Підводні океани на супутниках типу Місяця (наприклад, Європа, Енцелад) та пошук біосигнатур
Новий підхід до придатності для життя
Протягом багатьох десятиліть планетологи шукали умови, придатні для життя, переважно на твердих поверхнях типу Землі, вважаючи, що це відбувається у так званій «зоні життя», де може існувати рідка вода. Однак останні відкриття показують, що у льодових супутниках можуть бути внутрішні океани, які підтримуються припливними джерелами тепла або радіоактивними речовинами, і де рідка вода знаходиться під товстими шарами льоду — поза досяжністю сонячного випромінювання. Це розширює наше розуміння того, де може процвітати життя: від близьких до Сонця (Земля) до далеких, холодних, але за наявності відповідної енергії та стабільних умов, у зонах гігантських планет.
З усіх прикладів Європа (супутник Юпітера) та Енцелад (супутник Сатурна) виділяються особливо яскраво: в обох є надійні докази наявності солоних підльодових океанів, можливого хімічного або гідротермального джерела енергії та потенційних поживних ресурсів. Вивчаючи їх, а також Титан чи Ганімед, видно, що придатність для життя може існувати у різних формах і не обов’язково лише у традиційно розумітих поверхневих шарах. Нижче розглядаємо, як були виявлені такі середовища, які можуть бути умови для життя і як майбутні місії планують шукати біосигнатури.
2. Європа: океан під льодовою поверхнею
2.1 Геологічні натяки з «Voyager» і «Galileo»
Європа, трохи менша за супутник Землі Місяць, має світлу поверхню, покриту водяним льодом, яку прорізають темні лінійні структури (тріщини, горбистості, хаотичні ділянки). Перші натяки виявлені на фотографіях «Voyager» (1979 р.), детальніші дані «Galileo» (1990-ті) показали молоду, геологічно активну поверхню з небагатьма кратерами. Це дозволяє припустити, що внутрішнє тепло або припливні сили постійно оновлюють поверхню кори, а під льодовим шаром може існувати океан, який підтримує рівний і «хаотичний» лід.
2.2 Припливне тепло та підльодовиковий океан
Європа рухається в резонансі Лапласа разом з Іо та Ганімедом, тому припливні ефекти на кожній орбіті деформують Європу. Це тертя генерує тепло, яке не дає океану замерзнути. Моделі припускають:
- Товщина льодового шару: від кількох до ~20 км, найчастіше згадується ~10–15 км.
- Глибина рідкої води: 60–150 км, тому в Європі може бути більше води, ніж у всіх океанах Землі разом узятих.
- Солоність: ймовірно, що океан солоний, містить хлориди (NaCl) або сульфати магнію, про що свідчать спектральний аналіз і геохімічні розрахунки.
Припливне тепло захищає океан від замерзання, а льодовий покрив ізолює і допомагає зберегти рідкий шар внизу.
2.3 Можливості існування життя
Для життя, яке ми розуміємо, найважливішими є рідка вода, джерело енергії та основні хімічні елементи. В Європі:
- Енергія: припливне тепло та, можливо, гідротермальні джерела на дні, якщо кам'яна мантія активна.
- Хімія: окисники, утворені радіацією у поверхневому льоду, можуть проникати в океан через тріщини і забезпечувати окисно-відновні реакції. Також можуть бути присутні солі та органічні сполуки.
- Біосигнатури: можливий їх пошук включає виявлення органічних молекул у викинутих на поверхню матеріалах або навіть хімічних слідів океану (наприклад, дисбалансів, що вказують на життєві реакції).
2.4 Місії та майбутні дослідження
Місія NASA «Europa Clipper» (запланована на середину 2020-х) здійснить кілька прольотів, досліджуючи товщину льодового шару, хімічний склад і шукаючи можливі гейзери чи аномалії поверхневого складу. Запропонований посадковий апарат (lander) міг би взяти зразки з поверхні. Якщо тріщини в льоду або гейзери викидають матеріал океану на поверхню, такий аналіз міг би виявити сліди мікробного життя або складних органічних сполук.
3. Енцелад: супутник-гейзер навколо Сатурна
3.1 Відкриття «Кассіні»
Енцелад, невеликий (~500 км у діаметрі) супутник Сатурна, став несподіванкою, коли зонд «Кассіні» (з 2005 року) зафіксував гейзери водяної пари, крижаних частинок і органіки, що піднімаються з південного полюса (так звані «тигрові смуги»). Це свідчить про те, що під тонким шаром льоду в цій області є рідка вода.
3.2 Особливості океану
Дані мас-спектрометра «Cassini» виявили:
- Солона вода у частинках гейзерів, з NaCl та іншими солями.
- Органічні сполуки, включно зі складними вуглеводнями, що посилюють можливість ранньої хімічної еволюції.
- Теплові аномалії: припливне тепло, зосереджене на півдні, підтримує принаймні регіональний підльодовиковий океан.
Дані свідчать, що Енцелад може мати глобальний океан, вкритий 5–35 км льоду, хоча товщина може варіюватися в різних місцях. Є натяки, що вода взаємодіє з кам'яним ядром, можливо створюючи гідротермальні джерела енергії.
3.3 Потенціал придатності для життя
Енцелад вирізняється великим потенціалом життєздатності:
- Енергія: припливне тепло плюс можливі гідротермальні джерела.
- Вода: підтверджений солоний океан.
- Хімія: наявність органічних сполук у гейзерах, різні солі.
- Доступність: активні гейзери викидають воду в космос, тому зонди можуть безпосередньо збирати зразки, не потребуючи буріння льоду.
Запропоновані місії можуть включати орбітальний або посадковий зонд для детального аналізу частинок гейзерів — у пошуках складних органічних сполук або ізотопів, які можуть свідчити про біохімічні процеси.
4. Інші крижані супутники та тіла з можливими підльодовиковими океанами
4.1 Ганімед
Ганімед, найбільший супутник Юпітера, може мати шарувату внутрішню структуру з можливим водяним шаром. Дані «Galileo» про магнітне поле вказують на провідний (ймовірно солоний водний) шар під поверхнею. Вважається, що цей океан може бути затиснутий між кількома льодовими шарами. Хоча Ганімед розташований далі від Юпітера, припливне тепло там менше, але радіоактивне та залишкове тепло можуть підтримувати частково рідкий шар.
4.2 Титан
Найбільший супутник Сатурна Титан має густу азотну атмосферу, метанові/етанові озера на поверхні та, можливо, підльодовиковий океан води/аміаку. Дані «Cassini» показують гравітаційні відхилення, сумісні з рідким шаром глибоко всередині. Хоча поверхневі рідини переважно складаються з вуглеводнів, внутрішній океан Титана (якщо підтверджений) ймовірно складається з води, що може бути ще однією середовищем для життя.
4.3 Тритон, Плутон та інші
Тритон (супутник Нептуна, ймовірно «викрадений» з поясу Койпера) міг зберегти підльодовиковий океан завдяки припливному нагріванню після захоплення. Плутон (його досліджував «New Horizons») також може мати частково рідкий внутрішній шар. Багато транснептунових об'єктів (TNO) можуть мати тимчасові або заморожені океани, хоча це важко підтвердити безпосередньо. Отже, вода може ховатися не лише біля орбіти Марса: у віддаленіших регіонах, ймовірно, існують водяні шари та потенційні інкубатори життя.
5. Пошук біосигнатур
5.1 Приклади індикаторів життя
Можливі ознаки життя в підльодових океанах можуть бути:
- Хімічний дисбаланс: Наприклад, концентрація несумісних окисників і відновників, яку важко пояснити небіологічними процесами.
- Складні органічні сполуки: Амінокислоти, ліпіди чи полімерні сполуки, викинуті в гейзерах або в льоді на поверхні.
- Ізотопні співвідношення: Склад ізотопів вуглецю чи сірки, що відрізняється від абіотичних моделей фракціонування.
Оскільки ці океани приховані під кількома або навіть десятками кілометрів льоду, безпосередньо отримати їхні зразки складно. Однак гейзери Енцелада або, можливо, виверження Європи дозволяють досліджувати вміст океану прямо в космосі. Майбутні прилади могли б виявляти навіть незначні кількості органіки, клітинних структур або ізотопних підписів.
5.2 Ідеї місій прямих досліджень і буріння
Заплановані проєкти, такі як «Europa Lander» чи «Enceladus Lander», пропонують пробурити принаймні кілька сантиметрів або метрів у свіжий лід або зібрати матеріал, викинутий гейзерами, за допомогою передового обладнання (наприклад, газовий хроматограф-мас-спектрометр, мікроскопічне зображення). Незважаючи на технологічні виклики (ризик забруднення, радіаційне середовище, обмежене джерело енергії), такі місії могли б вирішально підтвердити або спростувати існування мікробного життя.
6. Загальна роль світів підльодових океанів
6.1 Розширення поняття «зони життя»
Зазвичай зона життя означає регіон навколо зірки, де на поверхні кам'янистих планет може утворюватися рідка вода. Однак відкривши внутрішні океани, підтримувані припливним або радіоактивним теплом, ми бачимо, що придатність для життя не обов'язково залежить безпосередньо від тепла зірки. Тому супутники гігантських планет – навіть далеко від «класичної зони життя» – можуть мати життєво важливі умови. Отже, придатність для життя супутників, що обертаються в зовнішніх областях екзопланетних систем, – також реальна можливість.
6.2 Астробіологія та походження життя
Дослідження цих океанічних світів висвітлюють альтернативні шляхи еволюції. Якщо життя може виникати або зберігатися під льодом, без сонячного світла, це означає, що його поширення у Всесвіті може бути набагато ширшим. У глибинах океану Землі біля гідротермальних джерел часто розглядається можливість, що тут могли формуватися перші живі організми; аналогічні умови на дні морів Європи чи Енцелада могли б створити хімічні градієнти для життя.
6.3 Значення майбутніх досліджень
Якщо вдасться знайти очевидні біосигнатури в крижаному супутнику, це буде величезним науковим проривом, що свідчитиме про «друге походження життя» в нашій Сонячній системі. Це змінить наше уявлення про поширеність життя у космосі, стимулюватиме цілеспрямованіші пошуки екзомісяців у віддаленіших зоряних системах. Такі місії, як NASA «Europa Clipper», запропоновані орбітальні апарати для Енцелада або передові технології буріння є ключовим етапом для цього астробіологічного прориву.
7. Висновок
Підводні океани у крижаних супутниках, наприклад, Європі та Енцеладі, – одні з найперспективніших осередків життєздатності поза межами Землі. Припливне тепло, геологічні процеси та можливі гідротермальні системи вказують на те, що навіть далеко від сонячного тепла ці приховані океани можуть вміщувати мікробні екосистеми. Ще кілька тіл – Ганімед, Титан, можливо Тритон чи Плутон – також можуть мати подібні шари, кожен зі своєю хімією та геологією.
Пошук біосигнатур у цих місцях базується на дослідженні ейфекту (викидів матеріалу) або в майбутньому – на відборі глибоких зразків. Будь-яке відкриття життя (або принаймні розвиненої хімічної системи) тут спричинило б наукову революцію, відкриваючи «друге» походження життя в тій самій Сонячній системі. Це розширило б розуміння того, наскільки широко життя може існувати у Всесвіті і які умови для нього можливі. Продовжуючи дослідження, концепція, що «придатність для життя» можлива лише в традиційному поверхневому контексті в зоні найближчої зірки, постійно розширюється – підтверджуючи, що Всесвіт може приховувати осередки життя у найнеочікуваніших і віддалених куточках.
Посилання та подальше читання
- Kivelson, M. G., et al. (2000). «Вимірювання магнітометра Galileo: сильніший доказ існування підповерхневого океану на Європі.» Science, 289, 1340–1343.
- Porco, C. C., et al. (2006). «Cassini спостерігає активний південний полюс Енцелада.» Science, 311, 1393–1401.
- Spohn, T., & Schubert, G. (2003). «Океани в крижаних галілеєвих супутниках Юпітера?» Icarus, 161, 456–467.
- Parkinson, C. D., et al. (2007). «Енцелад: спостереження Cassini та наслідки для пошуку життя.» Astrobiology, 7, 252–274.
- Hand, K. P., & Chyba, C. F. (2007). «Емпіричні обмеження солоності океану Європи та наслідки для тонкої крижаної оболонки.» Icarus, 189, 424–438.