Isiga hav finns på avlägsna månar. Varför är de inte frysta fasta? | Quanta Magazine

Under större delen av mänsklighetens existens var jorden den enda kända havsdraperade världen, till synes olik någon annan kosmisk ö.

Men 1979 flög NASA:s två rymdfarkoster Voyager förbi Jupiter. Dess måne Europa, ett fruset rike, var dekorerad med spår och sprickor - antyder att det kan finnas något dynamiskt under dess yta.

"Efter Voyager misstänkte folk att Europa var konstigt och kunde ha ett hav," sa Francis Nimmo, en planetforskare vid University of California, Santa Cruz.

Sedan, 1996, passerade NASA:s rymdfarkost Galileo förbi Europa och upptäckte ett konstigt magnetfält som kom inifrån. "Vi förstod inte vad det var," sa Margaret Kivelson, en rymdfysiker vid University of California, Los Angeles som var ansvarig för rymdfarkostens magnetometer. Så småningom insåg hon och hennes team att en elektriskt ledande vätska - något inuti månen - krampade som svar på Jupiters enorma magnetfält. "Det enda som var vettigt," sa Kivelson, "var om det fanns ett skal av flytande smälta under isytan."

2004 anlände NASA:s rymdskepp Cassini till Saturnus. När den observerade Saturnus lilla måne Enceladus fann den koruskerande isiga plymer som bryter ut från stora klyftor vid månens sydpol. Och när Cassini flög genom dessa piper var bevisen omisskännliga - detta var ett salt hav som kraftigt blödde ut i rymden.

Nu är jordens hav inte längre unika. De är bara konstiga. De finns på vår planets solbelysta yta, medan haven i det yttre solsystemet är undangömt under is och badar i mörker. Och dessa underjordiska flytande hav verkar vara regeln för vårt solsystem, inte undantaget. Förutom Europa och Enceladus finns det nästan säkert även andra månar med istäckta hav. En flotta av rymdfarkoster kommer att utforska dem i detalj under det kommande decenniet.

Allt detta väcker en uppenbar paradox. Dessa månar har funnits i de frostiga delarna av vårt solsystem i miljarder år - tillräckligt länge för att restvärme från deras skapelse skulle ha flytt ut i rymden för evigheter sedan. Alla hav under ytan borde vara fast is vid det här laget. Så hur kan dessa månar, som kretsar så långt bortom solens värme, fortfarande ha hav idag?

Allt fler bevis tyder på att det kan finnas flera sätt att upprätthålla flytande vattenhav under miljarder år. Att avkoda dessa recept kan påskynda vår strävan att avgöra hur lätt, eller besvärligt, det är för livet att växa fram i hela kosmos. Nyligen analyserad data från gamla rymdfarkoster, plus färska observationer från NASA Juno rymdskepp och James Webb rymdteleskop, lägger till de växande bevisen för att dessa varma hav innehåller kemi som är fördelaktigt för biologin, och att det inre solsystemet inte är den enda plats som livet potentiellt kan kalla hem.

Dessa oceaniska månar erbjuder också en större möjlighet. Tempererade, potentiellt beboeliga hav kan vara en oundviklig konsekvens av planetbildning. Det spelar kanske ingen roll hur långt en planet och dess månar är från sin stjärnas kärnvapenbrasa. Och om det är sant, då är antalet landskap vi kan utforska i vårt sökande efter liv bortom jorden nästan obegränsat.

"Haven under isiga månar verkar konstiga och osannolika," sa Steven Vance, en astrobiolog och geofysiker vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory.

Och ändå, trotsigt, förblir dessa främmande hav flytande.

Ett spegellindat hav

Forskare misstänker att en handfull månar som kretsar kring Jupiter och Saturnus - och kanske till och med några som snurrar runt Uranus och Neptunus - hamnar i hav. Rejäla Ganymedes och kraterärrade Callisto producerar svaga, Europa-liknande magnetiska signaler. Även Saturnus distäckta Titan har med stor sannolikhet ett hav med flytande vatten under ytan. Dessa "är de fem som de flesta forskare i samhället känner sig ganska trygga om", sa Mike Sori, en planetforskare vid Purdue University.

Än så länge är den enda absoluta oceaniska säkerheten Enceladus. "Det är en no-brainer," sa Carly Howett, en planetforskare vid University of Oxford.

På 1980-talet misstänkte vissa forskare att Enceladus hade plymer; Saturnus E-ring var så ren och glänsande att något - kanske från en av dess månar - måste läcka ut i rymden och ständigt uppdatera det. Efter att Cassini äntligen bevittnade den planetgarnerande magin i aktion, ifrågasatte forskare kort om månens sydpolära plymer kan vara arbetet med att solljus förångar isen i månens skal - lite som torris som kokar bort när den värms upp, kanske av solljus.

"Ett tag fanns det det här argumentet om huruvida det behövde finnas ett hav överhuvudtaget," sa Nimmo. "Det som verkligen spikade det var när [Cassini] flög genom plymen och de hittade salt - natriumklorid. Det är ett hav." Det fanns fortfarande en chans att dessa plymer kunde bryta ut från ett mindre, mer isolerat hav. Men ytterligare Cassini-observationer avslöjade att Enceladus skal vaggar fram och tillbaka så akut att det måste separeras från månens djupare inre av ett globalt hav.

Plymerna pumpar också ut väte och kvarts, tecken på hydrotermisk ventilaktivitet i djuphavet, sa Frank Postberg, en planetforskare vid Free University of Berlin. På jorden producerar sådana ventiler den värme och kemi som behövs för att driva ekosystem som existerar utom räckhåll för solljus - samhällen av organismer som forskare en gång trodde inte kunde existera i vår fotosyntetiskt beroende värld.

Men vad kan driva ett ventilationssystem som är tillräckligt starkt för att värma ett helt hav? En annan måne - den här av den eldiga sorten - skulle ge dessa ledtrådar.

Det eviga, infernaliska tidvattnet

I juni 1979, en månad innan Voyager 2:s närflygning av Europa, forskare meddelade att Voyager 1 hade sett en skymt av titaniska, paraplyformade plymer som böljade ut i rymden ovanför Io - de eruptiva fingeravtrycken från flera vulkaner.

Denna observation borde ha varit förbryllande: Vulkanism kräver en inre värmekälla, och Io, liksom de andra isiga månarna, borde inte ha varit något annat än glöd. Men några månader tidigare hade ett oberoende team av forskare rätt förutsagda att Io kan vara en hyperaktiv vulkanvärld.

De hade baserat sin förutsägelse på orbital dans av Jupiters största månar. För varje fyra omlopp som Io genomför gör Europa två och Ganymedes en. Denna omloppskonfiguration, känd som en resonans, får Io att vingla fram och tillbaka, vilket gör dess omloppsbana elliptisk. När Io är närmare Jupiter, drar planetens gravitation på den mer intensivt. När det är längre bort är Jupiters drag svagare. Denna oändliga gravitationella dragkamp gör Ios steniga yta flytta upp och ner med 100 meter, samma höjd som en 30-våningsbyggnad. Dessa är tidvatten, som jordens - bara i fast sten, inte vatten.

Dessa tidvatten skapar friktion inom månen som genererar värme. Och den tidvattenuppvärmningen är tillräckligt stark för att smälta berget djupt inne i Io. "Io har inte ett vattenhav, men det har förmodligen ett magmahav," sa Nimmo. (Galileo plockade upp ett sekundärt magnetfält där också, genererat av en global underjordisk reservoar av smält sten.)

Europa upplever också viss tidvattenuppvärmning. Men hur mycket dessa tidvatten värmer ett hav beror på var inom månen de uppstår; med andra ord, tillräckligt mycket av den värmen behöver komma till havet för att hålla den flytande. "Tidvattenuppvärmningen kan hända i själva isskalet, eller så kan det hända i den steniga kärnan under," sa Nimmo. Forskarna vet inte vilket som är korrekt - så de kan inte säga säkert hur mycket tidvattenuppvärmning bidrar till Europas flytande inre.

Även Enceladus sträcks ut och kläms av sin gravitationstango med en närliggande måne som heter Dione. I teorin kan detta producera tidvatten som värmer månens inre. Men tidvattnet som skapas av dess resonans med Dione, åtminstone på papperet, verkar inte vara tillräckligt för att förklara dess hav. Siffrorna fungerar ännu inte, sa Sori, och mängden värme som produceras räcker inte för att upprätthålla ett globalt hav under de miljarder år sedan solsystemets födelse. Kanske, som med Europa, vet forskarna inte riktigt var tidvattnet skapar värme inom Enceladus.

En annan förvirrande faktor är att banor inte är fixerade över astronomisk tid. När planetsystem utvecklas, migrerar månar, och "tidvattenuppvärmning kan slås på och stängas av när saker driver in och ut ur olika resonanser," sa David Rothery, en planetforskare vid Open University i Storbritannien. Forskare misstänker att detta hände med Miranda och Ariel, två uranska satelliter som kan vara tidigare danspartners; dessa månar ser ut som om de en gång var geologiskt aktiva men är det nu det kan argumenteras att frystes till sina kärnor.

På samma sätt har Enceladus kanske inte alltid haft Dione som sin danspartner: Kanske startade deras Saturnus-cirkelboogie mer nyligen och värmde en tidigare solid måne. Men det scenariot är också besvärligt att förklara. "Det är lättare att hålla ett hav runt och underhålla det, snarare än att frysa och smälta om det," sa Sori. Således, om tidvattenuppvärmning är ensam ansvarig för Enceladus hav, så är månen en veterandansare som har växt i flera miljarder år.

För närvarande är den enda säkerheten om denna månens hav att den existerar. Hur det kom till, och hur det fortfarande finns idag, "är en av de riktigt stora olösta frågorna," sa Sori. "Enceladus är svårt att räkna ut."

Radioaktiva Renegades 

Lyckligtvis är varma måniga interiörer inte enbart beroende av tidvatten.

Hälften av jordens inre värme kom från dess födelse. Resten kommer från sönderfallande radioaktiva grundämnen. På samma sätt bör de stenrika djupen av isiga månar innehålla en anständig mängd uran, torium och kalium - radioaktiva förråd som kan koka sin omgivning i hundratals miljoner, om inte miljarder, år innan de sönderfaller till stabila element och slutar avge värme .

Större månar kommer att ha börjat med fler rikliga cacher av radioaktivt material. Och kanske är det allt deras hav kräver. "För större månar som Ganymedes och Callisto och Titan är de typ oundvikliga på grund av denna radiogena faktor," sa Vance. Vissa forskare hävdar till och med att Pluto har ett hav under ytan. Liksom de tre månarna är denna dvärgplanet troligen isolerad av en tillräckligt tjock skorpa som bromsar läckandet av dess radioaktiva ugn ut i rymden.

Ändå innehåller de relativt små hjärtan i Lilliputian-månar som Enceladus inte tillräckligt med radioaktivt material för att hålla dem toasty i miljarder år. En otillfredsställande lösning på denna gåta är att Enceladus kanske bara hade tur: Radioaktivitet kunde förklara en tidig del av dess oceaniska förflutna, och dess dans med Dione ett nyare avsnitt. Kanske "vi är nu vid punkten av crossover, där den radiogena [uppvärmningen] blir så låg att tidvattenuppvärmningen tar över," sa Postberg.

Om så är fallet, kanske Enceladus är ett mikrokosmos av universum: en överlägsen kombination av tidvattenuppvärmning och radioaktivitet. Det skulle innebära att oceaniska månar kunde existera överallt - eller tvärtom nästan ingenstans.

Ungdomliga hav

Alternativt, och kontroversiellt, hävdar vissa forskare att Enceladus kan vara anmärkningsvärt ung.

Gömda i mängden data som samlats in av rymdfarkosten Cassini är antydningar om att Saturnus inte föddes med sina ikoniska ringar. Istället är många forskare nu övertygade om det ringarna bildades för bara några hundra miljoner år sedan. Ny forskning som använder superdatorer för att simulera måne-på-måne-våld tyder på att Saturnus ringar bildades när två forntida månar kolliderade runt den tid då stegosaurier strövade omkring på jorden. Denna smashup fyllde Saturnus omloppsbana med legioner av isiga skärvor; medan många bildade ringarna, slog andra upp befintliga månar och skapat nya. Och om ringarna är unga kan Enceladus och en handfull andra månar också vara unga.

"Det känns som att folk blir mer öppna för att tänka på att månarna är unga," sa Jacob Kegerreis, en forskare vid NASA:s Ames Research Center i Mountain View, Kalifornien, och en medförfattare till den senaste studien om ringbildning.

I en vändning som stöder denna idé, visar det sig att forskare inte vet hur gamla vissa av Saturnus månar är. "Enceladus kan bara vara några hundra miljoner eller tiotals miljoner år gammal," sa Rothery. Om så är fallet, kan värmen från dess frenetiska födelse fortfarande hålla dess unga hav flytande.

Men historien om unga månar är långt ifrån säker - det stora antalet kratrar som många visar antyder att månarna har funnits för att uppleva solsystemets flipperliknande pandemonium i många en eon. "Jag tror att det i Saturnussystemet hände något bisarrt för några hundra miljoner år sedan," sa Nimmo. "Men min gissning är att alla satelliter är 4.5 miljarder år gamla."

Satellitsutare

Med Galileo- och Cassini-uppdragen sedan länge döda sätter forskare nu sitt hopp till två rymdfarkoster: Europeiska rymdorganisationens Jupiter Icy Moons Explorer, som nyligen lanserades, och NASA:s Europa Clipper, som inte har gjort det. Båda kommer att anlända till Jupiter i början av nästa decennium.

Och det för oss tillbaka till Europa, månen som först tvingade fram en omformning av det kosmiska sammanhang där jordens hav existerar.

Ett av målen för rymdfarkosten Clipper – som ska flyga i oktober 2024 – är (med ord från uppdragets mållista) för att "bekräfta" att Europas hav existerar. "Det fanns många argument om det ordet," sa Nimmo. Clipper kunde hitta något annat än ett hav; det kan istället finnas ett fruset hav fyllt med fickor av smältvatten. Eller "det kan vara ett tunt lager guld", skämtade Nimmo. "Jag tror att det är 99% säker på att det finns ett hav där."

Förutsatt att Clipper bekräftar existensen av Europas hav, kommer det att börja prägla månen och dess underjordiska hav. För att göra det kommer rymdfarkosten att börja med att ta reda på vilka molekyler som finns på månens yta - och, om forskarna har tur, i havet nedanför. När den flyger förbi månen kommer Clipper att få i sig allt mikroskopiskt damm, is eller vattenånga som strömmar från månens yta. Dessa partiklar kommer att studeras av dess ytdammanalysator instrument: När korn träffar dess metallplatta förångas de och laddas elektriskt, vilket gör att instrumentet kan avslöja kornens kemiska identitet.

Förhoppningen är att plymer försiktigt ventilerar Europas hav ut i rymden, vilket skulle göra Clippers sökande avsevärt lättare. Sådana piper kan finnas, men de kommer inte att vara som de av Enceladus; de kan vara mer intermittenta och geografiskt sporadiska. Eller så är de kanske inte närvarande alls - i så fall är förhoppningen att mikrometeoritnedslag kan haka iväg på det isiga skalet, befria havets soppor och spraya det mot Clipper.

Och det kan visa sig att när det gäller att hålla sig varma förlitar sig Europa och de andra månarna på kemiska knep som inte är så främmande som vi kan förvänta oss. På vintern "saltar vi vägarna för att sänka smälttemperaturen", sa Sori. Kanske är Europas hav särskilt salt, vilket skulle sänka fryspunkten. Andra föreningar skulle dock vara mer effektiva frostskyddsmedel - "ammoniak, i synnerhet", sa Sori, som är mer rikligt längre från solens förångande bländning.

Tidvatten, radioaktivitet, kemi och ungdom: Dessa ingredienser, när de blandas på rätt sätt, kan producera - och upprätthålla - hav på dessa isiga månar. "Med alla dessa saker tror jag inte att det är antingen/eller," sa Howett. Det specifika receptet för varje satellit kan vara annorlunda. Det kan finnas hundratals sätt att skapa en havsfylld isig måne.

Upptäckten av Europas hemliga hav "förändrade verkligen hur människor tänkte om månar", sa Kivelson. Och det satte vetenskapen på en kurs för att avgöra om främmande livsformer kan befolka dessa främmande hav, och kanske åstadkomma en upptäckt som för alltid kommer att förändra vår uppfattning om vår plats i universum.

Quanta genomför en serie undersökningar för att bättre betjäna vår publik. Ta vår fysikläsarundersökning och du kommer att delta för att vinna gratis Quanta handelsvaror.