Povandeniniai vandenynai Mėnulio tipo palydovuose (pvz., Europa, Enceladas) ir biosignatūrų paieška
Naujas požiūris į gyvenamumą
Daugelį dešimtmečių planetologai ieškojo gyvybei tinkamų sąlygų daugiausia Žemės tipo kietuose paviršiuose, laikant, kad tai vyksta vadinamojoje „gyvybės zonoje“, kurioje gali egzistuoti skystas vanduo. Tačiau pastarieji atradimai rodo, jog lediniuose palydovuose gali būti vidinių vandenynų, kuriuos palaiko potvyniniai šilumos šaltiniai ar radioaktyvios medžiagos ir kuriuose skystas vanduo glūdi po storais ledo sluoksniais – nepasiekiant Saulės spinduliuotei. Tai išplečia mūsų supratimą, kur gali klestėti gyvybė: nuo netoli Saulės esančios (Žemė) iki tolimų, šaltų, tačiau esant tinkamai energijai ir stabilumo sąlygoms, aplinkos gigantų planetų srityse.
Iš visų pavyzdžių Europa (Jupiterio palydovas) ir Enceladas (Saturno palydovas) išsiskiria ypač ryškiai: abiejuose yra patikimų įrodymų apie sūrius poledinius vandenynus, galimą cheminės ar hidroterminės energijos tiekimą bei galimus mitybinius išteklius. Tiriant šiuos, taip pat Titaną ar Ganimedą, matyti, kad gyvenamumas gali egzistuoti įvairiomis formomis ir nebūtinai tik tradiciškai suprantamuose paviršiniuose sluoksniuose. Žemiau apžvelgiame, kaip buvo atrastos tokios aplinkos, kokios gali būti sąlygos gyvybei ir kaip ateities misijos ketina ieškoti biosignatūrų.
2. Europa: vandenynas po ledo paviršiumi
2.1 Geologiniai užuominos iš „Voyager“ ir „Galileo“
Europa, kiek mažesnė nei Žemės palydovas Mėnulis, turi šviesų vandens ledu padengtą paviršių, kurį išvagoja tamsios linijinės struktūros (įtrūkimai, kalnagūbriai, chaotiški plotai). Pirmosios užuominos aptiktos „Voyager“ nuotraukose (1979 m.), detalesni „Galileo“ duomenys (1990-ieji) parodė jauną, geologiškai aktyvų paviršių su nedaug kraterių. Tai leidžia manyti, kad vidinė šiluma ar potvyninė jėga vis atnaujina plutos paviršių, o po lediniu sluoksniu gali egzistuoti vandenynas, išlaikantis lygų ir „chaotišką“ ledą.
2.2 Potvyninė šiluma ir poledinis vandenynas
Europa juda Laplaso rezonanse kartu su Ijo ir Ganimedu, todėl potvyniniai efektai kiekvienoje orbitoje lanksto Europą. Ši trintis generuoja šilumą, neleidžiančią vandenynui užšalti. Modeliai spėja:
- Ledo sluoksnio storis: nuo kelių iki ~20 km, dažniausiai minimas ~10–15 km.
- Skysto vandens gylis: 60–150 km, todėl Europoje galėtų būti daugiau vandens nei visuose Žemės vandenynuose kartu.
- Druskingumas: tikėtina, kad vandenynas sūrus, turintis chloridų (NaCl) ar magnio sulfatų, tai rodo spektrinė analizė ir geocheminiai skaičiavimai.
Potvyninė šiluma apsaugo vandenyną nuo užšalimo, o ledinis dangtis izoliuoja ir padeda išlaikyti skystą sluoksnį apačioje.
2.3 Gyvybės egzistavimo galimybės
Gyvybei, kokią mes suprantame, svarbiausia yra skystas vanduo, energijos šaltinis ir pagrindiniai cheminiai elementai. Europoje:
- Energija: potvyninė šiluma bei galbūt hidroterminiai šaltiniai dugne, jei uolinė mantija aktyvi.
- Chemija: paviršiaus lede radiacijos formuojami oksidantai gali patekti į vandenyną pro įtrūkimus ir užtikrinti oksidacijos-redukcijos reakcijas. Taip pat gali būti druskų ir organinių junginių.
- Biosignatūros: galima jų paieška apima organinių molekulių paiešką išmestose paviršiaus medžiagose ar net vandenyno cheminius pėdsakus (pvz., disbalansus, nurodančius gyvybines reakcijas).
2.4 Misijos ir būsimas tyrimas
NASA misija „Europa Clipper“ (numatoma paleisti 2020-ųjų viduryje) atliks kelis praskridimus, tyrinės ledo sluoksnio storį, cheminę sudėtį bei ieškos galimų geizerių ar paviršiaus sudėties anomalijų. Siūlomas nusileidimo aparatas (lander) galėtų paimti medžiagą iš paviršiaus. Jei krekingi ledo plyšiai ar geizeriai kelia vandenyno medžiagą į paviršių, tokia analizė galėtų atskleisti mikrobinių formų gyvybės pėdsakų ar sudėtingų organinių junginių.
3. Enceladas: geizerių Mėnulis aplink Saturną
3.1 „Cassini“ atradimai
Enceladas, nedidelis (~500 km skersmens) Saturno palydovas, tapo netikėta staigmena, kai „Cassini“ zondas (nuo 2005 m.) užfiksavo vandens garų, ledo dalelių ir organikos geizerius, kylančius iš pietinio ašigalio (vadinamieji „tigro dryžiai“). Tai rodo, kad šioje srityje po plonu ledo sluoksniu yra skystas vanduo.
3.2 Vandenyno ypatybės
„Cassini“ masės spektrometro duomenys atskleidė:
- Sūrus vanduo geizerių dalelėse, su NaCl ir kitomis druskomis.
- Organiniai junginiai, įskaitant sudėtingus angliavandenilius, stiprinančius ankstyvos cheminės evoliucijos galimybę.
- Terminės anomalijos: Potvyninė šiluma, koncentruota pietuose, palaikanti bent regioninį poledinį vandenyną.
Duomenys rodo, kad Enceladas gali turėti globalų vandenyną, pridengtą 5–35 km ledo, nors storis gali skirtis skirtingose vietose. Yra užuominų, kad vanduo sąveikauja su uoliniu branduoliu, galbūt sukuriant hidroterminės energijos šaltinius.
3.3 Tinkamumo gyvybei potencialas
Enceladas pasižymi dideliu gyvybingumo potencialu:
- Energija: potvyninė šiluma plius galimi hidroterminiai šaltiniai.
- Vanduo: patvirtintas druskingas vandenynas.
- Chemija: organinių junginių buvimas geizeriuose, įvairios druskos.
- Prieinamumas: aktyvūs geizeriai išmeta vandenį į kosmosą, tad zondai gali tiesiogiai mėginius rinkti, nereikalinga gręžti ledą.
Siūlomos misijos galėtų apimti orbitinį ar nusileidimo zondą, skirtą geizerių dalelėms detaliai analizuoti – ieškant sudėtingų organinių junginių ar izotopų, galinčių liudyti biocheminius procesus.
4. Kiti lediniai palydovai ir kūnai su galimais polediniais vandenynais
4.1 Ganimedas
Ganimedas, didžiausias Jupiterio palydovas, gali turėti sluoksniuotą vidinę sandarą su galimu vandeningu sluoksniu. „Galileo“ duomenys apie magnetinį lauką rodo laidų (tikriausiai sūraus vandens) sluoksnį po paviršiumi. Manoma, kad tas vandenynas gali būti įspraustas tarp kelių ledo sluoksnių. Nors Ganimedas yra tolėliau nuo Jupiterio, potvyninė šiluma ten mažesnė, bet radioaktyvus ir likutinis šilumos energijos šaltinis gali išlaikyti dalinį skystą sluoksnį.
4.2 Titanas
Saturno didžiausias palydovas Titanas turi tankią azoto atmosferą, metano/etano ežerus paviršiuje ir galbūt poledinį vandens/amoniako vandenyną. „Cassini“ duomenys rodo gravitacinius nukrypimus, suderinamus su skystu sluoksniu giliai viduje. Nors paviršiuje telkšantys skysčiai daugiausia sudaryti iš angliavandenilių, Titano vidinis vandenynas (jei patvirtintas) greičiausiai susidarytų iš vandens, o tai galėtų būti dar viena terpė gyvybei.
4.3 Tritonas, Plutonas ir kiti
Tritonas (Neptūno palydovas, greičiausiai „pagrobtas“ iš Kuiperio juostos) galėjo išlaikyti poledinį vandenyną po užgrobimo sukelto potvyninio kaitinimo. Plutonas (jį tyrinėjo „New Horizons“) taip pat gali turėti dalinai skystą vidų. Daug transneptūninių objektų (TNO) gali turėti trumpalaikius ar užšalusius vandenynus, nors tai sunku tiesiogiai patvirtinti. Taigi, ne vien ties Marso orbita gali slypėti vanduo: ir tolimesniuose regionuose galimai egzistuoja vandeningi sluoksniai bei potencialūs gyvybės inkubatoriai.
5. Biosignatūrų paieška
5.1 Gyvybės indikatorių pavyzdžiai
Galimi gyvybės ženklai polediniuose vandenynuose gali būti:
- Cheminis disbalansas: Pvz., tarpusavyje nesuderintų oksidatorių ir reduktorių koncentracija, sunkiai paaiškinama nebiologiniais procesais.
- Sudėtingi organiniai junginiai: Aminorūgštys, lipidai ar polimeriniai junginiai išmetami geizeriuose ar paviršiaus lede.
- Izotopų santykiai: Anglies ar sieros izotopų sudėtis, išsiskirianti iš abiotinių frakcionavimo modelių.
Kadangi šie vandenynai slypi po keliais ar net keliolika kilometrų ledo, tiesiogiai jų mėginius gauti keblu. Tačiau Encelado geizeriai ar galbūt Europos išsiveržimai leidžia tyrinėti vandenyno turinį tiesiai kosmose. Ateities prietaisai galėtų aptikti net menkų organikos, ląstelių struktūrų ar izotopinių parašų kiekių.
5.2 Tiesioginių tyrimų misijos ir gręžimo idėjos
Planuojami projektai, tokie kaip „Europa Lander“ ar „Enceladus Lander“, siūlo išgręžti bent kelis centimetrus ar metrus į šviežią ledą arba surinkti iš geizerių išmestą medžiagą pažangia aparatūra (pvz., dujų chromatografu-masinės spektrometrijos įranga, mikroskopo lygio vaizdavimu). Nepaisant technologinių iššūkių (rizika užteršti, radiacinė aplinka, ribotas energijos šaltinis), tokios misijos galėtų lemiamai patvirtinti ar paneigti mikrobinės gyvybės egzistavimą.
6. Poledinių vandenynų pasaulių bendrasis vaidmuo
6.1 „Gyvybės zonos“ sampratos plėtra
Įprastai gyvybės zona reiškia regioną aplink žvaigždę, kur uolinės planetos paviršiuje gali susidaryti skystas vanduo. Tačiau atradus vidinius vandenynus, palaikomus potvyninės ar radioaktyvios šilumos, matome, kad gyvenamumas nebūtinai priklauso tiesiogiai nuo žvaigždės šilumos. Todėl milžinių planetų palydovai – net toli nuo „klasikinės gyvybės zonos“ – gali turėti gyvybiškai svarbias sąlygas. Vadinasi, egzoplanetų sistemose išorinėse srityse besisukančių palydovų gyvenamumas – taip pat reali galimybė.
6.2 Astrobiologija ir gyvybės kilmė
Šių vandenynų pasaulių tyrimai apšviečia alternatyvius evoliucijos kelius. Jei gyvybė gali atsirasti arba išlikti po ledu, be Saulės šviesos, vadinasi jos paplitimas Visatoje gali būti daug platesnis. Žemės vandenyno gelmėse prie hidroterminių šaltinių dažnai įžvelgiama galimybė, kad čia galėjo formuotis pirmieji gyvi organizmai; analogiškos sąlygos Europos ar Encelado jūrų dugne galėtų sukurti cheminius gradientus gyvybei.
6.3 Ateities tyrimų reikšmė
Jei pavyktų rasti akivaizdžių biosignatūrų lediniame palydove, tai būtų didžiulis mokslo lūžis, rodantis „antrąją gyvybės genezę“ mūsų Saulės sistemoje. Tai keistų mūsų įsivaizdavimą apie gyvybės bendrumą kosmose, skatintų kryptingesnes egzomėnulių paieškas tolimesnėse žvaigždžių sistemose. Tokios misijos kaip NASA „Europa Clipper“, siūlomi Encelado orbiteriai ar pažangios gręžimo technologijos yra esminis etapas šiam astrobiologijos proveržiui.
7. Išvada
Povandeniniai vandenynai lediniuose palydovuose, pvz., Europoje ir Encelade, – vieni perspektyviausių gyvybingumo židinių už Žemės ribų. Potvyninė šiluma, geologiniai procesai bei galimos hidroterminės sistemos nurodo, kad net toli nuo Saulės šilumos šie paslėpti vandenynai galėtų talpinti mikrobines ekosistemas. Dar keli kūnai – Ganimedas, Titanas, galbūt Tritonas ar Plutonas – taip pat gali turėti panašius sluoksnius, kiekvienas su savita chemija ir geologija.
Biosignatūrų paieška šiose vietose remiasi ežektos (išsiveržiančios medžiagos) tyrimu ar ateityje – giluminių mėginių ėmimu. Bet koks gyvybės (ar bent jau pažengusios cheminės sistemos) atradimas čia sukeltų mokslinę revoliuciją, atskleidžiant „antrą“ gyvybės kilmę toje pačioje Saulės sistemoje. Tai leistų išplėsti supratimą, kaip plačiai Visatoje gali egzistuoti gyvybė ir kokios gali būti jos sąlygos. Tęsiant tyrimus, samprata, kad „gyvenamumas“ galimas tik tradiciniame paviršiniame kontekste artimiausioje žvaigždės zonoje, nuolat plečiasi – patvirtindama, jog Visata gali slėpti gyvybės buveines netikėčiausiuose ir nutolusiuose kampeliuose.
Nuorodos ir tolesnis skaitymas
- Kivelson, M. G., et al. (2000). “Galileo magnetometer measurements: A stronger case for a subsurface ocean at Europa.” Science, 289, 1340–1343.
- Porco, C. C., et al. (2006). “Cassini observes the active south pole of Enceladus.” Science, 311, 1393–1401.
- Spohn, T., & Schubert, G. (2003). “Oceans in the icy Galilean satellites of Jupiter?” Icarus, 161, 456–467.
- Parkinson, C. D., et al. (2007). “Enceladus: Cassini observations and implications for the search for life.” Astrobiology, 7, 252–274.
- Hand, K. P., & Chyba, C. F. (2007). “Empirical constraints on the salinity of the Europan ocean and implications for a thin ice shell.” Icarus, 189, 424–438.