании. Ученые подозревают, что это произошло с Мирандой и Ариэлем, двумя спутниками Урана, которые могли быть бывшими партнерами по танцам; эти спутники выглядят так, как будто когда-то они были геологически активными, но сейчас они спорно замороженные до их ядра.

Подобным образом, Энцелад, возможно, не всегда имел Диону в качестве своей партнерши по танцам: возможно, их буги-буги, кружащиеся вокруг Сатурна, начались совсем недавно и согрели ранее твердую луну. Но этот сценарий также сложно объяснить. «Легче сохранить океан и поддерживать его, чем заморозить и переплавить его», — сказал Сори. Таким образом, если за океан Энцелада отвечает исключительно приливное нагревание, то Луна — это танцор-ветеран, танцующий уже несколько миллиардов лет.

На данный момент единственная уверенность в океане этой луны заключается в том, что он существует. Как это произошло и как оно существует до сих пор, «это один из действительно больших нерешенных вопросов», сказал Сори. «Энцелад сложно понять».

Радиоактивные ренегаты 

К счастью, теплые лунные интерьеры не зависят исключительно от приливов и отливов.

Половина внутреннего тепла Земли возникла при ее рождении. Остальное происходит от распада радиоактивных элементов. Точно так же богатые камнями глубины ледяных лун должны содержать приличное количество урана, тория и калия — радиоактивных запасов, которые могут нагревать окружающую среду в течение сотен миллионов, если не миллиардов лет, прежде чем они распадутся на стабильные элементы и перестанут выделять тепло. .

Большие спутники начинались с более обильных запасов радиоактивного вещества. И, возможно, это все, что требуется их океанам. «Для более крупных спутников, таких как Ганимед, Каллисто и Титан, они неизбежны из-за этого радиогенного фактора», — сказал Вэнс. Некоторые учёные даже утверждают, что Плутон есть подземный океан. Как и три спутника, эта карликовая планета, вероятно, изолирована достаточно толстой корой, которая замедляет утечку ее радиоактивной печи в космос.

Тем не менее, относительно маленькие сердца лилипутских спутников, таких как Энцелад, не содержат достаточно радиоактивного вещества, чтобы поддерживать их температуру в течение миллиардов лет. Одним из неудовлетворительных решений этой загадки является то, что, возможно, Энцеладу просто повезло: радиоактивность могла бы объяснить раннюю часть его океанического прошлого, а его танец с Дионой — более поздний эпизод. Возможно, «сейчас мы находимся в точке пересечения, когда радиогенное [нагревание] становится настолько низким, что берет верх приливное нагревание», — сказал Постберг.

Если так, то, возможно, Энцелад — это микрокосм Вселенной: удачное сочетание приливного нагрева и радиоактивности. Это означало бы, что океанические спутники могут существовать повсюду — или, наоборот, почти нигде.

Юные океаны

Альтернативно, и это противоречиво, некоторые ученые утверждают, что Энцелад мог быть удивительно молодым.

В грудах данных, собранных космическим кораблем Кассини, скрываются намеки на то, что Сатурн не родился со своими знаковыми кольцами. Вместо этого многие ученые теперь убеждены, что кольца образовались всего несколько сотен миллионов лет назад. Новое исследование с использованием суперкомпьютеров для моделирования насилия между лунами предполагает, что кольца Сатурна образовались в результате столкновения двух древних лун примерно в то время, когда по Земле бродили стегозавры. Это столкновение засорило орбиту Сатурна легионами ледяных осколков; в то время как многие сформировали кольца, другие разрушили существующие луны и создал новые. И если кольца молоды, Энцелад и несколько других спутников тоже могут быть молодыми.

«Такое ощущение, что люди становятся более открытыми к мысли о том, что луны молоды», — сказал он. Джейкоб Кегеррайс, научный сотрудник Исследовательского центра Эймса НАСА в Маунтин-Вью, Калифорния, и соавтор недавнего исследования образования колец.

В поддержку этой идеи оказывается, что ученые не знают, сколько лет некоторым спутникам Сатурна. «Энцеладу могло быть всего несколько сотен миллионов или десятки миллионов лет», — сказал Ротери. Если это так, то жара от его безумного рождения, возможно, все еще сохраняет его молодой океан в жидком состоянии.

Но история молодых лун далеко не однозначна — огромное количество кратеров, которые многие демонстрируют, позволяет предположить, что спутники находились в Солнечной системе и испытывали столпотворение, подобное пинболу, в Солнечной системе на протяжении многих эонов. «Я думаю, что в системе Сатурна несколько сотен миллионов лет назад произошло что-то странное», — сказал Ниммо. «Но я предполагаю, что всем спутникам 4.5 миллиарда лет».

Спутниковые прорицатели

Поскольку миссии «Галилео» и «Кассини» давно завершились, ученые теперь возлагают свои надежды на два космических корабля: «Исследователь ледяных лун Юпитера» Европейского космического агентства, который недавно был запущен, и «Европа Клипер» НАСА, который еще не был запущен. Оба прибудут к Юпитеру в начале следующего десятилетия.

И это возвращает нас к Европе, Луне, которая впервые заставила переосмыслить космический контекст, в котором существуют моря Земли.

Одна из целей космического корабля «Клипер», запуск которого запланирован на октябрь 2024 года, (по словам список целей миссии), чтобы «подтвердить» существование океана Европы. «Было много споров по поводу этого слова», — сказал Ниммо. Клипер мог найти что-то кроме океана; вместо этого может быть замерзшее море, наполненное карманами талой воды. Или «это может быть тонкий слой золота», — пошутил Ниммо. «Я думаю, что на 99% уверен, что там есть океан».

Если предположить, что «Клиппер» подтвердит существование океана Европы, он приступит к работе по характеристике Луны и ее подземного моря. Для этого космический корабль начнет с выяснения того, какие молекулы находятся на поверхности Луны и, если ученым повезет, в океане внизу. Пролетая мимо Луны, «Клипер» поглощает любую микроскопическую пыль, лед или водяной пар, доносящиеся с поверхности Луны. Эти частицы будут изучаться его анализатор поверхностной пыли Инструмент: Когда зерна попадают на металлическую пластину, они испаряются и заряжаются электрически, что позволяет прибору раскрыть химическую идентичность зерна.

Есть надежда, что шлейфы мягко выбрасывают океан Европы в космос, что значительно облегчит поиски Клипера. Такие фонтаны, возможно, и существуют, но они не будут похожи на фонтаны Энцелада; они могут быть более прерывистыми и географически спорадическими. Или они могут отсутствовать вообще — и в этом случае есть надежда, что удары микрометеоритов могут расколоть ледяную оболочку, высвободить океанские супы и разбрызгать их в сторону Клипера.

И может оказаться, что когда дело доходит до сохранения тепла, Европа и другие спутники полагаются на химические приемы, которые не так чужды, как мы могли бы ожидать. Зимой «мы солим дороги, чтобы снизить температуру таяния», — сказал Сори. Возможно, океан Европы особенно соленый, что понизит температуру замерзания. Однако более эффективными антифризами были бы другие соединения — «в частности, аммиак», — сказал Сори, — которого больше вдали от испаряющегося солнечного света.

Приливы, радиоактивность, химия и молодость: эти ингредиенты, если их правильно смешать, могут создавать и поддерживать океаны на этих ледяных лунах. «При всем этом я не думаю, что это либо/или», — сказал Хоуэтт. Конкретный рецепт для каждого спутника может быть разным. Могут быть сотни способов создать ледяную луну, наполненную океаном.

Открытие секретного океана Европы «действительно изменило взгляды людей на спутники», сказал Кивельсон. И это направило науку на курс, чтобы определить, могут ли инопланетные формы жизни заселить эти инопланетные моря и, возможно, привести к открытию, которое навсегда изменит наше представление о нашем месте во Вселенной.

Quanta проводит серию опросов, чтобы лучше обслуживать нашу аудиторию. Возьми наш опрос читателей по физике и вы будете участвовать в бесплатном выигрыше Quanta товар.