Podpowierzchniowy ocean Enceladusa odróżnia go od pozostałych księżyców Saturna – ale dlaczego?Nowe odpowiedzi na tajemnice dotyczące księżyców Saturna mogą rzucić światło na to, czy Enceladus może wspierać życie. Naukowcy zbadali dlaczego Enceladus skrywa podpowierzchniowy ocean, podczas gdy brak go na innych księżycach.
Saturn ma nie tylko niezwykłe pierścienie, ale może poszczycić się ponad 60 księżycami. Te naturalne satelity mają rozmiar od maleńkich księżyców o szerokości mniejszej niż 300 metrów do ogromnego Tytana, który ma większą średnicę niż planeta Merkury. Wiele z tych księżyców orbituje daleko od planety, natomiast inne są osadzone w pierścieniach.
Fascynujące księżyce Saturna
Temat pochodzenia i ewolucji większych wewnętrznych księżyców Saturna, takich jak: Mimas, Enceladus, Tethys, Dione i Rhea (wymienione w kolejności rosnącej średnicy, masy i odległości od planety) nadal stanowi tajemnicę. Naukowcy oczekiwali, że gęstości i struktury tych księżyców będą zależeć od ich masy lub odległości od Saturna, ale sondy analizujące je nieoczekiwanie udowodniły, że tak nie jest.
Poprzednie badania sugerowały, że księżyce te zbierały szczątkowy materiał z pierścieni wokół Saturna. Natomiast przyciąganie grawitacyjne z planety spowodowałoby potężne siły pływowe na księżycach, które doprowadziłyby cięższą skałę do zatopienia się w jądrach księżyców, a jaśniejszy lód skumulowałby się w ich skorupach. Takie efekty pływowe stają się silniejsze, gdy księżyce zbliżają się do planety i słabsze, gdy oddalają się od niej.
Co ciekawe, Mimas nie wykazuje żadnej aktywności geologicznej, mimo że jest najbardziej wewnętrznym z pięciu księżyców i tym samym podlega najsilniejszym pływom Saturna. Natomiast Enceladus jest dalej od Saturna i doświadcza 30 razy słabszych pływów niż Mimas. Jednak siły pływowe topią lód w jego wnętrzu, prowadząc do gigantycznego podziemnego oceanu i kriowulkanów, które wyrzucają wodę na zewnątrz.
Co więcej, Rhea jest największym wewnętrznym księżycem, a więc tym, który najprawdopodobniej najdłużej zatrzyma ciepło, które pomogłoby stopić jego skałę i lód oraz podzielić jego wnętrze na warstwy. Wcześniejsze prace sugerowały, że ten księżyc może być mieszanką skał i lodu. Natomiast Mimas, Enceladus i Dione, które są mniejsze niż Rhea, mają struktury skalistego jądra i lodowych powierzchni.
Aby rozwiązać zagadkę księżyców Saturna, naukowcy chcieli modelować wpływ pływów grawitacyjnych na geologię księżyców. Jednak symulacje orbit, które powodują pływy, działają w skali dziennej, podczas gdy symulacje geologii zazwyczaj działają w skali milionów lat. Dlatego wcześniejsze prace zazwyczaj wybierały jedno lub drugie podejście, modelując pływy lub geologię. W nowym badaniu naukowcy zaprojektowali modele komputerowe symulujące zarówno zmiany geologiczne, jak i uproszczone efekty orbitalne, które księżyce mogły doświadczyć w ciągu około 4,5 miliarda lat życia Saturna.
Naukowcy odkryli, że siły pływowe doprowadzą do wystarczającej aktywności geologicznej dla przeszłych lub obecnych oceanów, aby istniały we wnętrzach Enceladusa, Tethysa i Dione. Enceladus prawdopodobnie nadal ma podziemny ocean, ponieważ jego oddziaływania grawitacyjne z innymi księżycami, takimi jak Tethys i Dione, utrzymują jego orbitę stosunkowo podłużną. Wynikające z tego ciągłe zmiany siły przyciągania grawitacyjnego Saturna regularnie zmieniają kształt Enceladusa, rozciągając go i ogrzewając wnętrze księżyca.
„Jest to pierwsze wyjaśnienie zgodne z danymi zwróconymi przez sondę NASA Cassini, w jaki sposób mały księżyc, taki jak Enceladus, ma podpowierzchniowy ocean, gdy inne towarzyszące mu księżyce, które są większe lub bliższe Saturna, mimo pozornego większego prawdopodobieństwa posiadania takich oceanów, ich nie mają.”
– powiedział Marc Neveu, planetolog z NASA Goddard Space Flight Center i główny autor badania.
Naukowcy odkryli również, że Mimas, który prawdopodobnie powstał zaledwie 100 milionów do 1 miliarda lat temu, gdyby był starszy, jego interakcje z pierścieniami Saturna doprowadziłyby księżyc na wyższą orbitę, niż obecnie zajmuje. Młody wiek Mimasa oznacza, że księżyc uformował się, gdy cały materiał radioaktywny obecny w formacji Układu Słonecznego około 4,6 miliarda lat temu już się rozpadł. W związku z tym jego wnętrzności stały się zbyt zimne i trudne do ogrzania przez siły pływowe.
„Kiedy lód jest cieplejszy i bardziej elastyczny, staje się bardziej wrażliwy na siły pływowe, które go deformują. Mimasowi brakowało minimalnej ilości ciepła, aby siły pływowe wywoływały niekontrolowane ogrzewanie.”
– powiedział Neveu.
Co do Rhei i jej warstwowości, pomiary wnętrza księżyca z sondy Cassini mają pewien stopień niepewności. Możliwe więc, że głębsze warstwy księżyca są bardziej skaliste, a warstwy bliskie powierzchni lodowe.
„Podsumowując, odkrycia sugerują, że podpowierzchniowy ocean Enceladusa ma około 1 miliarda lat. 1 miliard lat oznacza, że nadal istnieje wystarczająca aktywność chemiczna między skalistym rdzeniem Enceladusa i jego oceanem, zapewniająca energię dla każdego potencjalnego życia mikrobiologicznego – podobna do energii chemicznej na dnie morskim Ziemi, która pomaga utrzymać tam ekosystemy. Ocean nie jest zbyt młody i nie jest zbyt stary. Może to być odpowiedni wiek dla życia.”
– powiedział Neveu.
Neveu ostrzegł, że kluczowym ograniczeniem tego badania było uproszczenie, które mogło wpłynąć na jego dokładność. „Nie obliczyliśmy wysokich pływów i odpływów, które każdy z pięciu księżyców doświadczył w tym samym czasie co kilka godzin przez 4,5 miliarda lat – aby zrobić to dobrze, takie obliczenia zajęłyby około 20 lat na komputerze stacjonarnym” – podkreśla naukowiec. W przyszłości naukowcy chcą symulować bardziej złożone scenariusze, obejmujące więcej interakcji Saturna i jego satelitów.
Enceladus to pierwszy obcy „wodny świat” ze złożonymi związkami organicznymi
W gejzerach Enceladusa odkryto złożone cząsteczki organiczne pochodzące z jego podpowierzchniowego oceanu. W 2005 r. sonda NASA Cassini wykryła pióropusze pary wodnej i lodowych cząstek wyrzucanych z Enceladusa, ujawniając istnienie olbrzymiego oceanu ukrytego pod zamarzniętą skorupą księżyca. Ponieważ życie istnieje praktycznie wszędzie, gdzie istnieje woda na Ziemi, odkrycie te sugeruje, że życie może istnieć również na Enceladusie.
Wcześniej naukowcy wykryli w pióropuszach Enceladusa tylko proste związki organiczne (oparte na węglu), każdy mniejszy niż około pięć atomów węgla. W nowszych badaniach naukowcy wykryli złożone cząsteczki organiczne, niektóre złożone z co najmniej 15 atomów węgla.
Naukowcy przeanalizowali dane zebrane przez Cassini, gdy sonda przeleciała przez pióropusz Enceladusa, a także z momentu, w którym sonda przeleciała przez pierścień E Saturna, który składa się z ziaren lodu wyrzuconych z tego księżyca. Badacze wykryli ziarna lodu wypełnione złożonym materiałem organicznym zarówno w pióropuszu, jak i pierścieniu E. Naukowcy przypuszczają, że te organiczne materiały powstały wewnątrz gorącego, skalistego i rozdrobnionego rdzenia Enceladusa, a następnie przeniknęły do chłodniejszego oceanu przez otwory hydrotermalne.
Naukowcy ostrzegli, że nowe odkrycia nie są solidnym dowodem na życie, ponieważ reakcje biologiczne nie są jedynymi potencjalnymi źródłami złożonych cząsteczek organicznych. Następnym logicznym krokiem jest powrót do Enceladusa w celu zbadania jego oceanów.
„Nigdzie indziej potencjalnie nadające się do zamieszkania pozaziemskie siedlisko oceaniczne nie może być tak łatwo zbadane przez misję kosmiczną, jak w przypadku Enceladusa”.
– powiedział Frank Postberg, planetolog z Uniwersytetu Heidelberg w Niemczech.
Enceladus i jego gejzery
Enceladus ma co najmniej pięć różnych rodzajów terenu na swojej powierzchni. Powierzchnię zdobią kratery osiągające rozmiary nie większe niż 35 km. Inne regiony są gładkie i wolne od oznak uderzeń, co wskazuje na niedawną zmianę (odnowę) powierzchni. Dostrzec można też liczne równiny, szczeliny i pęknięcia w skorupie.
Mimo niewielkiego rozmiaru księżyc świeci bardzo jasno. Lodowa powierzchnia Enceladusa odbija ponad 90 procent światła słonecznego, które na nią pada, co czyni go jednym z najjaśniejszych obiektów w Układzie Słonecznym. Ponieważ księżyc odbija światło słoneczne zamiast je pochłaniać, osiąga niskie temperatury powierzchni, jak minus 201 stopni C.
Enceladus ma tylko jedną siódmą średnicy księżyca Ziemi. Jest szóstym co do wielkości księżycem Saturna. Podobnie jak większość sferycznych ciał, ma kształt spłaszczonej sferoidy, wybrzuszonej nieco wokół równika z powodu skutków grawitacji, powodowanych obrotem księżyca. Ponieważ księżyc nie jest bardzo masywny i odczuwa jedynie najmniejszą siłę grawitacji na swojej powierzchni, naukowcy byli zaskoczeni odkryciem, że ma atmosferę, która dominuje na cieplejszym biegunie południowym. Dalsze obserwacje misji NASA Cassini ujawniły pęknięcia na powierzchni, znane jako „tygrysie pasy”, które okresowo wyrzucały materiał w przestrzeń. Podczas gdy niektóre z lodowych erupcji zasilały atmosferę księżyca, większość materiału uciekła w przestrzeń kosmiczną. Lodowe gejzery Enceladusa przyczyniają się do tworzenia pierścienia E Saturna, największego pierścienia planetarnego w Układzie Słonecznym, obejmującego około miliona kilometrów. W odróżnieniu od innych pierścieni, pierścień E składa się z drobnych cząstek, a nie dużych kawałków skały.
Przynajmniej 101 gejzerów wyrzuca w przestrzeń lodowy materiał z wnętrza księżyca gdy Enceladus wchodzi w interakcję z Saturnem. Siły grawitacyjne otwierają i zamykają pęknięcia, gdy księżyc przemieszcza się bliżej i dalej od swojej planety w trakcie swojej eliptycznej orbity. Możliwe, że gejzery zawierają materiał bezpośrednio z podpowierzchniowego oceanu, co może oznaczać, że statek kosmiczny może zbadać zawartość oceanu bez konieczności nurkowania.
Gejzery są najsilniejsze, gdy Enceladus znajduje się najdalej od Saturna. Chociaż zamarzający księżyc powinien być zbyt zimny dla płynnej wody, obecność amoniaku w materiale z Enceladusa może działać jako środek zapobiegający zamarzaniu. Kwasowość wykryta w pióropuszach Enceladusa również nie wyklucza życia. Cassini wykrył inne złożone związki chemiczne i organiczne w parujących pióropuszach, co może sprawić, że Enceladus będzie jasnym punktem w Układzie Słonecznym, jeśli chodzi o warunki do wspierania życia. Mały lodowy księżyc jest zatem doskonałym celem do dalszych badań.
