Новости из Солнечной cистемы: гейзеры на Европе и водяной пар над Церерой

Наблюдения на космическом телескопе «Хаббл» показывают, что подледный океан на спутнике Юпитера Европе может контактировать с поверхностью. Вблизи южного полюса Европы обнаружены выбросы водяного пара, усиливающиеся или ослабевающие в зависимости от ее положения на орбите. Они свидетельствуют о трещинах в ледяной коре, которые периодически открываются под действием приливных сил и позволяют воде испаряться и выходить наружу. Выбросы водяного пара обнаружены и на Церере, самом большом теле главного пояса астероидов, но там они, вероятно, связаны с сублимацией (испарением) поверхностного льда из-за солнечного нагрева.

Подледный океан жидкой воды на Европе

Когда первые межпланетные зонды достигли окрестностей Юпитера, они обнаружили, что поверхность одного из его спутников, Европы, напоминает потрескавшийся лед замерзших озер и морей Земли (рис. 2). Европа покрыта множеством пересекающихся темных полос, причем старые полосы часто пересекаются более молодыми и слегка разрываются в этих местах, как будто вдоль новой полосы происходил параллельный сдвиг поверхности. На Европе почти отсутствуют ударные кратеры, что означает высокую изменчивость ее поверхности (чего и следует ожидать от льда). Ученые считают, что линии в основном образуются под действием приливных сил, вызванных притяжением Юпитера.

Но при приливных деформациях трещины должны располагаться и ориентироваться определенным образом. Однако совпадение наблюдается только у самых свежих полос, а более старые случайным образом отклоняются от предсказаний: чем старше, тем сильнее. Это означает, что поверхность Европы не связана механически с ядром и представляет собой ледяную кору поверх жидкого или очень пластичного слоя. Поддержание этого слоя в нагретом и жидком состоянии, как предполагается, достигается за счет приливного разогрева: при неравномерном орбитальном движении спутника приливные волны перемещаются по его поверхности и вызывают периодические деформации и нагрев из-за сил трения (например, именно приливный разогрев отвечает за вулканизм на другом спутнике Юпитера — Ио, самом геологически активном теле в Солнечной системе; см. также Tidal heating). Приливный разогрев может способствовать и вулканизму на дне океана.

Еще одно свидетельство в пользу существования подледного океана на Европе было получено путем измерения магнитного поля. Зонд «Галилео», исследовавший Юпитер и его спутники в 1990-х годах, обнаружил у Европы слабое магнитное поле (порядка 120 нТ, что в 500 раз меньше земного), которое меняется при движении Европы по орбите. Это можно объяснить тем, что вблизи ее поверхности есть электропроводный слой, в котором гораздо более сильное магнитное поле Юпитера генерирует токи, которые, в свою очередь, порождают собственное поле Европы. По оценкам авторов статьи, посвященной этому вопросу (см.: C. Zimmer et al., 2000. Subsurface Oceans on Europa and Callisto: Constraints from Galileo Magnetometer Observations), проводящий слой на Европе залегает не глубже 200 км, а его электропроводность составляет не менее 0,02 См/м (сименсов на метр), то есть такая же, как у соленой воды. Даже у самых пластичных форм льда или скальных пород при не очень высоких температурах и давлениях электропроводность значительно ниже.

Таким образом, всё указывает на то, что под ледяной корой Европы скрывается океан жидкой воды, и в нём, благодаря вулканизму на дне, есть все условия для существования жизни: вода, питательные вещества и источник энергии. Экосистемы дна (если они, конечно, есть) могут быть похожими на экосистемы черных курильщиков на Земле, в которых организмы используют растворенные в воде минералы и вулканическое тепло. Как исследовать этот океан более подробно? Нужно ли бурить ледяной слой, толщина которого, по разным данным, составляет от 3 до 30 км? Можно ли найти свежезамороженную воду из глубин океана вблизи темных полос Европы (в ней могут сохраниться органические примеси, которые еще не разрушены от воздействия космической радиации)? Контактирует ли океан с поверхностью непосредственно или свежий материал на поверхности — результат конвекции в нижнем, пластичном слое коры? (Нагретые области льда могут подниматься в пластичном слое за счет силы Архимеда и частично расплавляться с образованием изолированных неглубоких резервуаров — аналогов магматических плюмов.) В любом случае, исследование европеанского океана in situ предполагает сложные и дорогостоящие миссии. Но сделанное недавно открытие (см. ниже) позволяет надеяться, что исследование подледного океана Европы и даже доставка образцов вещества из него на Землю может оказаться намного легче.

Гейзеры на Европе

После открытия гейзеров на Энцеладе, спутнике Сатурна, ученые стали искать свидетельства похожей активности и на других телах, в первую очередь — на Европе, как на весьма вероятном обладателе подледного океана. Образование областей, подобных Коннемарскому хаосу (рис. 3, см. также Conamara Chaos), и растрескивание поверхности скорее всего должно сопровождаться контактом воды (или, по крайней мере, более теплого льда) с поверхностью и выбросами водяного пара. То есть наличие гейзеров стало бы одновременно подтверждением геологической активности коры и указанием на то, что материал океана Европы можно отыскать где-нибудь поближе к поверхности.

Группа ученых во главе с Иоахимом Зауром (Joachim Saur) из Кёльнского университета наблюдала Европу на космическом телескопе «Хаббл» в ультрафиолетовом диапазоне (см. электромагнитное излучение), в линиях эмиссии нейтрального атомарного кислорода (130,4 и 135,6 нм) и атомарного водорода с длиной волны 121,6 нм — так называемой линии Лайман альфа. Предполагалось, что водяной пар в окрестностях Европы (если он там есть) будет расщепляться ультрафиолетовым излучением Солнца (см. фотодиссоциация) на водород и кислород, которые будут возбуждаться тем же излучением и давать избыточное свечение в этих линиях.

Лед тоже диссоциирует под действием излучения (особенно в отсутствие азота и углекислого газа, что как раз имеет место в атмосфере Европы), но он разлагается значительно медленнее, чем пар, а легкие атомы водорода быстро приобретают скорость выше второй космической для Европы и покидают ее область притяжения. Более тяжелые атомы кислорода движутся медленнее, они задерживаются около Европы, успевая рекомбинировать в молекулы O₂ и образовать разреженную кислородную атмосферу Европы (давление 10^–7 Па — в триллион раз меньше земного и всего в тысячу раз больше, чем в межпланетном пространстве). Так что в нормальных условиях водорода вблизи Европы быть не должно: для этого необходимо достаточное количество водяного пара, который производит атомы водорода гораздо эффективнее льда. Столько пара не может образоваться в результате сублимации льда, ведь температура на Европе слишком низка (–170°C на экваторе, –220°C на полюсах), и лед на ней не испаряется даже в вакууме. Значит, избыточное образование атомарного водорода и кислорода могло бы быть объяснено только наличием гейзеров.

Наблюдения, произведенные в декабре 2012 года в линии свечения водорода, показали именно такую избыточную эмиссию, центр которой находился в южных полярных широтах вблизи 90 градусов западной долготы, а размер соответствовал двухсоткилометровому облаку пара с концентрацией воды в луче зрения 1,5·10²⁰ молекул/м² (рис. 4). Эти же области соответствовали усилению эмиссии в линиях кислорода, что подтверждает природу выброса: он состоит из водяного пара. Авторы обсуждаемой статьи не приводят суммарной массы воды в облаке, но исходя из его размеров (полусфера в 200 км) и силы тяжести на Европе можно оценить его массу в 10 т, а расход пара — в 10 кг/c.

«Приливный» механизм

Как показывают наблюдения, активность выбросов достигает максимума, когда Европа находится вблизи апоцентра (самой удаленной от Юпитера точки своей орбиты), и уменьшается в перицентре, что свидетельствует о приливном механизме активации выбросов. Это согласуется с моделями воздействия приливных сил от Юпитера на ледяную кору Европы, трещины в ней должны открываться именно вблизи полюсов (что, кстати, наблюдается и на Энцеладе, спутнике Сатурна) и в самых далеких от Юпитера точках орбиты, а при приближении к нему они должны «закрываться».

Ученые отмечают большую скорость вырывающегося наружу материала — 700 м/c (рассчитанную по измерениям максимальной высоты выбросов и исходя из известного значения ускорения свободного падения на Европе — 1,3 м/с²). Это говорит об извержении из очень узких и глубоких трещин. Такие скорости слишком велики, и их трудно объяснить расширением при перепаде давления в трещинах от равновесного давления пара над водой или теплым льдом (десятки паскалей) до давления вблизи устья гейзера (оно на порядки больше среднего давления в облаке и не может быть ниже сотых долей паскаля, иначе получаются нереалистично большие площади отверстий: тысячи км², если оно порядка 1 μПа, и единицы км², если оно порядка 1 мПа). Возможно, за разгон отвечают другие процессы, например выдавливание пара при периодическом захлопывании трещин, но это — предмет дальнейших исследований. Также все-таки не исключается полностью, что пар в трещинах не связан с океаном, а образуется, когда их стенки нагреваются при интенсивном трении друг о друга. Однако форма трещин и признаки геологической молодости поверхности указывают, что возможен и прямой контакт с океаном. А в действительности, вероятно, имеют место оба механизма.

Наличие на Европе гейзеров радикально облегчает доставку материала с Европы на Землю: не надо садиться на поверхность и взлетать с нее, затрачивая большое количество топлива. Достаточно только запустить орбитальный зонд, который пролетит через выбросы и заберет часть их материала в холодную ловушку (или аэрогелевую, как в аппарате «Стардаст»), и направить его обратно к Земле.

Церера: карликовая планета в поясе астероидов с ледяной корой

Еще один претендент на наличие воды — Церера, cамый крупный объект главного пояса астероидов. Как показывают последние исследования, многие объекты главного пояса астероидов являются не просто каменными глыбами или кусками металла, а могут иметь довольно сложное строение. Так, на орбите другого астероида этого пояса, Весты, с июля 2011-го по сентябрь 2012 года работал космический аппарат Dawn. Оказалось, что Веста, несмотря на свой небольшой размер (530 км), представляет собой дифференцированное тело с геологической историей и состоит из маленького железного ядра, каменной мантии и коры из застывшей лавы. А в первые несколько миллионов лет на Весте имел место интенсивный вулканизм, приводимый в действие распадом короткоживущих радиоактивных изотопов.

Диаметр Цереры почти 1000 км, что сравнимо с размером средних спутников Сатурна; это дает основание предположить, что ее строение также дифференцировано. Самое интересное, что низкая плотность Цереры и наличие на ее поверхности льда, карбонатов и сильно гидратированных минералов свидетельствуют в пользу наличия у нее слоя водяного льда толщиной в десятки километров (рис. 5), что делает ее похожей на Европу! Более того, механизмы нагрева Весты, определенно, могли иметь место и на Церере. Предполагается, что в первые несколько миллионов лет после формирования этих тел они сильно подогревались распадом радиоактивных элементов, в том числе и относительно котороткоживущих (например, алюминия-26 с периодом полураспада около 717 000 лет, которого поначалу было много в скальных породах; подробнее см. статью N. Moscowitz, E. Gaidos. Differentiation of Planetesimals and the Thermal Consequences of Melt Migration). Вероятно, в начале истории этого небесного тела его недра были расплавлены, а значит, и часть воды на нем находилась в жидком состоянии. Космический аппарат Dawn прибудет к Церере только в 2015 году, а пока ученые регулярно наблюдают ее в наземные и космические телескопы.

Гейзеры Цереры: «кометный» механизм

Ученые из Южной европейской обсерватории исследовали Цереру с помощью инфракрасного космического телескопа «Гершель». В отличие от Европы, эти наблюдения проводились в дальнем инфракрасном диапазоне, в области спектра вблизи 538,3 мкм (то есть в тысячу раз длиннее волн видимого света), где находится одна из линий поглощения и испускания нейтральных молекул воды. Поскольку предельное разрешение телескопа обратно пропорционально длине волны, в этих наблюдениях диск Цереры не был различим (хотя апертура телескопа в полтора раза больше, чем у «Хаббла»). Несмотря на это, приблизительное расположение места выбросов было установлено с помощью измерения допплеровского сдвига наблюдаемой спектральной линии, который вызван вращением Цереры вокруг своей оси (рис. 6). Оказалось, что выбросы локализуются в самых темных участках диска Цереры. Таким образом, образование водяного пара, вероятно, связано с солнечным нагревом.

Скорости выбросов достигают сотен метров в секунду, что, как и на Европе, означает выброс пара через узкие и длинные отверстия. Похоже, что на Церере имеет место «кометный» механизм выбросов, когда пар скапливается под поверхностью и вырывается через трещины в ней. Церера расположена гораздо ближе к Солнцу, чем Европа, и ее поверхность гораздо темнее, так что она может нагреваться выше –50°C. При этой температуре водяной лед может заметно испаряться в условиях космического вакуума.

Авторы статьи привели оценки скорости испарения: 6 кг в секунду (сначала рассчитали общее количесто пара по интенсивности линий, потом разделили его на среднее время, которое проходит от момента выброса до выпадения на поверхность или ухода в космическое пространство, и получили необходимый для восполнения расход материала). Если принять, что вся поглощаемая поверхностью энергия от Солнца идет на сублимацию, то эффективная площадь сублимации получается равной всего 0,6 км² (0,0000001 от всей площади поверхности Цереры). В реальности, конечно, далеко не весь солнечный свет расходуется на сублимацию, и эффективная площадь на два или три порядка больше, но всё равно составляет малую долю поверхности Цереры. Лед может испаряться как со свежих метеоритных кратеров, пробивших внешний слой пыли, так и из-под пылевого слоя. Совпадение источников водяного пара с наиболее темными участками поверхности Цереры и высокая скорость выбросов, видимо, свидетельствуют в пользу второго варианта, но в реальности может иметь место комбинация механизмов. Нельзя списывать со счетов и криовулканизм. В отличие от спутников газовых гигантов, Церера не может нагреваться из-за приливов, но, по некоторым моделям, долгоживущие и медленно распадающиеся изотопы в ее ядре могут поддерживать в нижних слоях коры достаточную температуру для образования пластичного льда и начала конвекции в нем или даже для частичного плавления. Без источников нагрева температура ледяной коры Цереры уже давно опустилась бы до средней температуры ее поверхности — до −105°C. Но если во льду есть значительная примесь аммиака, он может начать плавиться всего при −80°C, и требуемая степень разогрева не так уж велика. Понять, какой механизм образования водяного пара действует на Церере, помогут дальнейшие наблюдения: сублимация под действием солнечного нагрева должна варьироваться с изменением сезонов, а криовулканизм от них не зависит.

Таким образом, Церера перестала быть просто самым большим астероидом — теперь это карликовая планета с некоторыми чертами самой большой кометы Солнечной системы, и со слоем льда, под которым в прошлом, вероятно, скрывался жидкий океан, и со следами взаимодействия воздействия воды и минералов на поверхности. Остался ли океан жидким до сих пор, откуда появился водяной пар в окрестностях Цереры, и, вероятно, многое другое мы узнаем совсем скоро, когда космический аппарат Dawn выйдет на ее орбиту в феврале 2015 года.