Крижані океани існують на далеких місяцях. Чому вони не заморожені? | Журнал Quanta

Протягом більшої частини існування людства Земля була єдиним відомим світом, покритим океаном, не схожим ні на один інший космічний острів.

Але в 1979 році два космічних корабля НАСА «Вояджер» пролетіли повз Юпітер. Його супутник Європа, заморожене царство, був прикрашений борозенками та розломами — натяками на те, що під його поверхнею може бути щось динамічне.

«Після «Вояджера» люди підозрювали, що Європа є дивною і може мати океан», — сказав він Френсіс Німмо, планетолог з Каліфорнійського університету в Санта-Крус.

Потім, у 1996 році, космічний корабель NASA Galileo пролетів повз Європу та виявив дивне магнітне поле, що виходить зсередини. «Ми не розуміли, що це таке», — сказав Маргарет Ківельсон, космічний фізик з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі, який відповідав за магнітометр космічного корабля. Зрештою вона та її команда зрозуміли, що електропровідна рідина — щось усередині Місяця — здригається у відповідь на величезне магнітне поле Юпітера. «Єдине, що мало якийсь сенс, — сказав Ківельсон, — це якби під поверхнею льоду була оболонка з розплавленої рідини».

У 2004 році космічний корабель NASA Cassini прибув до Сатурна. Коли він спостерігав за маленьким супутником Сатурна Енцеладом, він виявив корускацію крижані шлейфи вивергаючись із величезних прірв на південному полюсі Місяця. І коли Кассіні пролетів крізь ці носики, докази були безпомилковими — це був солоний океан, який енергійно виливався в космос.

Тепер океани Землі більше не є унікальними. Вони просто дивні. Вони існують на освітленій сонцем поверхні нашої планети, тоді як моря зовнішньої Сонячної системи заховані під льодом і купаються в темряві. І ці підземні рідкі океани, здається, є правилом для нашої Сонячної системи, а не винятком. Окрім Європи та Енцелада, майже напевно існують інші супутники з океанами, вкритими льодом. Флот космічних кораблів детально досліджуватиме їх протягом наступного десятиліття.

Усе це породжує очевидний парадокс. Ці супутники існували в морозних куточках нашої Сонячної системи протягом мільярдів років — достатньо довго, щоб залишкове тепло від їх створення вийшло в космос багато років тому. Будь-яке підповерхневе море вже повинно бути суцільним льодом. Отже, як ці супутники, що обертаються так далеко від сонячного тепла, все ще можуть мати океани сьогодні?

Все більше доказів свідчать про те, що може існувати кілька способів підтримувати океани з рідкою водою протягом мільярдів років. Розшифровка цих рецептів може пришвидшити наші пошуки, щоб визначити, наскільки легко чи складно з’явитися життя в космосі. Щойно проаналізовано дані зі старих космічних апаратів, а також нещодавні спостереження NASA Космічний корабель "Юнона". і Джеймс Вебб космічний телескоп, додають все більше доказів того, що ці теплі океани містять хімію, корисну для біології, і що внутрішня Сонячна система — не єдине місце, яке життя потенційно може назвати своїм домом.

Ці океанічні супутники також пропонують більші можливості. Помірні, потенційно придатні для життя океани можуть бути неминучим наслідком формування планети. Можливо, неважливо, наскільки далеко планета та її супутники знаходяться від ядерного вогню своєї зірки. І якщо це правда, то кількість ландшафтів, які ми можемо досліджувати в пошуках життя за межами Землі, майже безмежна.

«Океани під крижаними місяцями здаються дивними та неймовірними», — сказав Стівен Венс, астробіолог і геофізик з Лабораторії реактивного руху NASA.

І все ж ці чужорідні моря залишаються рідкими.

Океан, загорнутий у дзеркало

Вчені підозрюють, що кілька супутників, які обертаються навколо Юпітера і Сатурна, і, можливо, навіть деякі обертаються навколо Урана і Нептуна, містять океани. Величезний Ганімед і пошкоджена кратерами Каллісто створюють слабкі магнітні сигнали, схожі на Європу. Покритий туманом Титан Сатурна також, дуже ймовірно, має підповерхневий океан із рідкою водою. «Це п’ять, щодо яких більшість вчених у спільноті відчувають себе досить впевнено», – сказав він Майк Сорі, планетолог з Університету Пердью.

Поки що єдиною абсолютною впевненістю в океані є Енцелад. «Це безглуздо», — сказав Карлі Ховетт, планетолог з Оксфордського університету.

У 1980-х роках деякі вчені підозрювали, що Енцелад має шлейфи; Кільце E Сатурна було настільки чистим і блискучим, що щось — можливо, з одного з його супутників — повинно витікати в космос і постійно його оновлювати. Після того, як Кассіні нарешті побачив цю магію, що прикрашає планети, у дії, вчені коротко поставили під сумнів, чи можуть південнополярні шлейфи Місяця бути результатом випаровування сонячним світлом льоду в місячній оболонці — схоже на википання сухого льоду при нагріванні, можливо, сонячним світлом.

«Деякий час точилася суперечка про те, чи потрібен взагалі океан», — сказав Німмо. «Що справді привело до цього, коли [Кассіні] пролетів крізь шлейф і вони знайшли сіль — хлорид натрію. Це океан». Існував шанс, що ці шлейфи могли вивергатися з меншого, більш ізольованого моря. Але подальші спостереження Кассіні показали, що оболонка Енцелада коливається вперед-назад настільки різко, що вона повинна бути відділена від глибин Місяця глобальним океаном.

Шлейфи також викачують водень і кварц, ознаки активності глибоководних гідротермальних жерл. Френк Постберг, планетолог у Вільному університеті Берліна. На Землі такі отвори виробляють тепло та хімію, необхідні для живлення екосистем, які існують за межами досяжності сонячного світла — спільнот організмів, які колись вважали вчені, не можуть існувати в нашому залежному від фотосинтезу світі.

Але що може живити систему вентиляції, достатньо потужну, щоб нагріти цілий океан? Інший місяць — цей вогняний — міг би надати ці підказки.

Вічні, пекельні припливи

У червні 1979 року, за місяць до близького прольоту "Вояджера-2" над Європою, вчені оголошений що «Вояджер-1» побачив титанічні шлейфи у формі парасольки, що хвилювалися в космос над Іо — відбитки вивержень кількох вулканів.

Це спостереження мало бути збентеженим: вулканізм потребує внутрішнього джерела тепла, а Іо, як і інші крижані супутники, мав бути не більше ніж вуглинками. Але кількома місяцями раніше незалежна група вчених не помилилася передвіщений що Іо може бути гіперактивним вулканічним світом.

Вони заснували свій прогноз на орбітальний танець найбільших супутників Юпітера. За кожні чотири орбіти, які Іо здійснює, Європа робить два, а Ганімед один. Ця орбітальна конфігурація, відома як резонанс, змушує Іо коливатися вперед-назад, роблячи його орбіту еліптичною. Коли Іо знаходиться ближче до Юпітера, гравітація планети тягне на нього сильніше. Коли він знаходиться далі, сила Юпітера слабша. Це нескінченне гравітаційне перетягування канату створює скелясту поверхню Іо рухатися вгору і вниз на 100 метрів, така ж висота 30-поверхового будинку. Це припливи, як і на Землі — тільки в твердій породі, а не у воді.

Ці припливи створюють тертя всередині місяця, що генерує тепло. І це приливне нагрівання є достатньо сильним, щоб розтопити камінь глибоко всередині Іо. «На Іо немає водного океану, але, ймовірно, є океан магми», — сказав Німмо. (Галілей там також підхопив вторинне магнітне поле, створене a глобальний підземний резервуар розплавленої породи.)

Європа також відчуває деяке приливне нагрівання. Але наскільки ці припливи нагрівають океан, залежить від того, де на Місяці вони відбуваються; іншими словами, достатньо тепла має потрапити в океан, щоб він залишався рідким. «Припливне нагрівання могло відбуватися в самому крижаному панцирі, або це могло відбуватися в кам’янистому ядрі під ним», – сказав Німмо. Вчені не знають, що є правильним, тому вони не можуть сказати напевно, який внесок приливного нагрівання в рідкі надра Європи.

Енцелад також розтягується і стискається своїм гравітаційним танго з сусіднім супутником під назвою Діона. Теоретично це може спричинити припливи, які нагрівають внутрішність Місяця. Але припливів, створених його резонансом з Діоною, принаймні на папері, здається, недостатньо, щоб пояснити його океан. Цифри ще не працюють, сказав Сорі, і кількості виробленого тепла недостатньо для підтримки глобального океану протягом мільярдів років з моменту народження Сонячної системи. Можливо, як і у випадку з Європою, вчені не зовсім знають, де припливи створюють тепло в Енцеладі.

Іншим фактором, який вводить в оману, є те, що орбіти не є постійними протягом астрономічного часу. Оскільки планетарні системи розвиваються, супутники мігрують, і «припливне нагрівання може вмикатися та вимикатися, коли речі дрейфують у різні резонанси та виходять із них», — сказав Девід Ротері, планетолог із Відкритого університету у Великобританії. Вчені підозрюють, що це сталося з Мірандою та Аріель, двома супутниками Урану, які, можливо, були колишніми партнерами по танцю; ці супутники виглядають так, ніби вони колись були геологічно активними, але зараз такими є суперечливо заморожені до своїх ядер.

Подібним чином, Енцелад, можливо, не завжди мав Діону як танцювального партнера: можливо, їхній бугі, що обертається навколо Сатурна, розпочався нещодавно та зігрів раніше твердий місяць. Але цей сценарій також складно пояснити. «Легше утримувати океан і підтримувати його, ніж заморожувати і переплавляти», — сказав Сорі. Таким чином, якщо припливне нагрівання відповідає виключно за океан Енцелада, то Місяць є ветераном танцю, який стрибає протягом кількох мільярдів років.

Наразі єдина впевненість щодо океану цього Місяця полягає в тому, що він існує. Як це виникло і як воно все ще існує сьогодні, «є одним із справді великих невирішених питань», сказав Сорі. «Енцелад важко розгадати».

Радіоактивні ренегати 

На щастя, теплі місячні інтер’єри не залежать виключно від припливів.

Половина внутрішнього тепла Землі утворилася від її народження. Решта походить від розпаду радіоактивних елементів. Подібним чином багаті каменями глибини крижаних супутників повинні містити пристойну кількість урану, торію та калію — радіоактивних сховищ, які можуть варити оточення протягом сотень мільйонів, якщо не мільярдів років, перш ніж вони розпадуться на стабільні елементи та перестануть виділяти тепло. .

Більші супутники починалися з щедрими сховищами радіоактивної речовини. І, можливо, це все, що потрібно їхнім океанам. «Для великих супутників, таких як Ганімед, Каллісто і Титан, вони неминучі через радіогенний фактор», — сказав Венс. Деякі вчені навіть стверджують, що Плутон має підповерхневий океан. Як і три супутники, ця карликова планета, ймовірно, ізольована досить товстою корою, яка уповільнює витік радіоактивної печі в космос.

Проте відносно маленькі серця ліліпутських супутників, таких як Енцелад, не містять достатньо радіоактивної речовини, щоб зберегти їх підсмаженими протягом мільярдів років. Однією з незадовільних розв’язок цієї головоломки є те, що, можливо, Енцеладу просто пощастило: радіоактивність могла б пояснити ранню частину його океанічного минулого, а його танець з Діоною — пізніший епізод. Можливо, «зараз ми перебуваємо в точці переходу, коли радіогенне [нагрівання] стає настільки низьким, що припливне нагрівання бере верх», — сказав Постберг.

Якщо так, то, можливо, Енцелад є мікросвітом Всесвіту: випадкове поєднання приливного нагрівання та радіоактивності. Це означало б, що океанічні супутники можуть існувати всюди — або, навпаки, майже ніде.

Молоді океани

З іншого боку, і суперечливо, деякі вчені стверджують, що Енцелад міг бути надзвичайно молодим.

У купах даних, зібраних космічним кораблем Кассіні, ховаються натяки на те, що Сатурн не народився зі своїми знаковими кільцями. Натомість зараз багато вчених переконані в цьому утворилися кільця лише кілька сотень мільйонів років тому. Нове дослідження з використанням суперкомп’ютерів для моделювання насильства між місяцем припускає, що кільця Сатурна утворилися, коли два стародавні супутники зіткнулися приблизно в той час, коли стегозаври бродили по Землі. Ця аварія всіяла орбіту Сатурна легіонами крижаних осколків; у той час як багато хто сформував кільця, інші зруйнували існуючі супутники та створив нові. І якщо кільця молоді, Енцелад і кілька інших супутників також можуть бути молодими.

«Таке відчуття, що люди стають більш відкритими до того, що Місяці молоді», — сказав Яків Кегеррайс, науковий співробітник Дослідницького центру Еймса НАСА в Маунтін-В’ю, штат Каліфорнія, і співавтор нещодавнього дослідження формування кільця.

На користь цієї ідеї виявляється, що вчені не знають, скільки років деяким супутникам Сатурна. «Енцеладу може бути лише кілька сотень мільйонів або десятків мільйонів років», — сказав Ротері. Якщо це так, то тепло від його несамовитого народження може все ще підтримувати його молодий океан у рідині.

Але історія про молоді місяці далеко не певна — величезна кількість кратерів, які багато демонструють, свідчить про те, що супутники переживали пандемоніум Сонячної системи, схожий на пінбол, протягом багатьох еон. «Я вважаю, що кілька сотень мільйонів років тому в системі Сатурна сталося щось дивне», — сказав Німмо. «Але я припускаю, що всім супутникам 4.5 мільярда років».

Супутникові віщуни

Оскільки місії «Галілео» та «Кассіні» давно припинили роботу, вчені тепер покладають надії на два космічні кораблі: «Юпітер Icy Moons Explorer» Європейського космічного агентства, який нещодавно запустив, і «Europa Clipper» NASA, який цього не зробив. Обидва прибудуть до Юпітера на початку наступного десятиліття.

І це повертає нас до Європи, місяця, який першим змусив переосмислити космічний контекст, у якому існують моря Землі.

Однією з цілей космічного корабля «Кліпер», який планується полетіти в жовтні 2024 року, є (за словами список цілей місії), щоб «підтвердити» існування океану Європи. «Було багато суперечок щодо цього слова», — сказав Німмо. Кліппер міг знайти щось інше, ніж океан; замість цього може бути замерзле море, наповнене кишенями талої води. Або «це може бути тонкий шар золота», — пожартував Німмо. «Я думаю, що на 99% впевнений, що там є океан».

Якщо припустити, що Clipper підтвердить існування океану Європи, він приступить до роботи над характеристикою Місяця та його підземного моря. Для цього космічний корабель почне з визначення, які молекули знаходяться на поверхні Місяця — і, якщо вченим пощастить, в океані під ним. Коли він пролітає повз Місяць, Clipper поглине будь-який мікроскопічний пил, лід або водяну пару, що вилітає з поверхні Місяця. Ці частинки буде вивчати його аналізатор поверхневого пилу інструмент: коли зерна потрапляють на металеву пластину, вони випаровуються та заряджаються електрикою, що дозволяє інструменту розкрити хімічну приналежність зерна.

Є надія, що шлейфи м’яко викидають океан Європи в космос, що значно полегшить пошуки Кліппера. Такі носики можуть існувати, але вони не будуть такими, як у Енцелада; вони можуть бути більш періодичними та географічно спорадичними. Або їх може не бути взагалі — у такому випадку є надія, що удари мікрометеоритів можуть відколоти крижану оболонку, звільнивши супони з океану та розбризкуючи їх у бік Кліпера.

І може виявитися, що коли справа доходить до збереження тепла, Європа та інші супутники покладаються на хімічні прийоми, які не такі чужі, як ми могли б очікувати. Взимку «ми солимо дороги, щоб знизити температуру танення», — сказав Сорі. Можливо, океан Європи особливо солоний, що знизило б температуру замерзання. Однак інші сполуки були б більш ефективними антифризами — «зокрема, аміак», — сказав Сорі, якого більше у великій кількості далі від випаровуваного сонячного світла.

Припливи, радіоактивність, хімія та молодість: ці інгредієнти, якщо їх правильно змішати, можуть створювати — і підтримувати — океани на цих крижаних місяцях. «Враховуючи всі ці речі, я не думаю, що це або/або», — сказав Ховетт. Конкретний рецепт для кожного супутника може відрізнятися. Можуть бути сотні способів створити заповнений океаном крижаний місяць.

Відкриття таємного океану Європи «справді змінило уявлення людей про супутники», сказав Ківельсон. І це поставило науку на курс, щоб визначити, чи можуть інопланетні форми життя заселити ці чужі моря, і, можливо, зробити відкриття, яке назавжди змінить наше уявлення про наше місце у Всесвіті.

Quanta проводить серію опитувань, щоб краще обслуговувати нашу аудиторію. Візьміть наші опитування читачів з фізики і ви будете введені, щоб виграти безкоштовно Quanta товар