Zemūdens okeāni Mēness tipa pavadoņos (piemēram, Europa, Encelads) un biosignatūru meklēšana
Jauns skatījums uz dzīvotspēju
Daudzus gadu desmitus planetologi meklēja dzīvībai piemērotus apstākļus galvenokārt Zemes tipa cietajās virsmās, uzskatot, ka tas notiek tā dēvētajā "dzīvības zonā", kur var pastāvēt šķidrs ūdens. Tomēr jaunākie atklājumi liecina, ka ledus pavadoņos var būt iekšējie okeāni, ko uztur paisuma siltuma avoti vai radioaktīvas vielas, un kuros šķidrs ūdens atrodas zem biezām ledus kārtām – bez Saules starojuma ietekmes. Tas paplašina mūsu izpratni par to, kur var plaukt dzīvība: no Saules tuvumā esošās (Zeme) līdz tālām, aukstām, bet ar piemērotu enerģiju un stabilitātes apstākļiem, milzu planētu apkārtnē.
No visiem piemēriem Europa (Jupitera pavadoņa) un Encelads (Saturna pavadoņa) izceļas īpaši spilgti: abos ir pārliecinoši pierādījumi par sāļajiem zemledus okeāniem, iespējamu ķīmiskās vai hidroterminās enerģijas piegādi un iespējamiem barības resursiem. Pētot šos, kā arī Titānu vai Ganimēdu, redzams, ka dzīvotspēja var pastāvēt dažādās formās un ne vienmēr tikai tradicionāli saprotamajos virsmas slāņos. Zemāk apskatām, kā šādas vides tika atklātas, kādas var būt dzīvības iespējas un kā nākotnes misijas plāno meklēt biosignatūras.
2. Europa: okeāns zem ledus virsmas
2.1 Ģeoloģiskās norādes no „Voyager“ un „Galileo“
Europa, nedaudz mazāka par Zemes pavadoņu Mēnesi, ir gaiša ūdens ledus klāta virsma, ko šķērso tumšas lineāras struktūras (plaisas, kalni, haotiskas zonas). Pirmās norādes atrastas „Voyager“ fotogrāfijās (1979. g.), detalizētāki „Galileo“ dati (1990. g.) parādīja jaunu, ģeoloģiski aktīvu virsmu ar maz krāteru. Tas liecina, ka iekšējā siltuma vai paisuma spēks regulāri atjauno garozas virsmu, un zem ledus slāņa var pastāvēt okeāns, kas uztur gan gludu, gan "haotisku" ledu.
2.2 Paisuma siltums un poledus okeāns
Eiropa kustas Laplas rezonansē kopā ar Io un Ganimēdu, tāpēc paisuma efekti katrā orbītā liek Eiropai locīties. Šī berze rada siltumu, kas neļauj okeānam sasalst. Modeļi paredz:
- Leda slāņa biezums: no dažiem līdz ~20 km, visbiežāk minēts ~10–15 km.
- Šķidrā ūdens dziļums: 60–150 km, tāpēc Eiropā varētu būt vairāk ūdens nekā visos Zemes okeānos kopā.
- Sāļums: iespējams, ka okeāns ir sāļš, satur hlorīdus (NaCl) vai magnija sulfātus, to rāda spektrālā analīze un ģeohīmiskie aprēķini.
Paisuma siltums pasargā okeānu no sasalšanas, bet ledus pārklājums izolē un palīdz saglabāt šķidru slāni apakšā.
2.3 Dzīvības pastāvēšanas iespējas
Dzīvībai, kādu mēs saprotam, svarīgākais ir šķidrs ūdens, enerģijas avots un galvenie ķīmiskie elementi. Eiropā:
- Enerģija: paisuma siltums un iespējams hidrotermini avoti dibenā, ja klints mantija ir aktīva.
- Ķīmija: virsmas ledū radiācijas radītie oksidētāji var iekļūt okeānā caur plaisām un nodrošināt oksidācijas-redukcijas reakcijas. Var būt arī sāļi un organiskās vielas.
- Biosignatūras: to meklēšana var ietvert organisko molekulu meklēšanu izsviestajās virsmas vielās vai pat okeāna ķīmiskās pēdas (piemēram, disbalansus, kas norāda uz dzīvības reakcijām).
2.4 Misijas un nākotnes pētījumi
NASA misija „Europa Clipper“ (plānota startēt 2020. gadu vidū) veiks vairākus pārlidojumus, pētīs ledus slāņa biezumu, ķīmisko sastāvu un meklēs iespējamos ģeizerus vai virsmas sastāva anomālijas. Piedāvātais nolaišanās aparāts (lander) varētu paņemt materiālu no virsmas. Ja plaisas ledū vai ģeizeri paceļ okeāna materiālu uz virsmu, šāda analīze varētu atklāt mikrobisko dzīvības formu pēdas vai sarežģītas organiskās vielas.
3. Encelads: ģeizeru Mēness ap Saturnu
3.1 „Cassini“ atklājumi
Encelads, neliels (~500 km diametrā) Saturna pavado, kļuva par negaidītu pārsteigumu, kad „Cassini“ zonde (kopš 2005. gada) fiksēja ūdens tvaiku, ledus daļiņu un organisko vielu ģeizerus, kas cēlās no dienvidpola (t.s. “tīģera svītras”). Tas liecina, ka šajā apgabalā zem plāna ledus slāņa ir šķidrs ūdens.
3.2 Okeāna īpašības
"Cassini" masas spektrometra dati atklāja:
- Sāļš ūdens geizeru daļiņās ar NaCl un citām sāļām.
- Organiskie savienojumi, tostarp sarežģīti ogļūdeņraži, kas pastiprina agrīnas ķīmiskās evolūcijas iespējamību.
- Termiskās anomālijas: paisuma siltums, koncentrēts dienvidos, uzturot vismaz reģionālu poledus okeānu.
Dati liecina, ka Encelads varētu būt globāls okeāns, pārklāts ar 5–35 km ledus, lai gan biezums var atšķirties dažādās vietās. Ir norādes, ka ūdens mijiedarbojas ar klinšu kodolu, iespējams, radot hidroterminus enerģijas avotus.
3.3 Dzīvotspējas potenciāls
Encelads izceļas ar lielu dzīvotspējas potenciālu:
- Enerģija: paisuma siltums plus iespējamie hidrotermini avoti.
- Ūdens: apstiprināts sāļš okeāns.
- Ķīmija: organisko savienojumu klātbūtne geizeros, dažādas sāļi.
- Pieejamība: aktīvi geizeri izmet ūdeni kosmosā, tāpēc zondes var tieši savākt paraugus, nav nepieciešams urbšanas ledus.
Ierosinātās misijas varētu ietvert orbītu vai nolaišanās zondi, lai detalizēti analizētu geizeru daļiņas – meklējot sarežģītas organiskās vielas vai izotopus, kas var liecināt par bioķīmiskiem procesiem.
4. Citi ledus pavadoņi un ķermeņi ar iespējamiem poledus okeāniem
4.1 Ganimeds
Ganimeds, lielākais Jupitera pavadoņs, varētu būt slāņaina iekšējā struktūra ar iespējamu ūdens slāni. "Galileo" dati par magnētisko lauku rāda vadītāju (visticamāk sāļā ūdens) slāni zem virsmas. Uzskata, ka šis okeāns varētu būt iesprostots starp vairākiem ledus slāņiem. Lai gan Ganimeds ir tālāk no Jupitera, paisuma siltums tur ir mazāks, bet radioaktīvais un atlikušais siltuma enerģijas avots var uzturēt daļēji šķidru slāni.
4.2 Titāns
Saturna lielākais pavadoņs Titāns ir blīva slāpekļa atmosfēra, metāna/etāna ezeri virsmā un iespējams poledus ūdens/amonjaka okeāns. "Cassini" dati rāda gravitācijas novirzes, kas saskan ar šķidru slāni dziļi iekšpusē. Lai gan virsmas šķidrumi galvenokārt sastāv no ogļūdeņražiem, Titāna iekšējais okeāns (ja tas tiks apstiprināts) visticamāk sastāvētu no ūdens, kas varētu būt vēl viena dzīvības vide.
4.3 Tritons, Plutons un citi
Tritons (Neptūna pavado, visticamāk "nolaupīts" no Kuipera jostas) varēja saglabāt poledus okeānu pēc nolaupīšanas izraisītās paisuma sasilšanas. Plutons (to pētīja "New Horizons") arī varētu būt daļēji šķidrs iekšpuse. Daudzi transneptūna objekti (TNO) var saturēt īslaicīgus vai sasalušus okeānus, lai gan to ir grūti tieši apstiprināt. Tātad ūdens var slēpties ne tikai Marsa orbītā: arī tālākos reģionos iespējami ūdens slāņi un potenciāli dzīvības inkubatori.
5. Biosignatūru meklēšana
5.1 Dzīvības indikatoru piemēri
Iespējamie dzīvības rādītāji ledus okeānos var būt:
- Ķīmisks nelīdzsvarotības stāvoklis: piemēram, nesaderīgu oksidētāju un reducētāju koncentrācija, ko grūti izskaidrot ar nebioloģiskiem procesiem.
- Sarežģītas organiskās vielas: aminoskābes, lipīdi vai polimēru savienojumi, kas tiek izmesti ģeizeros vai virsmas ledū.
- Izotopu attiecības: oglekļa vai sēra izotopu sastāvs, kas atšķiras no abiotiskās frakcionēšanas modeļiem.
Tā kā šie okeāni slēpjas zem vairākiem vai pat vairākiem desmitiem kilometru ledus, tiešu paraugu iegūšana ir sarežģīta. Tomēr Encelada ģeizeri vai varbūt Eiropas izvirdumi ļauj pētīt okeāna saturu tieši kosmosā. Nākotnes ierīces varētu atklāt pat nelielu organisko vielu, šūnu struktūru vai izotopu parakstu daudzumu.
5.2 Tiešo pētījumu misijas un urbšanas idejas
Plānotie projekti, piemēram, „Europa Lander“ vai „Enceladus Lander“, piedāvā izurbt vismaz dažus centimetrus vai metrus svaigā ledū vai savākt no ģeizeriem izmesto materiālu ar modernu aprīkojumu (piemēram, gāzu hromatogrāfa-masas spektrometra iekārtu, mikroskopa līmeņa attēlošanu). Neskatoties uz tehnoloģiskajiem izaicinājumiem (piesārņošanas risks, radiācijas vide, ierobežots enerģijas avots), šādas misijas varētu galīgi apstiprināt vai noliegt mikrobu dzīvības esamību.
6. Ledus okeānu pasaļu kopējā loma
6.1 "Dzīvības zonas" jēdziena attīstība
Parasti dzīvības zona nozīmē reģionu ap zvaigzni, kur uz akmeņainu planētu virsmas var veidoties šķidrs ūdens. Tomēr atklājot iekšējos okeānus, ko uztur paisuma vai radioaktīvā siltuma ietekme, redzam, ka dzīvotspēja nav tieši atkarīga no zvaigznes siltuma. Tāpēc milzu planētu pavadoņi – pat tālu no "klasiskās dzīvības zonas" – var nodrošināt dzīvībai svarīgus apstākļus. Tas nozīmē, ka eksoplanētu sistēmu ārējās daļās riņķojošo pavadoņu dzīvotspēja ir arī reāla iespēja.
6.2 Astrobioloģija un dzīvības izcelsme
Šo okeānu pasaļu pētījumi izgaismo alternatīvus evolūcijas ceļus. Ja dzīvība var rasties vai pastāvēt zem ledus, bez Saules gaismas, tad tās izplatība Visumā var būt daudz plašāka. Zemes okeāna dziļumos pie hidroterminiem avotiem bieži tiek saskatīta iespēja, ka šeit varēja veidoties pirmie dzīvie organismi; līdzīgas apstākļi Eiropas vai Encelada jūras dibenā varētu radīt ķīmiskus gradientus dzīvībai.
6.3 Nākotnes pētījumu nozīme
Ja izdotos atrast acīmredzamas biosignatūras ledainā pavadoņā, tas būtu milzīgs zinātnes lūzums, kas liecinātu par “otro dzīvības rašanos” mūsu Saules sistēmā. Tas mainītu mūsu priekšstatus par dzīvības izplatību kosmosā un veicinātu mērķtiecīgāku eksomēnulu meklēšanu tālākās zvaigžņu sistēmās. Tādas misijas kā NASA „Europa Clipper“, piedāvātie Encelada orbiteri vai progresīvās urbšanas tehnoloģijas ir būtisks solis šim astrobioloģijas izrāvienam.
7. Secinājums
Pazemes okeāni ledainajos pavadoņos, piemēram, Eiropā un Enceladā, ir vieni no perspektīvākajiem dzīvotspējas centriem ārpus Zemes. Tides siltums, ģeoloģiskie procesi un iespējamās hidrotermines sistēmas liecina, ka pat tālu no Saules siltuma šie slēptie okeāni varētu saturēt mikrobiskas ekosistēmas. Vēl daži ķermeņi – Ganimeds, Titāns, iespējams, Tritons vai Plutons – arī varētu saturēt līdzīgus slāņus, katrs ar savu ķīmiju un ģeoloģiju.
Biosignatūru meklēšana šajās vietās balstās uz izplūdes (izvirmojošās vielas) pētījumiem vai nākotnē – dziļuma paraugu ņemšanu. Jebkāds dzīvības (vai vismaz attīstītas ķīmiskas sistēmas) atklājums šeit izraisītu zinātnisku revolūciju, atklājot “otro” dzīvības izcelsmi tajā pašā Saules sistēmā. Tas paplašinātu izpratni par to, cik plaši Visumā var pastāvēt dzīvība un kādas var būt tās dzīves vides. Turpinot pētījumus, izpratne, ka “dzīvotspēja” iespējama tikai tradicionālajā virsmas kontekstā tuvākajā zvaigžņu zonā, pastāvīgi paplašinās – apstiprinot, ka Visums var slēpt dzīvības mājvietas visnegaidītākajās un attālākajās vietās.
Saites un turpmāka lasīšana
- Kivelson, M. G., et al. (2000). “Galileo magnetometra mērījumi: Spēcīgāks arguments par pazemes okeāna esamību Eiropā.” Science, 289, 1340–1343.
- Porco, C. C., et al. (2006). “Cassini novēro aktīvo Encelada dienvidpolu.” Science, 311, 1393–1401.
- Spohn, T., & Schubert, G. (2003). “Okeāni Jupitera ledainajos Galileja pavadoņos?” Icarus, 161, 456–467.
- Parkinson, C. D., et al. (2007). “Encelads: Cassini novērojumi un sekas dzīvības meklējumiem.” Astrobiology, 7, 252–274.
- Hand, K. P., & Chyba, C. F. (2007). “Empīriskie ierobežojumi Eiropas okeāna sāļumam un sekas plānas ledus čaulas esamībai.” Icarus, 189, 424–438.