Ledeni oceani obstajajo na oddaljenih lunah. Zakaj niso zmrznjene? | Revija Quanta

Večino časa obstoja človeštva je bila Zemlja edini znani svet, pokrit z oceani, na videz drugačen od katerega koli drugega kozmičnega otoka.

Toda leta 1979 sta Nasini vesoljski plovili Voyager preleteli Jupiter. Njena luna Evropa, zamrznjeno kraljestvo, je bila okrašena z utori in zlomi - namiguje, da je pod njeno površino morda nekaj dinamičnega.

"Po Voyagerju so ljudje sumili, da je Evropa nenavadna in da bi lahko imela ocean," je dejal Francis Nimmo, planetarni znanstvenik s kalifornijske univerze v Santa Cruzu.

Nato je leta 1996 Nasino vesoljsko plovilo Galileo šlo mimo Evrope in zaznalo nenavadno magnetno polje, ki je prihajalo od znotraj. "Nismo razumeli, kaj je bilo," je rekel Margaret Kivelson, vesoljski fizik na Kalifornijski univerzi v Los Angelesu, ki je bil zadolžen za magnetometer vesoljskega plovila. Sčasoma sta ona in njena ekipa ugotovila, da se električno prevodna tekočina - nekaj znotraj lune - trese kot odziv na neizmerno Jupitrovo magnetno polje. "Edina stvar, ki je imela kakršen koli smisel," je dejal Kivelson, "je bila, če je bila lupina tekoče taline pod površino ledu."

Leta 2004 je Nasino vesoljsko plovilo Cassini prispelo do Saturna. Ko je opazoval Saturnovo majhno luno Enceladus, je ugotovil koruskacijo ledene perjanice ki izbruhnejo iz ogromnih brezen na luninem južnem polu. In ko je Cassini letel skozi te izlive, je bil dokaz nedvoumen - to je bil slan ocean, ki je močno krvavel v vesolje.

Zemljini oceani zdaj niso več edinstveni. Samo čudni so. Obstajajo na s soncem obsijani površini našega planeta, medtem ko so morja zunanjega osončja skrita pod ledom in se kopajo v temi. In zdi se, da so ti podzemni tekoči oceani pravilo za naš sončni sistem, ne izjema. Poleg Evrope in Enkeladusa skoraj zagotovo obstajajo tudi druge lune z oceani, pokritimi z ledom. V naslednjem desetletju jih bo podrobno raziskala flota vesoljskih plovil.

Vse to sproža očiten paradoks. Te lune obstajajo v zmrznjenih predelih našega osončja že milijarde let – dovolj dolgo, da je preostala toplota od njihovega nastanka ušla v vesolje pred eoni. Vsa podzemna morja bi morala biti že trden led. Torej, kako imajo te lune, ki krožijo tako daleč od sončne toplote, še danes oceane?

Vse več dokazov kaže, da lahko obstaja več načinov za vzdrževanje oceanov s tekočo vodo v milijardah let. Dešifriranje teh receptov bi lahko pospešilo naše iskanje, da bi ugotovili, kako enostavno ali težavno je nastajanje življenja v vesolju. Sveže analizirano podatki iz starih vesoljskih plovilin nedavna opazovanja Nase Vesoljsko plovilo Juno in Vesoljski teleskop James Webb, dodajajo vse več dokazov, da ti topli oceani vsebujejo kemijo, koristno za biologijo, in da notranji sončni sistem ni edino mesto, ki bi ga življenje lahko imenovalo dom.

Te oceanske lune ponujajo tudi večjo možnost. Zmerni, potencialno primerni oceani bi lahko bili neizogibna posledica oblikovanja planetov. Morda ni pomembno, kako daleč so planet in njegove lune od jedrskega ognja svoje zvezde. In če je to res, potem je število pokrajin, ki bi jih lahko raziskali pri iskanju življenja onkraj Zemlje, skoraj neomejeno.

"Oceani pod ledenimi lunami se zdijo čudni in neverjetni," je rekel Steven Vance, astrobiolog in geofizik v Nasinem Laboratoriju za reaktivni pogon.

In kljub temu ta tuja morja ostajajo tekoča.

Ocean, zavit v ogledalo

Znanstveniki domnevajo, da peščica lun, ki krožijo okoli Jupitra in Saturna - in morda celo nekatere, ki se vrtijo okoli Urana in Neptuna - skriva oceane. Močan Ganimed in s kraterji razbrazgotinasti Kalisto proizvajata šibke magnetne signale, podobne Evropi. Tudi Saturnov z meglico prekrit Titan ima zelo verjetno podzemni ocean s tekočo vodo. To je "pet tistih, o katerih večina znanstvenikov v skupnosti meni precej samozavestno," je dejal Mike Sori, planetarni znanstvenik na univerzi Purdue.

Zaenkrat je edina absolutna oceanska gotovost Enceladus. "To je neumnost," je rekel Carly Howett, planetarni znanstvenik na Univerzi v Oxfordu.

V osemdesetih letih prejšnjega stoletja so nekateri znanstveniki sumili, da ima Enceladus perje; Saturnov prstan E je bil tako čist in sijoč, da mora nekaj - morda z ene od njegovih lun - uhajati v vesolje in ga nenehno osveževati. Potem ko je Cassini končno bil priča tej čarovniji okrasitve planetov v akciji, so se znanstveniki na kratko vprašali, ali so lunini južni polarni oblaki morda delo sončne svetlobe, ki izhlapeva led v lunini lupini – podobno kot suh led, ki vre, ko se segreje, morda zaradi sončne svetlobe.

"Nekaj ​​časa je obstajal ta argument o tem, ali ocean sploh potrebuje," je dejal Nimmo. »To je zares uspelo, ko je [Cassini] preletel oblak in so našli sol – natrijev klorid. To je ocean.” Še vedno je obstajala možnost, da ti oblaki izbruhnejo iz manjšega, bolj izoliranega morja. Toda nadaljnja Cassinijeva opazovanja so razkrila, da se Enceladusova lupina tako močno ziba naprej in nazaj, da mora biti ločena od globlje lunine notranjosti z globalnim oceanom.

Oblaki črpajo tudi vodik in kremen, kar sta znaka aktivnosti globokomorskih hidrotermalnih vrelcev, je dejal Frank Postberg, planetarni znanstvenik na Svobodni univerzi v Berlinu. Na Zemlji takšni zračniki proizvajajo toploto in kemijo, potrebno za napajanje ekosistemov, ki obstajajo zunaj dosega sončne svetlobe – skupnosti organizmov, za katere so znanstveniki nekoč mislili, da ne morejo obstajati v našem fotosintetično odvisnem svetu.

Toda kaj bi lahko napajalo prezračevalni sistem, ki je dovolj močan, da ogreje ves ocean? Druga luna - ta ognjene sorte - bi zagotovila te namige.

Večne, peklenske plime

Junija 1979, mesec dni pred bližnjim preletom Voyagerja 2 nad Evropo, so znanstveniki razglasitve da je Voyager 1 opazil titanske oblake v obliki dežnika, ki se valijo v vesolje nad Io – eruptivni prstni odtisi več vulkanov.

Ta ugotovitev bi morala biti zmedena: vulkanizem zahteva notranji vir toplote in Io, tako kot druge ledene lune, ne bi smel biti nič drugega kot žerjavica. Toda nekaj mesecev prej je neodvisna ekipa znanstvenikov imela pravilno napovedano da je Io morda hiperaktiven vulkanski svet.

Svojo napoved so utemeljili na orbitalni ples največjih Jupitrovih lun. Za vsake štiri orbite, ki jih opravi Io, Evropa naredi dva in Ganimed enega. Ta orbitalna konfiguracija, znana kot resonanca, povzroči, da Io niha naprej in nazaj, zaradi česar je njegova orbita eliptična. Ko je Io bližje Jupitru, gravitacija planeta močneje pritiska nanj. Ko je bolj oddaljen, je Jupitrov vlačilec šibkejši. To neskončno gravitacijsko vlečenje vrvi tvori skalnato površje Ia premikajte se gor in dol za 100 metrov, enako kot 30-nadstropna stavba. To so plime in oseke, kot je Zemljina - samo v trdni skali, ne v vodi.

Te plime ustvarjajo trenje znotraj lune, ki ustvarja toploto. In to plimsko segrevanje je dovolj močno, da stopi skalo globoko v Io. "Io nima vodnega oceana, verjetno pa ima ocean magme," je dejal Nimmo. (Galileo je tudi tam zaznal sekundarno magnetno polje, ki ga je ustvaril a globalni podzemni rezervoar staljene kamnine.)

Evropa doživlja tudi nekaj plimovanja. Toda koliko te plime segrejejo ocean, je odvisno od tega, kje na luni se pojavijo; z drugimi besedami, dovolj te toplote mora priti v ocean, da ostane tekoč. "Plimsko segrevanje bi se lahko dogajalo v sami ledeni lupini ali pa v skalnatem jedru pod njim," je dejal Nimmo. Znanstveniki ne vedo, kaj je pravilno – zato ne morejo z gotovostjo trditi, koliko segrevanja zaradi plimovanja prispeva k tekoči notranjosti Evrope.

Tudi Enceladus je raztegnjen in stisnjen zaradi njegovega gravitacijskega tanga s sosednjo luno, imenovano Diona. Teoretično bi to lahko povzročilo plimovanje, ki bi ogrelo lunino notranjost. Vendar se zdi, da plimovanje, ki ga ustvarja njegova resonanca z Diono, vsaj na papirju ne zadostuje za razlago njegovega oceana. Številke še ne delujejo, je dejal Sori, in količina proizvedene toplote ni dovolj za vzdrževanje svetovnega oceana milijarde let od rojstva sončnega sistema. Morda, tako kot pri Evropi, znanstveniki ne vedo povsem, kje plimovanje ustvarja toploto v Enceladusu.

Drugi zmeden dejavnik je, da orbite niso določene v astronomskem času. Ko se planetni sistemi razvijajo, se lune selijo in "segrevanje plimovanja se lahko vklopi in izklopi, ko se stvari premikajo v različne resonance in iz njih," je dejal David Rothery, planetarni znanstvenik na Open University v Združenem kraljestvu. Znanstveniki sumijo, da se je to zgodilo z Mirando in Ariel, dvema Uranovim satelitom, ki sta morda nekdanja plesna partnerja; te lune izgledajo, kot da bi bile nekoč geološko aktivne, zdaj pa so argumentirano zamrznjena do svojih jeder.

Podobno Enceladus morda ni vedno imel Dione kot svojo plesno partnerico: morda je njihov boogie, ki kroži okoli Saturna, začel pred kratkim in ogrel prej trdno luno. Toda tudi ta scenarij je težko razložiti. "Lažje je obdržati ocean in ga vzdrževati, kot pa ga zamrzniti in pretopiti," je dejal Sori. Če je torej za Enceladusov ocean izključno odgovorno segrevanje s plimovanjem, potem je luna veteranska plesalka, ki je skakala več milijard let.

Za zdaj je edina gotovost o oceanu te lune ta, da obstaja. Kako je nastal in kako obstaja še danes, je "eno od res velikih nerešenih vprašanj," je dejal Sori. "Enceladus je težko ugotoviti."

Radioaktivni odpadniki 

Na srečo topli lunasti prostori niso odvisni izključno od plimovanja.

Polovica notranje toplote Zemlje izvira iz njenega rojstva. Ostalo izvira iz razpadajočih radioaktivnih elementov. Podobno bi morale globine ledenih lun, bogate s kamenjem, vsebovati dostojno količino urana, torija in kalija – radioaktivnih zalog, ki lahko kuhajo svojo okolico stotine milijonov, če ne celo milijard let, preden razpadejo v stabilne elemente in prenehajo sproščati toploto. .

Večje lune bodo na začetku imele več obilnih zalog radioaktivne snovi. In morda je to vse, kar potrebujejo njihovi oceani. "Za večje lune, kot so Ganimed, Kalisto in Titan, so nekako neizogibne zaradi tega radiogenega dejavnika," je dejal Vance. Nekateri znanstveniki celo trdijo, da Pluton ima podzemni ocean. Tako kot tri lune je tudi ta pritlikavi planet verjetno izoliran z dovolj debelo skorjo, ki upočasnjuje uhajanje njegove radioaktivne peči v vesolje.

Kljub temu razmeroma majhna srca liliputanskih lun, kot je Enceladus, ne vsebujejo dovolj radioaktivne snovi, da bi ostala pražena milijarde let. Ena nezadovoljiva rešitev te uganke je, da se je morda Enceladusu posrečilo: radioaktivnost bi lahko pojasnila zgodnji del njegove oceanske preteklosti, njegov ples z Diono pa novejšo epizodo. Morda "smo zdaj na točki križanja, kjer se radiogensko [ogrevanje] tako zmanjša, da prevzame segrevanje s plimovanjem," je dejal Postberg.

Če je tako, je morda Enceladus mikrokozmos vesolja: naključna kombinacija plimovanja in radioaktivnosti. To bi pomenilo, da bi lahko oceanske lune obstajale povsod - ali, nasprotno, skoraj nikjer.

Mladostni oceani

Druga možnost je, da nekateri znanstveniki kontroverzno trdijo, da bi lahko bil Enceladus izjemno mlad.

V množici podatkov, ki jih je zbralo vesoljsko plovilo Cassini, se skrivajo namigi, da se Saturn ni rodil s svojimi ikoničnimi obroči. Namesto tega so mnogi znanstveniki zdaj prepričani, da nastali so obroči le nekaj sto milijonov let nazaj. Nove raziskave, ki uporabljajo superračunalnike za simulacijo nasilja med luno in luno, kažejo, da so Saturnovi obroči nastali, ko sta trčili dve starodavni luni približno v času, ko so stegozavri tavali po Zemlji. Ta zlom je Saturnovo orbito posul z legijami ledenih drobcev; medtem ko so mnogi oblikovali prstane, so drugi uničili obstoječe lune in ustvaril nove. In če so prstani mladi, so morda tudi Enceladus in peščica drugih lun mladi.

"Zdi se, kot da ljudje postajajo bolj odprti za razmišljanje, da so lune mlade," je dejal Jakob Kegerreis, raziskovalec v Nasinem raziskovalnem centru Ames v Mountain Viewu v Kaliforniji in soavtor nedavne študije o oblikovanju obroča.

V preobratu, ki podpira to idejo, se izkaže, da znanstveniki ne vedo, koliko so stare nekatere Saturnove lune. "Enceladus bi lahko bil star le nekaj sto milijonov ali več deset milijonov let," je dejal Rothery. Če je tako, potem vročina njegovega blaznega rojstva morda še vedno ohranja njegov mladi ocean tekoč.

Toda zgodba o mladih lunah še zdaleč ni gotova – samo število kraterjev, ki jih mnogi prikazujejo, kaže na to, da so lune že več eonov prisotne, da bi izkusile fliperski pandemonij sončnega sistema. "Mislim, da se je v Saturnovem sistemu pred nekaj sto milijoni let zgodilo nekaj bizarnega," je dejal Nimmo. "Toda moja domneva je, da so vsi sateliti stari 4.5 milijarde let."

Satelitski vedeževalci

Ker sta misiji Galileo in Cassini že dolgo mrtvi, znanstveniki zdaj svoje upe polagajo na dve vesoljski plovili: Jupiter Icy Moons Explorer Evropske vesoljske agencije, ki je bil nedavno izstreljen, in Nasin Europa Clipper, ki še ni. Oba bosta na Jupiter prispela na začetku naslednjega desetletja.

In to nas pripelje nazaj k Evropi, luni, ki je prva prisilila v ponovno predstavo o kozmičnem kontekstu, v katerem obstajajo zemeljska morja.

Eden od ciljev vesoljskega plovila Clipper, ki naj bi poletelo oktobra 2024, je (po besedah seznam ciljev misije) za »potrditev«, da evropski ocean obstaja. "O tej besedi je bilo veliko prepirov," je dejal Nimmo. Clipper bi lahko našel kaj drugega kot ocean; namesto tega je lahko zamrznjeno morje, napolnjeno z žepi stopljene vode. Ali pa "lahko gre za tanko plast zlata," se je pošalil Nimmo. "Mislim, da je 99 % prepričan, da je tam ocean."

Ob predpostavki, da Clipper potrdi obstoj evropskega oceana, se bo lotil opisa lune in njenega podzemnega morja. Da bi to naredili, bo vesoljsko plovilo začelo z ugotavljanjem, katere molekule so na luninem površju - in, če bodo znanstveniki imeli srečo, v oceanu pod njim. Ko bo letel mimo lune, bo Clipper zaužil vsak mikroskopski prah, led ali vodno paro, ki se dvigne z lunine površine. Te delce bo preučila analizator površinskega prahu instrument: ko zrna zadenejo njegovo kovinsko ploščo, se uparijo in naelektrijo, kar omogoča instrumentu, da razkrije kemijsko identiteto zrna.

Upamo, da perjanice nežno odvajajo evropski ocean v vesolje, kar bi Clipperjevo iskanje znatno olajšalo. Takšni izlivi morda obstajajo, vendar ne bodo podobni tistim na Enceladusu; lahko so bolj občasni in geografsko občasni. Ali pa jih sploh ni - v tem primeru upamo, da bodo mikrometeoritni udarci odrezali ledeno lupino, osvobodili soupçons oceana in jo pršili proti Clipperju.

In morda se izkaže, da se Evropa in druge lune, ko gre za ohranjanje toplega, zanašajo na kemične trike, ki niso tako tuji, kot bi morda pričakovali. Pozimi "ceste solimo, da znižamo temperaturo taljenja," je dejal Sori. Mogoče je evropski ocean še posebej slan, kar bi znižalo ledišče. Druge spojine bi bile učinkovitejši antifriz, čeprav - "zlasti amoniak," je dejal Sori, ki ga je več dlje od izhlapevajočega bleščanja sonca.

Plimovanje, radioaktivnost, kemija in mladost: te sestavine, če so pravilno zmešane, lahko ustvarijo in vzdržujejo oceane na teh ledenih lunah. "Pri vseh teh stvareh mislim, da ni ali/ali," je dejal Howett. Poseben recept za vsak satelit je lahko drugačen. Obstaja na stotine načinov, kako narediti ledeno luno, polno oceanov.

Odkritje skrivnega oceana Evrope je "resnično spremenilo način, kako so ljudje razmišljali o lunah," je dejal Kivelson. Znanost je postavila na pot, da bi ugotovila, ali bi tujerodne oblike življenja lahko naselile ta tuja morja in morda prinesle odkritje, ki bo za vedno spremenilo našo predstavo o našem mestu v vesolju.

Quanta izvaja vrsto anket, da bi bolje služil svojemu občinstvu. Vzemite našo anketa bralcev fizike in vključeni boste v brezplačno zmago Quanta trgovsko blago.