Onderzeese oceanen op maanachtige manen (bijv. Europa, Enceladus) en de zoektocht naar biosignaturen
Een nieuwe benadering van bewoonbaarheid
Decennialang zochten planeetkundigen naar leefbare omstandigheden vooral op Aardachtige vaste oppervlakken, ervan uitgaande dat dit plaatsvindt in de zogenaamde "bewoonbare zone", waar vloeibaar water kan bestaan. Recente ontdekkingen tonen echter aan dat er op ijsmanen interne oceanen kunnen zijn, ondersteund door getijdenwarmte of radioactieve stoffen, waarin vloeibaar water onder dikke ijslagen ligt – buiten het bereik van zonlicht. Dit breidt ons begrip uit van waar leven kan floreren: van dichtbij de zon (Aarde) tot verre, koude, maar met voldoende energie en stabiliteit geschikte omgevingen rond reuzenplaneten.
Van alle voorbeelden springen Europa (maan van Jupiter) en Enceladus (maan van Saturnus) er bijzonder uit: beide bevatten overtuigend bewijs voor zoute onderijs oceanen, mogelijke chemische of hydrothermale energievoorziening en mogelijke voedingsbronnen. Onderzoek van deze, evenals Titan en Ganymedes, laat zien dat bewoonbaarheid in verschillende vormen kan bestaan en niet noodzakelijkerwijs alleen in traditioneel begrepen oppervlaktelagen. Hieronder bespreken we hoe zulke omgevingen werden ontdekt, welke levensvoorwaarden er kunnen zijn en hoe toekomstige missies biosignaturen willen zoeken.
2. Europa: oceaan onder het ijsoppervlak
2.1 Geologische aanwijzingen van "Voyager" en "Galileo"
Europa, iets kleiner dan de maan van de aarde, heeft een helder met waterijs bedekt oppervlak, dat wordt doorkruist door donkere lineaire structuren (scheuren, heuvelruggen, chaotische gebieden). De eerste aanwijzingen werden gevonden op "Voyager"-foto's (1979), gedetailleerdere "Galileo"-gegevens (jaren 90) toonden een jong, geologisch actief oppervlak met weinig kraters. Dit suggereert dat interne warmte of getijdenkracht het korstoppervlak steeds vernieuwt, en dat er onder de ijslaag een oceaan kan bestaan die glad ijs en "chaotisch" ijs in stand houdt.
2.2 Getijdenwarmte en onderijs oceaan
Europa beweegt in Laplace-resonantie samen met Io en Ganymedes, waardoor getijde-effecten Europa in elke baan buigen. Deze wrijving genereert warmte die voorkomt dat de oceaan bevriest. Modellen voorspellen:
- Dikte van de ijslaag: van enkele kilometers tot ~20 km, meestal wordt ~10–15 km genoemd.
- Diepte van vloeibaar water: 60–150 km, waardoor Europa mogelijk meer water bevat dan alle oceanen op aarde samen.
- Zoutgehalte: de oceaan is waarschijnlijk zout, met chloriden (NaCl) of magnesiumsulfaten, zoals spectrale analyse en geochemische berekeningen aantonen.
Getijdenwarmte beschermt de oceaan tegen bevriezing, terwijl de ijskap isoleert en helpt een vloeibare laag aan de onderkant te behouden.
2.3 Mogelijkheden voor het bestaan van leven
Voor leven zoals wij dat begrijpen zijn vloeibaar water, een energiebron en essentiële chemische elementen cruciaal. Op Europa:
- Energie: getijdenwarmte en mogelijk hydrothermale bronnen op de bodem, als de rotsachtige mantel actief is.
- Chemie: oxidanten gevormd door straling in het oppervlakte-ijs kunnen via scheuren in de oceaan terechtkomen en redoxreacties mogelijk maken. Er kunnen ook zouten en organische verbindingen aanwezig zijn.
- Biosignaturen: mogelijke zoektocht omvat het zoeken naar organische moleculen in uitgeworpen oppervlaktemateriaal of zelfs chemische sporen in de oceaan (bijv. onevenwichtigheden die wijzen op levensprocessen).
2.4 Missies en toekomstig onderzoek
De NASA-missie "Europa Clipper" (gepland voor lancering medio 2020) zal meerdere voorbije vluchten uitvoeren, de dikte van de ijslaag onderzoeken, de chemische samenstelling analyseren en zoeken naar mogelijke geisers of anomalieën in de oppervlaktensamenstelling. Een voorgestelde lander zou materiaal van het oppervlak kunnen verzamelen. Als scheuren in het ijs of geisers materiaal uit de oceaan naar het oppervlak brengen, kan zo'n analyse sporen van microbieel leven of complexe organische verbindingen onthullen.
3. Enceladus: de geisermaan rond Saturnus
3.1 Ontdekkingen van "Cassini"
Enceladus, een kleine (~500 km in diameter) maan van Saturnus, was een onverwachte verrassing toen de "Cassini"-sonde (sinds 2005) geisers van waterdamp, ijsdeeltjes en organische stoffen detecteerde die opstegen uit de zuidpool (de zogenaamde "tijgerstrepen"). Dit wijst erop dat er onder een dunne ijslaag vloeibaar water aanwezig is.
3.2 Kenmerken van de oceaan
Gegevens van de "Cassini" massaspectrometer onthulden:
- Zout water in geiserdeeltjes, met NaCl en andere zouten.
- Organische verbindingen, inclusief complexe koolwaterstoffen, die de mogelijkheid van vroege chemische evolutie versterken.
- Thermische anomalieën: Getijdenwarmte geconcentreerd in het zuiden, die ten minste een regionale onderijs oceaan ondersteunt.
Gegevens tonen aan dat Enceladus een globale oceaan kan hebben, bedekt door 5–35 km ijs, hoewel de dikte op verschillende plaatsen kan variëren. Er zijn aanwijzingen dat water interactie heeft met een rotsachtige kern, mogelijk hydrothermale energiebronnen creërend.
3.3 Potentieel voor leefbaarheid
Enceladus heeft een groot potentieel voor leefbaarheid:
- Energie: getijdenwarmte plus mogelijke hydrothermale bronnen.
- Water: bevestigde zoute oceaan.
- Chemie: aanwezigheid van organische verbindingen in geisers, diverse zouten.
- Beschikbaarheid: actieve geisers spuwen water de ruimte in, dus sondes kunnen direct monsters verzamelen zonder ijs te hoeven boren.
Voorgestelde missies zouden een orbitale of landingssonde kunnen omvatten om geiserdeeltjes gedetailleerd te analyseren – op zoek naar complexe organische verbindingen of isotopen die biochemische processen kunnen aantonen.
4. Andere ijzige manen en lichamen met mogelijke onderijs oceanen
4.1 Ganymedes
Ganymedes, de grootste maan van Jupiter, kan een gelaagde interne structuur hebben met een mogelijke waterige laag. Gegevens van "Galileo" over het magnetisch veld wijzen op een geleidende (waarschijnlijk zoute water) laag onder het oppervlak. Men denkt dat die oceaan ingesloten kan zijn tussen meerdere ijslagen. Hoewel Ganymedes verder van Jupiter afligt, is de getijdenwarmte daar kleiner, maar radioactieve en resterende warmtebronnen kunnen een gedeeltelijk vloeibare laag in stand houden.
4.2 Titan
Saturnus' grootste maan Titan heeft een dichte stikstofatmosfeer, meren van methaan/ethaan aan het oppervlak en mogelijk een onderijs oceaan van water/ammoniak. Gegevens van "Cassini" tonen zwaartekrachtsafwijkingen die overeenkomen met een vloeibare laag diep vanbinnen. Hoewel de vloeistoffen aan het oppervlak voornamelijk uit koolwaterstoffen bestaan, zou de interne oceaan van Titan (indien bevestigd) waarschijnlijk uit water bestaan, wat een andere mogelijke leefomgeving zou kunnen zijn.
4.3 Triton, Pluto en anderen
Triton (Neptunus' maan, waarschijnlijk "ontvoerd" uit de Kuipergordel) zou een onderijs oceaan kunnen behouden hebben door getijdenverwarming na de overname. Pluto (onderzocht door "New Horizons") kan ook een gedeeltelijk vloeibare binnenkant hebben. Veel transneptunische objecten (TNO's) kunnen tijdelijke of bevroren oceanen hebben, hoewel dit moeilijk direct te bevestigen is. Dus water kan niet alleen binnen de baan van Mars verborgen zijn: in verder gelegen gebieden kunnen mogelijk waterige lagen en potentiële incubators voor leven bestaan.
5. Zoeken naar biosignaturen
5.1 Voorbeelden van levensindicatoren
Mogelijke tekenen van leven in ijsoceanen kunnen zijn:
- Chemische onbalans: Bijvoorbeeld concentraties van niet-compatibele oxidatoren en reductoren die moeilijk te verklaren zijn door niet-biologische processen.
- Complexe organische verbindingen: Aminozuren, lipiden of polymeerverbindingen die worden uitgestoten in geisers of in het oppervlakteijs.
- Isotopenverhoudingen: De samenstelling van koolstof- of zwavelisotopen die afwijkt van abiotische fractioneringspatronen.
Omdat deze oceanen onder enkele tot zelfs tientallen kilometers ijs liggen, is het direct bemonsteren ervan moeilijk. Maar de geisers van Enceladus of mogelijk uitbarstingen van Europa maken het mogelijk om de inhoud van de oceaan direct in de ruimte te onderzoeken. Toekomstige instrumenten zouden zelfs kleine hoeveelheden organische stoffen, celstructuren of isotopische handtekeningen kunnen detecteren.
5.2 Missies voor direct onderzoek en boorideeën
Geplande projecten zoals de "Europa Lander" of "Enceladus Lander" bieden de mogelijkheid om enkele centimeters of meters in vers ijs te boren of materiaal uit geisers te verzamelen met geavanceerde apparatuur (bijv. gaschromatograaf-massaspectrometer, microscoopniveau beeldvorming). Ondanks technologische uitdagingen (risico op besmetting, radioactieve omgeving, beperkte energiebron) zouden dergelijke missies doorslaggevend kunnen bevestigen of ontkennen dat microbieel leven bestaat.
6. De algemene rol van ijsoceanen
6.1 Uitbreiding van het concept van de "leefbare zone"
Gewoonlijk betekent de leefbare zone het gebied rond een ster waar op het oppervlak van rotsachtige planeten vloeibaar water kan ontstaan. Maar met de ontdekking van interne oceanen, ondersteund door getijden- of radioactieve warmte, zien we dat bewoonbaarheid niet noodzakelijk direct afhangt van de warmte van de ster. Daarom kunnen manen van reuzenplaneten – zelfs ver buiten de "klassieke leefbare zone" – levensvatbare omstandigheden hebben. Dit betekent dat de bewoonbaarheid van manen in de buitenste gebieden van exoplanetensystemen ook een reële mogelijkheid is.
6.2 Astrobiologie en het ontstaan van leven
De studie van deze oceaanwerelden werpt licht op alternatieve evolutiepaden. Als leven kan ontstaan of overleven onder ijs, zonder zonlicht, betekent dit dat de verspreiding ervan in het universum veel groter kan zijn. In de diepten van de aardse oceanen bij hydrothermale bronnen wordt vaak de mogelijkheid gezien dat hier de eerste levende organismen konden ontstaan; vergelijkbare omstandigheden op de zeebodem van Europa of Enceladus zouden chemische gradiënten voor leven kunnen creëren.
"6.3 De betekenis van toekomstig onderzoek"
"Als het lukt om duidelijke biosignaturen te vinden op een ijzige maan, zou dat een enorme wetenschappelijke doorbraak zijn die een "tweede oorsprong van leven" in ons zonnestelsel aantoont. Dit zou onze opvattingen over de verspreiding van leven in de kosmos veranderen en gerichtere zoektochten naar exomaanleven in verder gelegen sterrenstelsels stimuleren. Missies zoals NASA's "Europa Clipper", voorgestelde Enceladus-orbiters of geavanceerde boortechnologieën zijn essentiële stappen voor deze astrobiologische doorbraak."
7. Conclusie
"Ondergrondse oceanen in ijzige manen, zoals Europa en Enceladus, zijn enkele van de meest veelbelovende levensvatbare omgevingen buiten de aarde. Getijdenwarmte, geologische processen en mogelijke hydrothermale systemen wijzen erop dat deze verborgen oceanen, zelfs ver van de warmte van de zon, microbiële ecosystemen kunnen herbergen. Enkele andere lichamen – Ganymedes, Titan, mogelijk Triton of Pluto – kunnen ook vergelijkbare lagen hebben, elk met hun eigen chemie en geologie."
"De zoektocht naar biosignaturen" op deze locaties is gebaseerd op het bestuderen van ejecta (uitbarstende materialen) of in de toekomst het nemen van diepe monsters. Elke ontdekking van leven (of ten minste een geavanceerd chemisch systeem) hier zou een wetenschappelijke revolutie teweegbrengen, waarbij een "tweede" oorsprong van leven in hetzelfde zonnestelsel wordt onthuld. Dit zou het begrip uitbreiden van hoe wijdverspreid leven in het universum kan zijn en onder welke omstandigheden het kan bestaan. Naarmate het onderzoek vordert, breidt het concept dat "bewoonbaarheid" alleen mogelijk is in de traditionele oppervlakkige context binnen de zone van de dichtstbijzijnde ster zich voortdurend uit – bevestigend dat het universum levenshabitats kan verbergen op de meest onverwachte en afgelegen plekken."
Links en verdere lectuur
- Kivelson, M. G., et al. (2000). "Galileo magnetometermetingen: Een sterker bewijs voor een ondergrondse oceaan op Europa." Science, 289, 1340–1343.
- Porco, C. C., et al. (2006). "Cassini observeert de actieve zuidpool van Enceladus." Science, 311, 1393–1401.
- Spohn, T., & Schubert, G. (2003). "Oceanen in de ijzige Galileïsche manen van Jupiter?" Icarus, 161, 456–467.
- Parkinson, C. D., et al. (2007). "Enceladus: Cassini-waarnemingen en implicaties voor de zoektocht naar leven." Astrobiology, 7, 252–274.
- Hand, K. P., & Chyba, C. F. (2007). "Empirische beperkingen voor de zoutgehalte van de ocean van Europa en implicaties voor een dunne ijslaag." Icarus, 189, 424–438.