Gedurende het grootste deel van het bestaan ​​van de mensheid was de aarde de enige bekende door de oceaan bedekte wereld, schijnbaar anders dan enig ander kosmisch eiland.

Maar in 1979 vlogen NASA's twee Voyager-ruimtevaartuigen langs Jupiter. De maan Europa, een bevroren rijk, was versierd met groeven en breuken – wat erop wijst dat er mogelijk iets dynamisch onder het oppervlak zit.

“Na Voyager vermoedden mensen dat Europa raar was en misschien wel een oceaan had,” zei hij Franciscus Nimmo, een planetaire wetenschapper aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz.

Toen, in 1996, passeerde NASA's Galileo-ruimtevaartuig Europa en ontdekte een vreemd magnetisch veld dat van binnenuit kwam. “We begrepen niet wat het was”, zei hij Margaret Kivelson, een ruimtefysicus aan de Universiteit van Californië, Los Angeles die de leiding had over de magnetometer van het ruimtevaartuig. Uiteindelijk realiseerden zij en haar team zich dat een elektrisch geleidende vloeistof – iets in de maan – stuiptrekkingen veroorzaakte als reactie op het immense magnetische veld van Jupiter. ‘Het enige dat enige betekenis had,’ zei Kivelson, ‘was dat er een laagje vloeibare smelt onder het oppervlak van het ijs zat.’

In 2004 arriveerde NASA's Cassini-ruimtevaartuig bij Saturnus. Toen het de kleine maan Enceladus van Saturnus observeerde, vond het coruscating ijskoude pluimen uitbarstend uit enorme kloven aan de zuidpool van de maan. En toen Cassini door deze tuiten vloog, was het bewijs onmiskenbaar: dit was een zoute oceaan die krachtig de ruimte in bloedde.

Nu zijn de oceanen van de aarde niet langer uniek. Ze zijn gewoon vreemd. Ze bestaan ​​op het zonovergoten oppervlak van onze planeet, terwijl de zeeën van het buitenste zonnestelsel onder ijs liggen en in duisternis baden. En deze ondergrondse vloeibare oceanen lijken de regel voor ons zonnestelsel te zijn, en niet de uitzondering. Naast Europa en Enceladus bestaan ​​er vrijwel zeker ook andere manen met met ijs bedekte oceanen. Een vloot ruimtevaartuigen zal ze de komende tien jaar in detail onderzoeken.

Dit alles roept een schijnbare paradox op. Deze manen bestaan ​​al miljarden jaren in de ijzige gebieden van ons zonnestelsel – lang genoeg om de restwarmte van hun creatie eeuwen geleden naar de ruimte te laten ontsnappen. Alle ondergrondse zeeën zouden nu uit vast ijs moeten bestaan. Hoe kunnen deze manen, die zo ver buiten de warmte van de zon draaien, vandaag de dag nog steeds oceanen hebben?

Steeds meer bewijsmateriaal geeft aan dat er meerdere manieren kunnen zijn om oceanen met vloeibaar water gedurende miljarden jaren in stand te houden. Het ontcijferen van die recepten zou onze zoektocht kunnen versnellen om te bepalen hoe gemakkelijk of lastig het is om leven in de hele kosmos te laten ontstaan. Vers geanalyseerd gegevens van oude ruimtevaartuigen, plus recente waarnemingen door NASA Juno ruimtevaartuig en James Webb Space Telescope, dragen bij aan het groeiende bewijsmateriaal dat deze warme oceanen chemie bevatten die gunstig is voor de biologie, en dat het binnenste zonnestelsel niet de enige plek is waar het leven potentieel zijn thuis zou kunnen noemen.

Deze oceanische manen bieden ook een grotere mogelijkheid. Gematigde, potentieel leefbare oceanen kunnen een onvermijdelijk gevolg zijn van planeetvorming. Het maakt misschien niet uit hoe ver een planeet en zijn manen verwijderd zijn van het nucleaire vreugdevuur van hun ster. En als dat waar is, dan is het aantal landschappen dat we kunnen verkennen tijdens onze zoektocht naar leven buiten de aarde vrijwel onbeperkt.

“Oceanen onder ijskoude manen lijken raar en onwaarschijnlijk”, zegt hij Steven Vance, een astrobioloog en geofysicus bij het Jet Propulsion Laboratory van NASA.

En toch blijven deze buitenaardse zeeën uitdagend vloeibaar.

Een in spiegelbeeld gewikkelde oceaan

Wetenschappers vermoeden dat een handvol manen die in een baan om Jupiter en Saturnus draaien – en misschien zelfs enkele die rond Uranus en Neptunus draaien – oceanen herbergen. De forse Ganymedes en de met kraters bedekte Callisto produceren zwakke, Europa-achtige magnetische signalen. Ook de met nevel bedekte Titan van Saturnus heeft zeer waarschijnlijk een ondergrondse oceaan met vloeibaar water. Dit “zijn de vijf waar de meeste wetenschappers in de gemeenschap behoorlijk veel vertrouwen in hebben”, aldus de onderzoekers Mike Sori, een planetaire wetenschapper aan de Purdue University.

Tot nu toe is de enige absolute oceanische zekerheid Enceladus. “Dat is een no-brainer,” zei Carly Howett, een planetaire wetenschapper aan de Universiteit van Oxford.

In de jaren tachtig vermoedden sommige wetenschappers dat Enceladus pluimen had; De E-ring van Saturnus was zo schoon en glanzend dat er iets – misschien van een van zijn manen – de ruimte in moest lekken en deze voortdurend moest verfrissen. Nadat Cassini eindelijk getuige was geweest van deze planeetverrijkende magie in actie, vroegen wetenschappers zich kort af of de zuidpoolpluimen van de maan het werk zouden kunnen zijn van zonlicht dat ijs in de schil van de maan verdampt - een beetje zoals droogijs dat wegkookt bij verhitting, misschien door zonlicht.

“Een tijdje was er discussie over de vraag of er überhaupt wel een oceaan moest zijn,” zei Nimmo. “Wat dat echt deed, was toen [Cassini] door de pluim vloog en ze zout vonden: natriumchloride. Dat is een oceaan.” Er was nog steeds een kans dat deze pluimen uit een kleinere, meer geïsoleerde zee zouden kunnen uitbarsten. Maar uit verdere Cassini-waarnemingen bleek dat de schil van Enceladus zo hevig heen en weer schommelt dat hij door een mondiale oceaan van het diepere binnenste van de maan moet worden gescheiden.

De pluimen pompen ook waterstof en kwarts naar buiten, wat tekenen zijn van activiteit van hydrothermale bronnen in de diepzee Frank Postberg, een planetaire wetenschapper aan de Vrije Universiteit van Berlijn. Op aarde produceren dergelijke ventilatieopeningen de warmte en chemie die nodig zijn om ecosystemen van stroom te voorzien die buiten het bereik van zonlicht bestaan ​​– gemeenschappen van organismen waarvan wetenschappers ooit dachten dat ze niet konden bestaan ​​in onze fotosynthetisch afhankelijke wereld.

Maar wat zou een ventilatiesysteem kunnen aandrijven dat sterk genoeg is om een ​​hele oceaan te verwarmen? Een andere maan – deze van de vurige variant – zou deze aanwijzingen opleveren.

De eeuwige, helse getijden

In juni 1979, een maand vóór Voyager 2's korte vlucht langs Europa, ontdekten wetenschappers aangekondigd dat Voyager 1 een glimp had opgevangen van gigantische, parapluvormige pluimen die boven Io de ruimte in vlogen – de uitbarstende vingerafdrukken van verschillende vulkanen.

Deze observatie had verbijsterend moeten zijn: vulkanisme vereist een interne warmtebron, en Io had, net als de andere ijzige manen, niets meer dan sintels moeten zijn. Maar een paar maanden eerder had een onafhankelijk team van wetenschappers gelijk voorspeld dat Io een hyperactieve vulkanische wereld zou kunnen zijn.

Ze hadden hun voorspelling gebaseerd op de orbitale dans van de grootste manen van Jupiter. Voor elke vier banen die Io voltooit, maakt Europa er twee en Ganymedes één. Deze orbitale configuratie, bekend als resonantie, zorgt ervoor dat Io heen en weer wiebelt, waardoor zijn baan elliptisch wordt. Wanneer Io dichter bij Jupiter is, trekt de zwaartekracht van de planeet er intenser aan. Als het verder weg is, is de trekkracht van Jupiter zwakker. Dat eindeloze zwaartekrachtgevecht maakt het rotsachtige oppervlak van Io beweeg op en neer met 100 meter, dezelfde hoogte als een gebouw van 30 verdiepingen. Dit zijn getijden, net als die van de aarde – alleen in vast gesteente, niet in water.

Die getijden veroorzaken wrijving in de maan, waardoor warmte ontstaat. En die getijdenverwarming is sterk genoeg om het gesteente diep in Io te laten smelten. “Io heeft geen wateroceaan, maar waarschijnlijk wel een magma-oceaan,” zei Nimmo. (Galileo nam daar ook een secundair magnetisch veld op, gegenereerd door een mondiaal ondergronds reservoir van gesmolten gesteente.)

Europa ervaart ook enige getijdenopwarming. Maar hoeveel die getijden een oceaan verwarmen, hangt af van waar ze op de maan voorkomen; met andere woorden: er moet voldoende van die warmte naar de oceaan gaan om deze vloeibaar te houden. “De getijdenopwarming zou in de ijslaag zelf kunnen plaatsvinden, of in de rotsachtige kern eronder,” zei Nimmo. Wetenschappers weten niet wat juist is, en kunnen dus ook niet met zekerheid zeggen hoeveel getijdenopwarming bijdraagt ​​aan het vloeibare binnenland van Europa.

Enceladus wordt ook uitgerekt en samengedrukt door zijn zwaartekrachttango met een naburige maan genaamd Dione. In theorie zou dit getijden kunnen veroorzaken die het binnenste van de maan verwarmen. Maar de getijden die ontstaan ​​door de resonantie met Dione lijken, althans op papier, niet voldoende om de oceaan te verklaren. De cijfers kloppen nog niet, zei Sori, en de hoeveelheid geproduceerde warmte is niet genoeg om een ​​mondiale oceaan in stand te houden gedurende de miljarden jaren sinds de geboorte van het zonnestelsel. Misschien weten wetenschappers, net als bij Europa, niet helemaal waar de getijden hitte veroorzaken in Enceladus.

Een andere verstorende factor is dat banen niet in de astronomische tijd gefixeerd zijn. Terwijl planetaire systemen evolueren, migreren manen, en “getijdenverwarming kan aan en uit gaan als dingen in en uit verschillende resonanties drijven”, zegt David Rothery, een planetaire wetenschapper aan de Open Universiteit in het Verenigd Koninkrijk. Wetenschappers vermoeden dat dit is gebeurd met Miranda en Ariel, twee Uraniaanse satellieten die mogelijk voormalige danspartners zijn; deze manen zien eruit alsof ze ooit geologisch actief waren, maar dat zijn ze nu bediscussieerbaar bevroren naar hun kernen.

In dezelfde geest heeft Enceladus misschien niet altijd Dione als danspartner gehad: misschien begon hun rond Saturnus cirkelende boogie recenter en verwarmde een voorheen solide maan. Maar dat scenario is ook lastig uit te leggen. “Het is gemakkelijker om een ​​oceaan rond te houden en te onderhouden, dan om hem te bevriezen en opnieuw te smelten,” zei Sori. Dus als getijdenverwarming exclusief verantwoordelijk is voor de oceaan van Enceladus, dan is de maan een ervaren danseres die al miljarden jaren aan het dansen is.

Voorlopig is de enige zekerheid over de oceaan van deze maan dat hij bestaat. Hoe het tot stand is gekomen, en hoe het vandaag de dag nog steeds bestaat, “is een van de echt grote onopgeloste vragen”, zei Sori. ‘Enceladus is lastig te doorgronden.’

Radioactieve afvalligen 

Gelukkig zijn warme, maanachtige interieurs niet uitsluitend afhankelijk van de getijden.

De helft van de interne warmte van de aarde kwam van haar geboorte. De rest is afkomstig van rottende radioactieve elementen. Op dezelfde manier zouden de rotsrijke diepten van ijzige manen een behoorlijke hoeveelheid uranium, thorium en kalium moeten bevatten – radioactieve voorraden die hun omgeving honderden miljoenen, zo niet miljarden jaren kunnen koken voordat ze vervallen tot stabiele elementen en stoppen met het vrijgeven van warmte. .

Grotere manen zullen begonnen zijn met meer overvloedige voorraden radioactieve materie. En misschien is dat alles wat hun oceanen nodig hebben. “Voor grotere manen zoals Ganymede, Callisto en Titan zijn ze min of meer onvermijdelijk vanwege deze radiogene factor,” zegt Vance. Sommige wetenschappers beweren zelfs dat Pluto heeft een ondergrondse oceaan. Net als de drie manen is deze dwergplaneet waarschijnlijk geïsoleerd door een voldoende dikke korst die het lekken van zijn radioactieve oven in de ruimte vertraagt.

Toch bevatten de relatief kleine harten in Lilliputter-manen zoals Enceladus niet genoeg radioactieve materie om ze miljarden jaren lang warm te houden. Eén onbevredigende oplossing voor dit raadsel is dat Enceladus misschien gewoon geluk heeft gehad: radioactiviteit zou een vroeg deel van zijn oceanische verleden kunnen verklaren, en zijn dans met Dione een recentere episode. Misschien "zijn we nu op het punt van cross-over, waar de radiogene [verwarming] zo laag wordt dat de getijdenverwarming het overneemt", zei Postberg.

Als dat zo is, is Enceladus misschien een microkosmos van het universum: een toevallige combinatie van getijdenverwarming en radioactiviteit. Dat zou betekenen dat oceanische manen overal zouden kunnen voorkomen – of, omgekeerd, bijna nergens.

Jeugdige oceanen

Als alternatief, en controversieel, beweren sommige wetenschappers dat Enceladus opmerkelijk jong zou kunnen zijn.

In de enorme hoeveelheden gegevens die door het Cassini-ruimtevaartuig zijn verzameld, schuilen aanwijzingen dat Saturnus niet met zijn iconische ringen is geboren. In plaats daarvan zijn veel wetenschappers daar nu van overtuigd de ringen gevormd slechts een paar honderd miljoen jaar geleden. Nieuw onderzoek waarbij supercomputers worden gebruikt om maan-op-maan-geweld te simuleren suggereert dat de ringen van Saturnus ontstonden toen twee oude manen met elkaar in botsing kwamen rond de tijd dat stegosauriërs over de aarde zwierven. Deze ineenstorting bezaaide de baan van Saturnus met legioenen ijskoude scherven; terwijl velen de ringen vormden, vernietigden anderen bestaande manen en nieuwe gemaakt. En als de ringen jong zijn, kunnen Enceladus en een handvol andere manen ook jong zijn.

“Het voelt alsof mensen er meer voor openstaan ​​om te overwegen dat de manen jong zijn”, zegt hij Jacob Kegerreis, een onderzoekswetenschapper bij NASA's Ames Research Center in Mountain View, Californië, en co-auteur van het recente onderzoek naar ringvorming.

In een wending die dit idee ondersteunt, blijkt dat wetenschappers niet weten hoe oud sommige manen van Saturnus zijn. “Enceladus zou slechts een paar honderd miljoen of tientallen miljoenen jaren oud kunnen zijn,” zei Rothery. Als dat zo is, kan het zijn dat de hitte van zijn waanzinnige geboorte de jonge oceaan nog steeds vloeibaar houdt.

Maar het verhaal van de jonge manen is verre van zeker: het enorme aantal kraters dat velen vertonen suggereert dat de manen al vele eeuwen in de buurt zijn om het flipperkastachtige pandemonium van het zonnestelsel te ervaren. “Ik denk dat er in het Saturnussysteem een ​​paar honderd miljoen jaar geleden iets bizars is gebeurd,” zei Nimmo. “Maar ik vermoed dat alle satellieten 4.5 miljard jaar oud zijn.”

Satelliet waarzeggers

Nu de Galileo- en Cassini-missies allang dood zijn, vestigen wetenschappers hun hoop nu op twee ruimtevaartuigen: de Jupiter Icy Moons Explorer van de European Space Agency, die onlangs is gelanceerd, en NASA's Europa Clipper, die dat nog niet heeft gedaan. Beide zullen aan het begin van het volgende decennium bij Jupiter aankomen.

En dat brengt ons terug bij Europa, de maan die voor het eerst een nieuwe voorstelling van de kosmische context waarin de zeeën van de aarde bestaan, dwong.

Een van de doelen voor het Clipper-ruimtevaartuig – dat in oktober 2024 zal vliegen – is (in de woorden van de doelstellingenlijst van de missie) om te “bevestigen” dat de oceaan van Europa bestaat. “Er was veel discussie over dat woord”, zei Nimmo. Clipper zou iets anders kunnen vinden dan een oceaan; er kan in plaats daarvan een bevroren zee zijn gevuld met smeltwater. Of ‘het zou een dun laagje goud kunnen zijn’, grapte Nimmo. “Ik denk dat het 99% zeker is dat daar een oceaan is.”

Ervan uitgaande dat Clipper het bestaan ​​van de Europese oceaan bevestigt, zal het aan de slag gaan met het karakteriseren van de maan en de ondergrondse zee. Om dat te doen zal het ruimtevaartuig eerst uitzoeken welke moleculen zich op het maanoppervlak bevinden – en, als wetenschappers geluk hebben, in de oceaan eronder. Terwijl hij langs de maan vliegt, neemt Clipper al het microscopisch kleine stof, ijs of waterdamp op dat van het maanoppervlak afwaait. Die deeltjes zullen door haar worden bestudeerd oppervlaktestofanalysator instrument: Wanneer korrels de metalen plaat raken, worden ze verdampt en elektrisch geladen, waardoor het instrument de chemische identiteit van het graan kan onthullen.

De hoop is dat pluimen de Europese oceaan zachtjes de ruimte in blazen, wat de zoektocht van Clipper aanzienlijk gemakkelijker zou maken. Dergelijke tuiten kunnen bestaan, maar ze zullen niet zijn zoals die van Enceladus; ze kunnen meer intermitterend en geografisch sporadisch zijn. Het kan ook zijn dat ze helemaal niet aanwezig zijn – in welk geval de hoop is dat de inslagen van micrometeorieten de ijzige schaal zullen wegsnijden, waardoor soepen van de oceaan vrijkomen en deze richting Clipper worden gespoten.

En het zou kunnen blijken dat Europa en de andere manen, als het gaat om warm blijven, vertrouwen op chemische trucs die niet zo vreemd zijn als we zouden verwachten. In de winter ‘zouten we de wegen om de smelttemperatuur te verlagen’, zei Sori. Misschien is de Europese oceaan bijzonder zout, wat het vriespunt zou verlagen. Andere verbindingen zouden echter een effectiever antivriesmiddel zijn – “vooral ammoniak,” zei Sori, dat overvloediger aanwezig is verder weg van de verdampende schittering van de zon.

Getijden, radioactiviteit, chemie en jeugd: deze ingrediënten kunnen, wanneer ze op de juiste manier worden gemengd, oceanen op deze ijzige manen produceren en in stand houden. "Met al deze dingen denk ik niet dat het of/of is", zei Howett. Het specifieke recept voor elke satelliet kan verschillend zijn. Er kunnen honderden manieren zijn om een ​​met oceaan gevulde ijzige maan te maken.

De ontdekking van Europa's geheime oceaan "veranderde echt de manier waarop mensen over manen dachten", zei Kivelson. En het zette de wetenschap op koers om te bepalen of buitenaardse levensvormen deze buitenaardse zeeën zouden kunnen bevolken, en misschien een ontdekking tot stand zouden kunnen brengen die onze opvatting over onze plaats in het universum voor altijd zal veranderen.

Quanta voert een reeks onderzoeken uit om ons publiek beter van dienst te zijn. Neem onze lezersenquête natuurkunde en je doet mee om gratis te winnen Quanta handelswaar.