Новини з Сонячної системи: гейзери на Європі і водяної пар над Церерою

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 70

Ріс. 1. Супутник Юпітера Європа. Видно ударний кратер Пуйл (Pwyll). Більш темними виглядають області підвищеної мінералізації, що говорить про можливий контакт підлідного океану з покладами льоду на поверхні. Фото з сайту ru.wikipedia.org

Спостереження на космічному телескопі «Хаббл» показують, що підлідний океан на супутнику Юпітера Європі може контактувати з поверхнею. Поблизу південного полюса Європи виявлено викиди водяної пари, що посилюються або слабшають залежно від її положення на орбіті. Вони свідчать про тріщини в крижаній корі, які періодично відкриваються під дією приливних сил і дозволяють воді випаровуватися і виходити назовні. Викиди водяної пари виявлені і на Церері, найбільшому тілі головного поясу астероїдів, але там вони, ймовірно, пов’язані з сублімацією (випаром) поверхневого льоду через сонячний нагрів.

Підлідний океан рідкої води на Європі

Коли перші міжпланетні зонди досягли околиць Юпітера, вони виявили, що поверхня одного з його супутників, Європи, нагадує потрісканий лід замерзлих озер і морів Землі (рис. 2). Європа покрита безліччю перетинаються темних смуг, причому старі смуги часто перетинаються більш молодими і злегка розриваються в цих місцях, ніби вздовж нової смуги відбувався паралельний зсув поверхні. На Європі майже відсутні ударні кратери, що означає високу мінливість її поверхні (чого і слід очікувати від льоду). Вчені вважають, що лінії в основному утворюються під дією приливних сил, викликаних тяжінням Юпітера.

Ріс. 2. Ліворуч: смуги на Європі, праворуч: тріщини в льоду Байкалу. Зображення з сайтів solarsystem.nasa.gov і gelio-nsk.livejournal.com

Але при приливних деформаціях тріщини повинні розташовуватися і орієнтуватися певним чином. Однак збіг спостерігається тільки у найсвіжіших смуг, а більш старі випадковим чином відхиляються від передбачень: чим старше, тим сильніше. Це означає, що поверхня Європи не пов’язана механічно з ядром і являє собою крижану кору поверх рідкого або дуже пластичного шару. Підтримка цього шару в нагрітому і рідкому стані, як передбачається, досягається за рахунок приливного розігріву: при нерівномірному орбітальному русі супутника приливні хвилі переміщуються по його поверхні і викликають періодичні деформації і нагрів через сили тертя (наприклад, саме приливний розігрів відповідає за вулканізм на іншому супутнику Юпітера — Іо, самому геологічно активному тілі в Сонячній системі; див. також Tidal heating). Приливний розігрів може сприяти і вулканізму на дні океану.

Ще одне свідчення на користь існування підлідного океану на Європі було отримано шляхом вимірювання магнітного поля. Зонд «Галілео», який досліджував Юпітер і його супутники в 1990-х роках, виявив у Європи слабке магнітне поле (близько 120 нТ, що в 500 разів менше земного), яке змінюється при русі Європи по орбіті. Це можна пояснити тим, що поблизу її поверхні є електропровідний шар, в якому набагато сильніше магнітне поле Юпітера генерує струми, які, в свою чергу, породжують власне поле Європи. За оцінками авторів статті, присвяченої цьому питанню (див.: C. Zimmer et al., 2000. Subsurface Oceans on Europa and Callisto: Constraints from Galileo Magnetometer Observations), що проводить шар на Європі залягає не глибше 200 км, а його електропровідність становить не менше 0,02 См/м (сименсів на метр), тобто така ж, як у солоної води. Навіть у найбільш пластичних форм льоду або скельних порід при не дуже високих температурах і тисках електропровідність значно нижче.

Таким чином, все вказує на те, що під крижаною корою Європи ховається океан рідкої води, і в ньому, завдяки вулканізму на дні, є всі умови для існування життя: вода, поживні речовини і джерело енергії. Екосистеми дна (якщо вони, звичайно, є) можуть бути схожими на екосистеми чорних курців на Землі, в яких організми використовують розчинені у воді мінерали і вулканічне тепло. Як дослідити цей океан більш детально? Чи потрібно бурити крижаний шар, товщина якого, за різними даними, становить від 3 до 30 км? Чи можна знайти свіжозаморожену воду з глибин океану поблизу темних смуг Європи (в ній можуть зберегтися органічні домішки, які ще не зруйновані від впливу космічної радіації)? Чи контактує океан з поверхнею безпосередньо або свіжий матеріал на поверхні — результат конвекції в нижньому, пластичному шарі кори? (Нагріті області льоду можуть підніматися в пластичному шарі за рахунок сили Архімеда і частково розплавлятися з утворенням ізольованих неглибоких резервуарів — аналогів магматичних плюмів.) У будь-якому випадку, дослідження європеанського океану in situ передбачає складні і дорогі місії. Але зроблене нещодавно відкриття (див. нижче) дозволяє сподіватися, що дослідження підлідного океану Європи і навіть доставка зразків речовини з нього на Землю може виявитися набагато легше.

Гейзери на Європі

Після відкриття гейзерів на Енцеладі, супутнику Сатурна, вчені стали шукати свідчення схожої активності і на інших тілах, в першу чергу — на Європі, як на досить ймовірному володарі підлідного океану. Утворення областей, подібних Коннемарському хаосу (рис. 3, див. також Conamara Chaos), і розтріскування поверхні швидше за все має супроводжуватися контактом води (або, принаймні, більш теплого льоду) з поверхнею і викидами водяної пари. Тобто наявність гейзерів стала б одночасно підтвердженням геологічної активності кори і вказівкою на те, що матеріал океану Європи можна відшукати десь ближче до поверхні.

Ріс. 3. Торосиста область Коннемарський хаос — найбільший з п’яти хаосів Європи, що служать доказом існування підлідного океану. Фото з сайту astronomycentral.co.uk

Група вчених на чолі з Йоахімом Зауром (Joachim Saur) з Кельнського університету спостерігала Європу на космічному телескопі «Хаббл» в ультрафіолетовому діапазоні (див. електромагнітне випромінювання), в лініях емісії нейтрального атомарного кисню (130,4 і 135,6 нм) і атомного водню з довжиною хвилі 121,6 нм лайальман — так званої лінії. Передбачалося, що водяний пар в околицях Європи (якщо він там є) буде розщеплюватися ультрафіолетовим випромінюванням Сонця (див. фотодисоціація) на водень і кисень, які будуть збуджуватися тим же випромінюванням і давати надлишкове світіння в цих лініях.

Лід теж дисоціює під дією випромінювання (особливо за відсутності азоту і вуглекислого газу, що якраз має місце в атмосфері Європи), але він розкладається значно повільніше, ніж пар, а легкі атоми водню швидко набувають швидкість вище другої космічної для Європи і залишають її область тяжіння. Більш важкі атоми кисню рухаються повільніше, вони затримуються біля Європи, встигаючи рекомбінувати в молекули O₂ і утворити розріджену кисневу атмосферу Європи (тиск 10^-7 Па — в трильйон разів менше земного і всього в тисячу разів більше, ніж у міжпланетному просторі). Так що в нормальних умовах водню поблизу Європи бути не повинно: для цього необхідна достатня кількість водяного пари, який виробляє атоми водню набагато ефективніше льоду. Стільки пара не може утворитися в результаті сублімації льоду, адже температура на Європі занадто низька (-170 ° C на екваторі, -220 ° C на полюсах), і лід на ній не випаровується навіть у вакуумі. Отже, надлишкове утворення атомного водню і кисню могло б бути пояснено тільки наявністю гейзерів.

Спостереження, вироблені в грудні 2012 року в лінії світіння водню, показали саме таку надлишкову емісію, центр якої знаходився в південних полярних широтах поблизу 90 градусів західної довготи, а розмір відповідав двохсоткілометровій хмарі пари з концентрацією води в промені зору 1, 5· ¹⁰20 молекул^/м2 (рис. 4). Ці ж області відповідали посиленню емісії в лініях кисню, що підтверджує природу викиду: він складається з водяної пари. Автори обговорюваної статті не наводять сумарної маси води в хмарі, але виходячи з його розмірів (напівсфера в 200 км) і сили тяжкості на Європі можна оцінити його масу в 10 т, а витрата пара — в 10 кг/с.

Ріс. 4. Зображення Європи: у видимому світлі (верхній ряд) і в ультрафіолеті, отримані на космічному телескопі «Хаббл». У лінії Lyman-^ (121,6 нм): сумарне випускання (другий зверху ряд), випускання після вирахування відбиття сонячного світла від поверхні (середній ряд). У лініях кисню: 130,4 нм (четвертий ряд) і 135,6 нм (п’ятий ряд). Лівий стовпчик — жовтень 1999 року, середній — листопад 2012 року, правий — грудень 2012 року. Спостереження в грудні 2012 року проводилися, коли Європа перебувала далі всього від Юпітера і тріщини повинні були бути відкриті, інші спостереження — в інших точках орбіти. Контури позначають відношення сигналу до шуму. Зображення з обговорюваної статті в Science

«Приливний» механізм

Як показують спостереження, активність викидів досягає максимуму, коли Європа знаходиться поблизу апоцентру (найбільш віддаленої від Юпітера точки своєї орбіти), і зменшується в перицентрі, що свідчить про приливний механізм активації викидів. Це узгоджується з моделями впливу приливних сил від Юпітера на крижану кору Європи, тріщини в ній повинні відкриватися саме поблизу полюсів (що, до речі, спостерігається і на Енцеладі, супутнику Сатурна) і в самих далеких від Юпітера точках орбіти, а при наближенні до нього вони повинні «закриватися».

Вчені відзначають велику швидкість виривається назовні матеріалу — 700 м/с (розраховану за вимірами максимальної висоти викидів і виходячи з відомого значення прискорення вільного падіння на Європі — 1,3 м/с²). Це говорить про виверження з дуже вузьких і глибоких тріщин. Такі швидкості занадто великі, і їх важко пояснити розширенням при перепаді тиску в тріщинах від рівноважного тиску пара над водою або теплим льодом (десятки паскалів) до тиску поблизу гирла гейзера (воно на порядки більше середнього тиску в хмарі і не може бути нижче сотих часток паскаля, інакше виходять нереалістично великі площі отворів: тисячі км², якщо воно близько 1. Па, і одиниці км², якщо воно близько 1 мПа). Можливо, за розгін відповідають інші процеси, наприклад видавлювання пари при періодичному захлопуванні тріщин, але це — предмет подальших досліджень. Також все-таки не виключається повністю, що пар в тріщинах не пов’язаний з океаном, а утворюється, коли їх стінки нагріваються при інтенсивному терті один про одного. Однак форма тріщин і ознаки геологічної молодості поверхні вказують, що можливий і прямий контакт з океаном. А насправді, ймовірно, мають місце обидва механізми.

Наявність на Європі гейзерів радикально полегшує доставку матеріалу з Європи на Землю: не треба сідати на поверхню і злітати з неї, витрачаючи велику кількість палива. Достатньо тільки запустити орбітальний зонд, який пролетить через викиди і забере частину їхнього матеріалу в холодну пастку (або аерогелеву, як в апараті «Стардаст»), і направити його назад до Землі.

Церера: карликова планета в поясі астероїдів з крижаною корою

Ще один претендент на наявність води — Церера, найбільший об’єкт головного поясу астероїдів. Як показують останні дослідження, багато об’єктів головного поясу астероїдів є не просто кам’яними брилами або шматками металу, а можуть мати досить складну будову. Так, на орбіті іншого астероїда цього поясу, Вести, з липня 2011-го по вересень 2012 року працював космічний апарат Dawn. Виявилося, що Веста, незважаючи на свій невеликий розмір (530 км), являє собою диференційоване тіло з геологічною історією і складається з маленького залізного ядра, кам’яної мантії і кори із застиглої лави. А в перші кілька мільйонів років на Весті мав місце інтенсивний вулканізм, що приводиться в дію розпадом короткоживучих радіоактивних ізотопів.

Ріс. 5. Церера. Ліворуч — зображення з космічного телескопа «Хаббл». Праворуч — внутрішня будова: залізокам’яне ядро, мантія з водяного льоду, кора з суміші льоду з пилом. Зображення з сайту en.wikipedia.org

Діаметр Церери майже 1000 км, що можна порівняти з розміром середніх супутників Сатурна; це дає підставу припустити, що її будова також диференційована. Найцікавіше, що низька щільність Церери і наявність на її поверхні льоду, карбонатів і сильно гідратованих мінералів свідчать на користь наявності у неї шару водяного льоду товщиною в десятки кілометрів (рис. 5), що робить її схожою на Європу! Більш того, механізми нагріву Вести, безумовно, могли мати місце і на Церері. Передбачається, що в перші кілька мільйонів років після формування цих тіл вони сильно підігрівалися розпадом радіоактивних елементів, в тому числі і відносно тих, хто поцілив (наприклад, алюмінію-26 з періодом напіврозпаду близько 717 000 років, якого спочатку було багато в скельних породах; докладніше див. статтю N. Moscowitz, E. Gaidos. Differentiation of Planetesimals and the Thermal Consequences of Melt Migration). Ймовірно, на початку історії цього небесного тіла його надра були розплавлені, а значить, і частина води на ньому знаходилася в рідкому стані. Космічний апарат Dawn прибуде до Церери тільки в 2015 році, а поки вчені регулярно спостерігають її в наземні і космічні телескопи.

Гейзери Церери: «кометний» механізм

Вчені з Південної європейської обсерваторії досліджували Цереру за допомогою інфрачервоного космічного телескопа «Гершель». На відміну від Європи, ці спостереження проводилися в далекому інфрачервоному діапазоні, в області спектру поблизу 538,3 мкм (тобто в тисячу разів довше хвиль видимого світла), де знаходиться одна з ліній поглинання і випускання нейтральних молекул води. Оскільки гранична роздільна здатність телескопа пропорційна довжині хвилі, у цих спостереженнях диск Церери не був різним (хоча апертура телескопа в півтора рази більше, ніж у «Хаббла»). Незважаючи на це, приблизне розташування місця викидів було встановлено за допомогою вимірювання допплерівського зсуву спостережуваної спектральної лінії, який викликаний обертанням Церери навколо своєї осі (рис. 6). Виявилося, що викиди локалізуються в найтемніших ділянках диска Церери. Таким чином, утворення водяної пари, ймовірно, пов’язане з сонячним нагрівом.

Ріс. 6. Залежність допплерівського зсуву лінії води на довжині хвилі 538,3 мкм (по вертикалі) від фази обертання Церери (по горизонталі) і співвіднесення максимумів з деталями поверхні. Точки з червоними інтервалами (невизначеностями) — експериментальні дані, синя лінія — гладка апроксимація; швидкість викидів сягає {400 м/с. Карта поверхні має найкращу доступну на даний момент якість, оскільки у Церери дуже малий видимий диск. Зображення з обговорюваної статті в Nature

Швидкості викидів сягають сотень метрів на секунду, що, як і на Європі, означає викид пари через вузькі і довгі отвори. Схоже, що на Церері має місце «кометний» механізм викидів, коли пар накопичується під поверхнею і виривається через тріщини в ній. Церера розташована набагато ближче до Сонця, ніж Європа, і її поверхня набагато темніша, так що вона може нагріватися вище -50 ° C. При цій температурі водяний лід може помітно випаровуватися в умовах космічного вакууму.

Автори статті навели оцінки швидкості випаровування: 6 кг на секунду (спочатку розрахували загальну кількість пари за інтенсивністю ліній, потім розділили її на середній час, який проходить від моменту викиду до випадання на поверхню або відходу в космічний простір, і отримали необхідну для заповнення витрату матеріалу). Якщо прийняти, що вся поглинана поверхнею енергія від Сонця йде на сублімацію, то ефективна площа сублімації виходить рівною всього 0,6 км² (0,0000001 від всієї площі поверхні Церери). В реальності, звичайно, далеко не все сонячне світло витрачається на сублімацію, і ефективна площа на два або три порядку більше, але все одно становить малу частку поверхні Церери. Лід може випаровуватися як зі свіжих метеоритних кратерів, які пробили зовнішній шар пилу, так і з-під пилового шару. Збіг джерел водяної пари з найбільш темними ділянками поверхні Церери і висока швидкість викидів, мабуть, свідчать на користь другого варіанту, але в реальності може мати місце комбінація механізмів. Не можна списувати з рахунків і кріовулканізм. На відміну від супутників газових гігантів, Церера не може нагріватися через припливи, але, за деякими моделями, довгоживучі ізотопи в її ядрі можуть підтримувати в нижніх шарах кори достатню температуру для утворення пластичного льоду і початку конвекції в ньому або навіть для часткового плавлення. Без джерел нагрівання температура крижаної кори Церери вже давно опустилася б до середньої температури її поверхні — до ‑ 105 ° C. Але якщо в льоду є значна примітка аміаку, він може почати плавитися всього при _ 80 ° C, і необхідна ступінь розігріву не так вже й велика. Зрозуміти, який механізм утворення водяної пари діє на Церері, допоможуть подальші спостереження: сублімація під дією сонячного нагріву повинна варіюватися зі зміною сезонів, а криовулканізм від них не залежить.

Таким чином, Церера перестала бути просто найбільшим астероїдом — тепер це карликова планета з деякими рисами найбільшої комети Сонячної системи, і зі шаром льоду, під яким у минулому, ймовірно, ховався рідкий океан, і зі слідами взаємодії впливу води і мінералів на поверхні. Чи залишився океан рідким досі, звідки з’явився водяний пар в околицях Церери, і, ймовірно, багато іншого ми дізнаємося зовсім скоро, коли космічний апарат Dawn вийде на її орбіту в лютому 2015 року.

Джерела:

1) Lorentz Roth et al. Transient water vapor at Europa’s south pole // Science. V. 343. P. 171.

2) Michael Küppers et al. Localized sources of water vapour on the dwarf planet (1) Ceres // Nature V. 505. P. 525.

Іван Лавренов