2014-04-30

Чи є життя на Енцеладі?

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 голосів)

26 березня 2008 р. американське космічне агентство НАСА представило подробиці найбільше детального зі всіх обльотів, що проводилися на той момент, супутника Сатурна Енцелада. Американська АМС (автоматична міжпланетна станція) "Кассіні" (Cassini) 12 березня пролетіла усього в 50 км від поверхні Південного полюса Енцелада. "Касіні" закінчує четвертий рік роботи в системі Сатурна, і за цей час вона принесла чимало сенсацій, у тому числі і тих, що стосуються загадкового Енцелада.

Енцелад уже протягом багатьох років викликає в учених масу питань, тому що при відносній компактності цього супутника Сатурна Енцелад настільки геологічно активний, що постійно викидає гарячу водяну пару, яка виходить з поверхні супутника з такою силою, що стовпи води досягають орбіти Енцелада.

У результаті останнього обльоту цього загадкового космічного тіла з'ясувалося, що температура пари, що викидається, істотно вища, ніж вважалося раніше. Крім того, "Кассіні" склав нову температурну карту південного полюса поверхні супутника. За словами НАСА, "Кассіні" підтвердив, що пара викидається з чотирьох тріщин, розташованих у тому самому напрямку.

Самі струмені, що викидаються, як з'ясувалося в процесі досліджень, містять органічні сполуки, що найчастіше виявляються в складі різних комет. Фахівці НАСА говорять, що самі по собі струмені ніяк не зачепили і не зашкодили космічний зонд.

"Повною несподіванкою виявилося те. що хімічні сполуки, що містяться всередині Енцелада, дуже сильно нагадують структуру комет", — говорить Хантер Уэйт, один з координаторів місії Кассіні. "Це відкриття піднімає безліч питань про формування самого Сатурна і всіх його 60 супутників".

При цьому Енцелад — це аж ніяк не комета. Якщо в комет активність стимулюється Сонцем (тобто коли вони до нього підлітають, то від підвищення температури стають більш активними), то в Енцелада тепло генерується усередині, глибоко в надрах. Процес утворення гейзерів на Енцеладі віддалено нагадує створення газованої води.

Також "Кассіні" з'ясував, що щільність парів Енцелада набагато вища від щільності летких газів і чистої водяної пари. Більш того, вчені і раніше думали, що викиди Енцелада досить щільні за своїм складом, однак їхня фактична щільність у 20 разів перевершила всі прогнози.

Крім цього з'ясувалося, що тріщини, з яких відбуваються періодичні виверження, самі по собі є набагато більш теплими, чим всі інші частини Енцелада. Якщо в середньому на Енцеладі температура складає біля мінус 128 градусів, то температура розламів складає мінус 90 градусів — різниця, таким чином, складає майже 40 градусів. На думку вчених, різниця температур пояснюється близькістю гарячої води в розломах. "На Енцеладі є тепло, вода, органічні і хімічні сполуки, необхідні для життя. Фактично в наших руках є рецепт життя, залишилося лише знайти його", — говорить Деніс Метсон, астроном НАСА.

Отже, один із найбільш геологічно активних об'єктів Сонячної системи — Енцелад — може бути тим місцем, де є всі необхідні умови для виникнення примітивних форм життя. Саме такий головний висновок, до якого прийшли вчені після обробки й осмислення наукової інформації, переданої на Землю "Кассіні". Але ми трохи забігли наперед...

Початок великих відкриттів

Енцелад, як і найбільший супутник Сатурна — Титан, давно викликає непідробний інтерес у планетологів. Ще в епоху "Вояджерів" (Voyager), які на початку 1980-х років провели перші зйомки цього крижаного супутника, учені почали підозрювати, що Енцелад геологічно активний і навіть є джерелом речовини для кільця Е Сатурна. А з початком досліджень станції Cassini у системі Сатурна стало зовсім ясно, що Енцелад влаштований набагато складніше і таїть у собі набагато більше таємниць, чим передбачалося раніше.

До цього моменту станція здійснила вже кілька близьких прольотів Енцелада, і вони вже принесли вченим багато цікавих відкриттів. Про найсенсаційніший ми вже розповіли на початку статті. Перші ж два цільових прольоти були виконані 17 лютого і 9 березня 2005 р. на висотах 1172 і 497 км відповідно. Детальна зйомка супутника показала, що його поверхня дуже різноманітна: там є рівнини, загадкові "зморшки" і дуже мало кратерів, а поверхня складається з практично чистого водяного льоду. Крім цього, у Енцелада була виявлена досить протяжна атмосфера, що поставило його в ряд з єдиним супутником, який має атмосферу, у Сонячній системі — Титаном.

1 лютого 2007 р. у штаб-квартирі NASA прийняли рішення про продовження місії Cassini на два роки— до 30 червня 2010 р. включно, чого так жагуче бажали вчені з моменту прибуття станції до Сатурна. Основна задача продовженої місії — дослідження малих супутників Сатурна. За дворічний додатковий період апарат зробить ще 60 витків навколо планети і здійснить дев'ять прольотів Енцелада, вісім — Тефії (Тетіс), шість — Мімаса, п'ять — Реї і три — Діони.

14 липня 2005 р. станція Cassini утретє зустрілася з Енцеладом і пройшла на висоті всього 168 км над його поверхнею. У ході цього прольоту апаратові вдалося вперше знайти гейзери Енцелада — викиди часток льоду і водяної пари з південної полярної області супутника. Саме тоді давні підозри знайшли підтвердження: Енцелад не "мертвий" супутник Сатурна, а геологічно активний. Максимальні концентрації викидів були зареєстровані в той момент, коли станція проходила над тектонічними розламами — системою вузьких рівнобіжних тріщин, яких охрестили "тигровою шкірою". Було також визначено, що атмосфера Енцелада, яка постійно вивітрюється (через слабку гравітацію) і поповнюється, складається на 65% з водяної пари і на 20% з молекулярного водню, а інші компоненти — це СО, СО2 і N2.

Сюрпризів виявилося набагато більше

Однак отримані дані — це був тільки початок: за два неповних наступні роки наукова група "Cassini" проаналізувала всю інформацію і змогла представити більш точні і навіть сенсаційні висновки.

Найцікавіші дані про Енцелад містяться в двох наукових статтях, які вийшли майже одночасно. Одна називається "Шлейф Енцелада: хімічний склад указує на гарячі надра" ("Enceladus' plume: Compositional evidence for a hot interior") і написана групою дослідників на чолі з Денісом Метсоном (Dennis L. Matson) з Лабораторії реактивного руху (JPL). Друга — "Море на південному полюсі Енцелада" ("Еnсеlаdus's South Polar Sea") — підготували Джефрі Коллінз (Geoffrey С. Collins) і Джейсон Гудман (Jasson С. Goodman).

Власне кажучи, це дві публікації на одну тему, і суть їх одна: у надрах Енцелада знаходиться вуглеводневий "суп", рідка вода і джерело тепла, тобто всі ключові інгредієнти для виникнення примітивних форм життя. Роблячи такі голосні заяви, дослідники спираються на інформацію, отриману станцією Cassini. а також на результат комп'ютерного моделювання, що проводилося з урахуванням усіх параметрів супутника. Утім, все по порядку.

У своїй статті Д. Метсон з колегами спираються на дані про хімічний склад речовини, що викидається південнополярними гейзерами Енцелада. Ці дані отримані за допомогою масспектрометра INMS. Викиди містять усі продукти розкладу води, азот, оксид вуглецю, метан, пропан, ацетилен і ряд інших сполук. Учені вважають, що ці речовини утворюються в результаті хімічних реакцій у досить "гарячій" обстановці. Слід зазначити, що вихід теплового випромінювання з південнополярної області складає від 3 до 7 ГВт, а виміряна температура молодих вибоїн дорівнює 110...160 К. Джерелом речовини гейзерів може бути кипляча вода в підповерхневому резервуарі, яка залишається рідкою внаслідок радіогенного і приливного нагрівання.

Взагалі ж і Титан, на якому була знайдена "суміш" схожих речовин, і Енцелад сформувалися з одного газопилового диску навколо Сатурна, і такий елемент, як азот, вони цілком могли "отримати" ще на стадії свого "народження". Однак уже є публікації, згідно яких азот на Титані не є "первинним", а лише утворюється при хімічних реакціях за участю "первинного" аміаку. І ці реакції повинні виникати при дуже високих температурах (575...850 К, або 300...575 °С).

Група Метсона вважає, що і на Енцеладі азот з'являється в результаті термічного розкладання аміаку, для чого необхідна висока температура в надрах цього супутника — порядку 500...800 К. Таке припущення відразу ж пояснює і проблему появи метану, тому що він може утворюватися шляхом відновлення моно- або двоокису вуглецю. Присутність у матеріалі гейзерів ацетилену і пропану також наводить на думку про каталітичні реакції при дуже високій температурі. Для синтезу ацетилену безпосередньо з метану потрібна була б температура близько +1500°С, що представляється неймовірним. Однак він може утворюватися як вторинний продукт при розпаді вуглеводневих сполук з довгими ланцюжками, що, у свою чергу, вимагає контакту рідкої води з каталізаторами (глиною і деякими металами) при помірно високій температурі.

Чи може бути так, що Енцелад був всередині гарячим на визначеному етапі своєї еволюції, а зараз вже остив і лише викидає в навколишній простір елементи і сполуки, утворені задовго до прибуття до нього Cassini? У принципі, напевно, може, але якщо в полярних гейзерах більше 90% речовини припадає на воду, то значно ймовірніше, що під південним полюсом Енцелада вона і зараз знаходиться в рідкому стані.

Вимальовується дивна картина: Енцелад повинен мати воду в рідкому стані, яка контактує з гарячими породами і металами. Але якщо обстановка в його надрах саме така сприятлива для синтезу ацетилену і пропану, ще й азот і метан там присутні, то повинні йти й інші хімічні реакції з утворенням складних органічних сполук, аж до амінокислот. А це вже тягне на сенсацію! Виявлення поза Землею "будівельних блоків" для виникнення примітивного життя стане грандіозним проривіомв історії людства, значення якого важко переоцінити. Все-таки підкреслимо, що поки це хоча і дуже інтригуюча, але все-таки гіпотеза.

Гарячі гейзери: як вони працюють?

А тим часом 9 листопаду 2006 р., через 16 місяців після того, як у Енцелада вперше був виявлений газовий шлейф, станція "Cassini" провела першу дистанційну зйомку супутника за допомогою спектрометра CIRS. Настільки тривала перерва в спостереженнях пояснюється просто: потрібно було дочекатися такого "вдалого" прольоту повз супутник, щоб в об'єктив його приладів потрапив саме південний полюс Енцелада. І хоча мінімальна відстань у цьому прольоті склала цілих 91500 кмспостереження виявилися дуже успішними.

У ході зйомки було підтверджено, що тепловиділення йде в основному з південнополярних тектонічних розломів ("тигрової шкіри"), хоча побачити самі тріщини не вдалося. Активність Енцелада на південному полюсі в порівнянні з тією, що була в липні 2005 р., істотно не змінилася і залишається високою. За інтенсивністю теплового випромінювання в діапазоні 10...16 мкм учені виявили, що пікова температура поверхні на полюсі досягає 85 К, а по варіаціях яскравості в залежності від довжини хвилі вдалося встановити, що в цій області є маленькі ділянки, очевидно, смуги шириною в декілька сот метрів вздовж смуг "тигрової шкіри", температура яких досягає принаймні 130...145 К, а можливо і набагато більше. При математичному моделюванні процесів викиду найкраще узгодження зі спостереженнями виходить при температурі речовини гейзера порядку 225 К (48°С).

Для порівняння: поверхня Енцелада на низьких широтах нагрівається в денний час сонячними променями лише до 70...80 К. Таким чином, без внутрішнього механізму нагрівання отут ніяк не обійтися — зробити надра Енцелада гарячими можуть або приливо-відливні сили зі сторони Сатурну або розпад радіоактивних елементів усередині нього.

У березні 2007 р. на черговій місячно-планетній науковій конференції в Х’юстоні Террі Херфорд (Terry A. Hurford) розповів про можливий приливний механізм дії "тигрових смуг". Орбіта Енцелада трохи еліптична (її ексцентриситет 0,0047), а обертання супутника синхронне з рухом навколо планети. У результаті в крижаній корі супутника виникають сили стиску або розтягання — у залежності від його положення на орбіті. Херфорд стверджує, що тріщини повинні розкриватися поблизу апоцентру і закриватися через піввитка і що відразу після розкриття можна чекати особливо могутнього викиду.

Під шаром льоду хлюпається море?

Отже, як було сказано вище, на південному полюсі під крижаним покровом Енцелада може знаходитися "море" з рідкої води. Принаймні, на це указують усі дані з "Cassini", зібрані докупи.

В планетології є таке поняття — диференціація: більш щільна речовина зміщується до центру планети або супутника, а більш легка — до поверхні. Чим важчий об'єкт, тим більш імовірно, що його речовина пройшла через таке "сортування"; за замовчуванням вважалося, що маленькому Енцеладу така доля не грозила. При цьому диференційовані тіла зазвичай мають більш сферичну форму, чим недиференційовані — через те, що основна частка маси зосереджується в центрі, ефекти від обертання і припливів стають менш помітними.

Форма багатьох небесних тіл у Сонячній системі приблизно описується тривісним еліпсоїдом. Для супутників, що знаходяться в синхронному обертанні (як Енцелад), найдовша — це "приливо-відливна" вісь, спрямована до центру планети, найкоротша — полярна, а третя має проміжну довжину. Для Енцелада ці осі складають 256,6±0,5 км, 248,3±0,2 км і 251,4±0,2 км відповідно. Коли в 2006 р. група Керолін Порко (Carolyn С. Роrсо), яка займається аналізом знімків камери ISS і визначенням геометричних характеристик, отримала ці дані, вона не змогла зробити однозначний висновок про внутрішню будову Енцелада. Недиференційована модель підходила краще, однак насторожував досить сильний ступінь сплюснутості і сильні аномалії: південний полярний радіус був на 0,4 км меншим за очікуваний, а на 50°пд.ш. рівень поверхні проходив на 0,4 км вище за розрахунковий. Знову південнополярна область Енцeлaда виявила свою унікальну природу!

Розібратися в цьому спробували Дж. Коллінз і Дж. Гудман. Вони представили результат комп'ютерного моделювання Енцелада виходячи і його відомих фізичних параметрів і з припущення, що він, по-перше, має ядро зі скелястих порід і мантію з водяного льоду, а по-друге, має джерело теплової енергії, яке забезпечує танення льоду в області контакту з ядром. До речі, цим джерелом не може бути внутрішнє тепло радіоактивного розпаду, тому що його потужність оцінюється усього в 0,3 ГВт — на порядок менше, ніж Енцелад виділяє. Набагато більш імовірно, що Енцелад розігріває приливна енергія через резонанс із Діоною і ексцентричності орбіти.

Розрахунки показали, що за таких умов ймовірне утворення підлідного моря, що буде простиратися по висоті від ядра до рівня 4...10 км від поверхні, а по площі — приблизно до 50° пд.ш. Вода займає менший обсяг, чим лід, і через це радіус супутника над морем зменшується на 2,3...3,3 км. Дуже близька (до форми, що спостерігається у Енцелада) модель виходить при густині ядра 2,6 г/см3 і початковому радіусі супутника в 252,6 км. Підлідне море буде існувати стабільно, поки діє джерело нагрівання, а зв'язана з ним гравітаційна аномалія повинна привести до такої переорієнтації осі обертання супутника, щоб море знаходилося в полярному районі.

Коллінз і Гудман сподіваються, що в ході подальшого дослідження Енцелада їхня теорія буде підтверджена. По-перше, визначення осьового моменту інерції і форми гравітаційного поля Енцелада покаже, чи є в дійсності супутник диференційованим небесним тілом чи ні. По-друге, більш ретельне визначення форми Енцелада дозволить скласти його топографічну карту і порівняти розподіл висот з тією, яка була передбачено теоретичною моделлю.

Період обертання Сатурна визначений неправильно?

І ще про одне цікаве відкриття. У квітні-червні 2004 р. ще на підльоті до Сатурна, за допомогою спектрометра RPWS станції Cassini був визначений період обертання планети по її власному радіовипромінюванню. Вийшло 10 годин 45 хв. 45 с (±36 с) — приблизно на 6 хвилин (або майже на 1%) більше, ніж отримали "Вояджери" у 1980, 1981 рр. Зрозуміло, не може йти і мови про те, що обертання планети-гіганта сповільнюється, та ще й в такому фантастичному степені. Що ж тоді виміряне і чому воно міняється так сильно?

Проблема в тому, що виміряти швидкість обертання Сатурна по зображеннях його поверхні неможливо. Твердої поверхні в нього просто немає, а в хмарному покрові відсутні постійні деталі. З такою ж проблемою вчені стикнулися при дослідженні інших планет-гігантів, і рішення знайшлося: можна виміряти період зміни радіовипромінювання планети і прийняти, що це і є період її обертання. З поправкою на те, що на екваторіальних і полярних широтах кутова швидкість різна, цей метод працює для Юпітеру, Урану і Нептуну — а для Сатурну дає збій.

Радіосигнал Сатурну сам по собі досить хитрий, він не дуже схожий на класичний сигнал обертового маяка. За допомогою спектрометра RPWS у парі з магнітометром MAG станції Cassini у його природі вдалося розібратися. "Ми зв’язали пульсуючий радіосигнал [Сатурна] із обертовим магнітним сигналом, — говорить Девід Саусвуд, співавтор березневої статті в Science (і одночасно — директор наукової програми ЕКА). — Один раз за кожен виток магнітного поля Сатурна якась асиметрія запускає сплеск радіохвиль". Ці сплески і є тими тимчасовими мітками, котрі дозволяють визначити період обертання як у часи "Вояджерів", так і зараз. Але магнітне поле планети необов’язково обертається з тією ж швидкістю, що і сама планета — воно може як би "прослизати" і відставати від обертання Сатурна.

Так воно на справді і відбувається, причому причиною ковзання і його регулятором є речовина, яка викидається Енцеладом! "Такого ефекту не пророкував нихто — говорить керівник наукової групи RPWS Дон Гарнет (Don A. Gurnett), — але тепер він доведений". Гейзери на Енцеладі викидають у простір поблизу його орбіти лід і водяну пару. Спочатку нейтральні молекули й атоми іонізуються — і утворюється шлейф із заряджених часток, а потім і тороїдальне кільце навколо планети. Вони захоплюються магнітним полем Сатурну, утворюють диск іонізованого газу, і... "навантажують" магнітне поле планети-гіганта, змушуючи невидимі для ока лінії напруженості поля "ковзати" по відношенню до її обертання. І чим більше таких часток, тим більше "ковзання" магнітного поля і тим більш "відчутний" період.

Але якщо сьогодні період обертання поля на 1% вищий ніж 25 років тому, це може означати одне з двох: або Енцелад зараз більш активний у геологічному плані і його гейзери "працюють" у посиленому режимі, або позначаються сезонні варіації, пов'язані з обертанням Сатурну навколо Сонця з періодом 29,5 років.

Усі ці загадки ще мають бути розгадані... Місія "Кассіні" продовжується.

Коментарі:

blog comments powered by Disqus