Trong phần lớn sự tồn tại của loài người, Trái đất là thế giới bao phủ bởi đại dương duy nhất được biết đến, dường như không giống bất kỳ hòn đảo vũ trụ nào khác.

Nhưng vào năm 1979, hai tàu vũ trụ Voyager của NASA đã bay ngang qua Sao Mộc. Mặt trăng Europa của nó, một vương quốc băng giá, được trang trí bằng các rãnh và vết nứt – gợi ý rằng có thể có thứ gì đó năng động bên dưới bề mặt của nó.

“Sau Du hành, người ta nghi ngờ rằng Europa thật kỳ lạ và có thể có đại dương,” nói Francis Nimmo, một nhà khoa học hành tinh tại Đại học California, Santa Cruz.

Sau đó, vào năm 1996, tàu vũ trụ Galileo của NASA đi ngang qua Europa và phát hiện ra một từ trường kỳ lạ phát ra từ bên trong. “Chúng tôi không hiểu nó là gì,” nói Margaret Kivelson, một nhà vật lý vũ trụ tại Đại học California, Los Angeles, người phụ trách từ kế của tàu vũ trụ. Cuối cùng, cô và nhóm của mình nhận ra rằng một chất lỏng dẫn điện – thứ gì đó bên trong mặt trăng – đang co giật để phản ứng với từ trường cực lớn của Sao Mộc. “Điều duy nhất có ý nghĩa,” Kivelson nói, “là liệu có một lớp chất lỏng tan chảy bên dưới bề mặt băng hay không.”

Năm 2004, tàu vũ trụ Cassini của NASA đã tới Sao Thổ. Khi quan sát vệ tinh nhỏ Enceladus của Sao Thổ, nó phát hiện thấy các đường cong chùm băng giá phun trào từ vực sâu rộng lớn ở cực nam của mặt trăng. Và khi Cassini bay qua những vòi này, bằng chứng không thể nhầm lẫn - đây là một đại dương mặn chảy mạnh vào không gian.

Giờ đây các đại dương trên Trái đất không còn là duy nhất nữa. Họ thật kỳ lạ. Chúng tồn tại trên bề mặt đầy ánh nắng của hành tinh chúng ta, trong khi các vùng biển thuộc hệ mặt trời bên ngoài nằm dưới lớp băng và chìm trong bóng tối. Và những đại dương lỏng dưới lòng đất này dường như là quy luật cho hệ mặt trời của chúng ta chứ không phải là ngoại lệ. Ngoài Europa và Enceladus, các mặt trăng khác có đại dương phủ băng gần như chắc chắn cũng tồn tại. Một đội tàu vũ trụ sẽ khám phá chúng một cách chi tiết trong thập kỷ tới.

Tất cả điều này đặt ra một nghịch lý rõ ràng. Những mặt trăng này đã tồn tại ở vùng băng giá của hệ mặt trời của chúng ta trong hàng tỷ năm - đủ lâu để nhiệt dư từ quá trình tạo ra chúng thoát ra ngoài vũ trụ từ nhiều thời đại trước. Bất kỳ vùng biển dưới bề mặt nào bây giờ đều có băng cứng. Vậy làm thế nào những mặt trăng này, có quỹ đạo vượt xa nhiệt độ ấm áp của mặt trời, vẫn có đại dương cho đến ngày nay?

Bằng chứng ngày càng tăng cho thấy có thể có nhiều cách để duy trì các đại dương nước lỏng trong hàng tỷ năm. Việc giải mã những công thức đó có thể đẩy nhanh quá trình tìm kiếm của chúng ta để xác định xem sự sống xuất hiện trong vũ trụ dễ dàng hay rắc rối như thế nào. Mới phân tích dữ liệu từ tàu vũ trụ cũ, cộng với những quan sát gần đây của NASA tàu vũ trụ Juno và Kính viễn vọng Không gian James Webb, đang bổ sung thêm bằng chứng cho thấy những đại dương ấm áp này chứa chất hóa học có lợi cho sinh học và rằng hệ mặt trời bên trong không phải là nơi duy nhất sự sống có thể gọi là nhà.

Những mặt trăng đại dương này cũng mang đến một khả năng lớn hơn. Các đại dương ôn đới, có tiềm năng sống được có thể là hệ quả tất yếu của sự hình thành hành tinh. Việc một hành tinh và các mặt trăng của nó cách xa đống lửa hạt nhân của ngôi sao của chúng có thể không quan trọng. Và nếu điều đó là sự thật thì số lượng cảnh quan mà chúng ta có thể khám phá trong quá trình tìm kiếm sự sống ngoài Trái đất là gần như vô hạn.

“Các đại dương dưới những mặt trăng băng giá có vẻ kỳ lạ và khó có thể xảy ra,” nói Steven Vance, nhà sinh vật học vũ trụ và nhà địa vật lý tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA.

Tuy nhiên, một cách thách thức, những vùng biển ngoài hành tinh này vẫn ở dạng lỏng.

Một đại dương bọc gương

Các nhà khoa học nghi ngờ rằng một số mặt trăng quay quanh Sao Mộc và Sao Thổ – và thậm chí có thể một số quay quanh Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương – chứa đựng các đại dương. Ganymede nặng nề và Callisto đầy vết sẹo miệng núi lửa tạo ra các tín hiệu từ tính yếu giống như Europa. Titan bị sương mù bao phủ của Sao Thổ cũng rất có thể có một đại dương dưới bề mặt chứa nước lỏng. Đây “là năm điều mà hầu hết các nhà khoa học trong cộng đồng cảm thấy khá tự tin,” cho biết. Mike Sori, một nhà khoa học hành tinh tại Đại học Purdue.

Cho đến nay, sự chắc chắn tuyệt đối về đại dương là Enceladus. “Đó là điều không cần bàn cãi,” nói Carly Howett, một nhà khoa học hành tinh tại Đại học Oxford.

Vào những năm 1980, một số nhà khoa học nghi ngờ Enceladus có chùm tia; Vòng E của Sao Thổ sạch sẽ và sáng bóng đến mức có thứ gì đó - có lẽ từ một trong các mặt trăng của nó - hẳn phải rò rỉ vào không gian và liên tục làm mới nó. Sau khi Cassini cuối cùng đã chứng kiến ​​phép thuật trang trí hành tinh đó đang hoạt động, các nhà khoa học đã nhanh chóng đặt câu hỏi liệu các luồng cực nam của mặt trăng có thể là kết quả của việc ánh sáng mặt trời làm bay hơi băng trong vỏ mặt trăng hay không - hơi giống như băng khô sôi lên khi bị nung nóng, có lẽ là do ánh sáng mặt trời.

Nimmo nói: “Trong một thời gian, đã có tranh cãi về việc liệu có cần thiết phải có đại dương hay không. “Điều thực sự quan trọng đó là khi [Cassini] bay qua đám khói và họ tìm thấy muối – natri clorua. Đó là một đại dương.” Vẫn có khả năng những đám khói này có thể phun trào từ một vùng biển nhỏ hơn, biệt lập hơn. Nhưng những quan sát sâu hơn của Cassini cho thấy lớp vỏ của Enceladus đang rung chuyển mạnh đến mức nó phải bị ngăn cách với phần bên trong sâu hơn của mặt trăng bởi một đại dương toàn cầu.

Các luồng khí này cũng thải ra hydro và thạch anh, dấu hiệu của hoạt động phun thủy nhiệt dưới biển sâu, cho biết. Frank Postberg, một nhà khoa học hành tinh tại Đại học Tự do Berlin. Trên Trái đất, những lỗ thông hơi như vậy tạo ra nhiệt và hóa chất cần thiết để cung cấp năng lượng cho các hệ sinh thái tồn tại ngoài tầm với của ánh sáng mặt trời - cộng đồng sinh vật mà các nhà khoa học từng cho rằng không thể tồn tại trong thế giới phụ thuộc vào quang hợp của chúng ta.

Nhưng điều gì có thể cung cấp năng lượng cho hệ thống thông hơi đủ mạnh để sưởi ấm toàn bộ đại dương? Một mặt trăng khác - đây là một trong những mặt trăng rực lửa - sẽ cung cấp những manh mối đó.

Thủy triều vĩnh cửu, địa ngục

Vào tháng 1979 năm 2, một tháng trước khi tàu Du hành XNUMX bay ngang qua Europa, các nhà khoa học công bố rằng Du hành 1 đã nhìn thấy những đám khói khổng lồ hình chiếc ô cuồn cuộn vào không gian phía trên Io – dấu vết phun trào của một số núi lửa.

Quan sát này đáng lẽ phải gây khó hiểu: Hoạt động núi lửa đòi hỏi một nguồn nhiệt bên trong, và Io, giống như các mặt trăng băng giá khác, lẽ ra chẳng có gì hơn ngoài than hồng. Nhưng vài tháng trước đó, một nhóm các nhà khoa học độc lập đã xác định chính xác dự đoán rằng Io có thể là một thế giới núi lửa hoạt động quá mức.

Họ đã dự đoán dựa trên vũ điệu quỹ đạo trong số các mặt trăng lớn nhất của Sao Mộc. Cứ bốn quỹ đạo mà Io hoàn thành thì Europa thực hiện hai quỹ đạo và Ganymede thực hiện một. Cấu hình quỹ đạo này, được gọi là sự cộng hưởng, khiến Io lắc lư tới lui, khiến quỹ đạo của nó có hình elip. Khi Io đến gần Sao Mộc hơn, lực hấp dẫn của hành tinh này tác động lên nó mạnh hơn. Khi ở xa hơn, lực kéo của Sao Mộc yếu hơn. Cuộc giằng co hấp dẫn không ngừng nghỉ đó làm cho bề mặt đá của Io di chuyển lên và xuống 100m, cao bằng tòa nhà 30 tầng. Đây là thủy triều, giống như thủy triều trên Trái đất - chỉ trong đá rắn chứ không phải nước.

Những thủy triều đó tạo ra ma sát bên trong mặt trăng tạo ra nhiệt. Và sức nóng thủy triều đó đủ mạnh để làm tan chảy lớp đá sâu bên trong Io. “Io không có đại dương nước, nhưng nó có thể có đại dương magma,” Nimmo nói. (Galileo cũng bắt được một từ trường thứ cấp ở đó, được tạo ra bởi một bể chứa đá nóng chảy dưới lòng đất toàn cầu.)

Europa cũng trải qua một số hiện tượng thủy triều nóng lên. Nhưng những thủy triều đó làm ấm đại dương đến mức nào tùy thuộc vào vị trí chúng xuất hiện trên mặt trăng; nói cách khác, lượng nhiệt đó cần phải truyền tới đại dương để giữ cho nó ở dạng lỏng. Nimmo nói: “Sự nóng lên của thủy triều có thể xảy ra trong chính lớp vỏ băng hoặc nó có thể xảy ra ở lõi đá bên dưới”. Các nhà khoa học không biết điều nào đúng - vì vậy họ không thể nói chắc chắn lượng nhiệt thủy triều đóng góp vào phần bên trong chất lỏng của Europa là bao nhiêu.

Enceladus cũng bị kéo căng và bị nén bởi tango hấp dẫn của nó với một mặt trăng lân cận tên là Dione. Về lý thuyết, điều này có thể tạo ra thủy triều làm ấm bên trong mặt trăng. Nhưng thủy triều được tạo ra bởi sự cộng hưởng của nó với Dione, ít nhất là trên giấy tờ, dường như không đủ để giải thích đại dương của nó. Sori cho biết, những con số vẫn chưa chính xác và lượng nhiệt sinh ra không đủ để duy trì một đại dương toàn cầu trong hàng tỷ năm kể từ khi hệ mặt trời ra đời. Có lẽ, giống như Europa, các nhà khoa học không hoàn toàn biết thủy triều đang tạo ra nhiệt ở đâu trên Enceladus.

Một yếu tố gây nhiễu khác là quỹ đạo không cố định theo thời gian thiên văn. Khi các hệ hành tinh phát triển, các mặt trăng di chuyển và “sự nóng lên của thủy triều có thể bật và tắt khi mọi thứ trôi vào và ra khỏi các cộng hưởng khác nhau”, cho biết. David Rothery, một nhà khoa học hành tinh tại Đại học Mở ở Vương quốc Anh. Các nhà khoa học nghi ngờ điều này xảy ra với Miranda và Ariel, hai vệ tinh của Sao Thiên Vương có thể từng là bạn nhảy; những mặt trăng này trông như thể chúng từng hoạt động về mặt địa chất nhưng bây giờ được cho là đông lạnh vào cốt lõi của họ.

Tương tự như vậy, Enceladus có thể không phải lúc nào cũng có Dione làm bạn nhảy: Có lẽ tiếng boogie quay quanh Sao Thổ của họ đã bắt đầu gần đây hơn và sưởi ấm một mặt trăng rắn trước đó. Nhưng kịch bản đó cũng khó giải thích. Sori nói: “Việc giữ và duy trì một đại dương xung quanh sẽ dễ dàng hơn là đóng băng và làm tan chảy nó”. Do đó, nếu sự nóng lên của thủy triều là nguyên nhân duy nhất gây ra đại dương của Enceladus, thì mặt trăng là một vũ công kỳ cựu đã hoạt động trong vài tỷ năm.

Hiện tại, điều chắc chắn duy nhất về đại dương của mặt trăng này là nó tồn tại. Làm thế nào nó ra đời và làm thế nào nó vẫn còn tồn tại cho đến ngày nay “là một trong những câu hỏi thực sự lớn chưa được giải đáp,” Sori nói. “Enceladus rất khó tìm ra.”

Kẻ phản bội phóng xạ 

May mắn thay, nội thất có ánh trăng ấm áp không chỉ phụ thuộc vào thủy triều.

Một nửa nhiệt lượng bên trong Trái đất đến từ sự ra đời của nó. Phần còn lại đến từ các nguyên tố phóng xạ đang phân hủy. Tương tự, độ sâu giàu đá của các mặt trăng băng giá sẽ chứa một lượng urani, thori và kali kha khá – những kho chứa phóng xạ có thể nấu chín môi trường xung quanh chúng trong hàng trăm triệu, nếu không phải là hàng tỷ năm trước khi chúng phân hủy thành các nguyên tố ổn định và ngừng tỏa nhiệt. .

Các mặt trăng lớn hơn sẽ bắt đầu với nhiều kho chứa chất phóng xạ dồi dào hơn. Và có lẽ đó là tất cả những gì đại dương của họ yêu cầu. Vance cho biết: “Đối với các mặt trăng lớn hơn như Ganymede, Callisto và Titan, chúng là điều không thể tránh khỏi do yếu tố phóng xạ này”. Một số nhà khoa học thậm chí còn cho rằng Sao Diêm Vương có một đại dương dưới bề mặt. Giống như ba mặt trăng, hành tinh lùn này có khả năng được cách nhiệt bởi một lớp vỏ đủ dày để làm chậm quá trình rò rỉ lò phóng xạ của nó vào không gian.

Tuy nhiên, những trái tim tương đối nhỏ trên các mặt trăng Lilliputian như Enceladus không chứa đủ chất phóng xạ để giữ cho chúng hoạt động tốt trong hàng tỷ năm. Một giải pháp không thỏa đáng cho câu hỏi hóc búa này là có lẽ Enceladus đã gặp may: Phóng xạ có thể giải thích một phần ban đầu của quá khứ đại dương của nó, và cuộc khiêu vũ của nó với Dione trong một tập gần đây hơn. Có lẽ “bây giờ chúng ta đang ở điểm giao thoa, nơi [sức nóng] phóng xạ xuống thấp đến mức sức nóng thủy triều chiếm ưu thế,” Postberg nói.

Nếu vậy, có lẽ Enceladus là một mô hình thu nhỏ của vũ trụ: sự kết hợp tình cờ giữa sức nóng thủy triều và phóng xạ. Điều đó có nghĩa là các mặt trăng đại dương có thể tồn tại ở khắp mọi nơi - hoặc ngược lại, hầu như không ở đâu cả.

Đại dương trẻ trung

Ngoài ra, và gây tranh cãi, một số nhà khoa học cho rằng Enceladus có thể còn rất trẻ.

Ẩn trong hàng đống dữ liệu do tàu vũ trụ Cassini thu thập là những gợi ý rằng Sao Thổ không được sinh ra với những chiếc nhẫn mang tính biểu tượng của nó. Thay vào đó, nhiều nhà khoa học hiện nay bị thuyết phục rằng những chiếc nhẫn hình thành chỉ cách đây vài trăm triệu năm. Nghiên cứu mới sử dụng siêu máy tính để mô phỏng bạo lực giữa mặt trăng và mặt trăng cho thấy các vành đai của Sao Thổ hình thành khi hai mặt trăng cổ đại va chạm vào khoảng thời gian mà stegosaurs đi lang thang trên Trái đất. Vụ va chạm này làm rải rác quỹ đạo của Sao Thổ với vô số mảnh băng giá; trong khi nhiều chiếc tạo thành các vành đai, những chiếc khác lại phá hủy các mặt trăng hiện có và đã tạo những cái mới. Và nếu các vành đai còn trẻ thì Enceladus và một số mặt trăng khác cũng có thể trẻ.

“Có vẻ như mọi người đang trở nên cởi mở hơn khi cho rằng các mặt trăng còn trẻ,” nói. Jacob Kegerreis, nhà khoa học nghiên cứu tại Trung tâm nghiên cứu Ames của NASA ở Mountain View, California và là đồng tác giả của nghiên cứu hình thành vành đai gần đây.

Trong một khuynh hướng ủng hộ ý tưởng này, hóa ra các nhà khoa học không biết một số mặt trăng của Sao Thổ bao nhiêu tuổi. “Enceladus có thể chỉ vài trăm triệu hoặc hàng chục triệu năm tuổi”, Rothery nói. Nếu vậy thì sức nóng từ sự ra đời điên cuồng của nó có thể vẫn đang giữ cho đại dương non trẻ của nó ở dạng lỏng.

Nhưng câu chuyện về các mặt trăng trẻ còn lâu mới chắc chắn - số lượng lớn các miệng hố mà nhiều người trưng bày cho thấy rằng các mặt trăng đã tồn tại để trải qua tình trạng hỗn loạn giống như quả bóng pinball của hệ mặt trời trong nhiều thiên niên kỷ. Nimmo nói: “Tôi thực sự nghĩ rằng, trong hệ thống Sao Thổ, có điều gì đó kỳ lạ đã xảy ra cách đây vài trăm triệu năm. “Nhưng tôi đoán là tất cả các vệ tinh đều đã 4.5 tỷ năm tuổi.”

Thầy bói vệ tinh

Với việc các sứ mệnh Galileo và Cassini đã ngừng hoạt động từ lâu, các nhà khoa học hiện đang đặt hy vọng vào hai tàu vũ trụ: Tàu thám hiểm Mặt trăng băng giá Sao Mộc của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu, mới được phóng gần đây và Europa Clipper của NASA, chưa được phóng lên. Cả hai sẽ đến Sao Mộc vào đầu thập kỷ tới.

Và điều đó đưa chúng ta trở lại Europa, mặt trăng lần đầu tiên buộc phải hình dung lại bối cảnh vũ trụ nơi các vùng biển trên Trái đất tồn tại.

Một trong những mục tiêu của tàu vũ trụ Clipper – dự kiến ​​bay vào tháng 2024 năm XNUMX – là (theo lời của danh sách mục tiêu của nhiệm vụ) để “xác nhận” rằng đại dương của Europa có tồn tại. Nimmo nói: “Có rất nhiều tranh cãi về từ đó. Clipper có thể tìm thấy thứ gì đó khác ngoài đại dương; thay vào đó có thể có một vùng biển đóng băng chứa đầy những túi nước tan chảy. Hoặc “nó có thể là một lớp vàng mỏng,” Nimmo nói đùa. “Tôi nghĩ chắc chắn 99% là có đại dương ở đó.”

Giả sử Clipper xác nhận sự tồn tại của đại dương Europa, nó sẽ bắt tay vào việc mô tả đặc điểm của mặt trăng và vùng biển dưới bề mặt của nó. Để làm được điều đó, tàu vũ trụ sẽ bắt đầu bằng việc tìm ra những phân tử nào có trên bề mặt mặt trăng – và, nếu các nhà khoa học may mắn, ở đại dương bên dưới. Khi bay ngang qua mặt trăng, Clipper sẽ nuốt chửng bất kỳ bụi, băng hoặc hơi nước cực nhỏ nào bay ra khỏi bề mặt mặt trăng. Những hạt đó sẽ được nghiên cứu bởi nó máy phân tích bụi bề mặt Dụng cụ: Khi các hạt chạm vào tấm kim loại của nó, chúng bị bay hơi và tích điện, cho phép dụng cụ tiết lộ danh tính hóa học của hạt.

Người ta hy vọng rằng các luồng khí đang nhẹ nhàng đưa đại dương Europa vào không gian, điều này sẽ khiến nhiệm vụ của Clipper trở nên dễ dàng hơn đáng kể. Những vòi như vậy có thể tồn tại, nhưng chúng sẽ không giống như của Enceladus; chúng có thể không liên tục và rời rạc về mặt địa lý. Hoặc chúng có thể hoàn toàn không hiện diện - trong trường hợp đó, người ta hy vọng rằng các tác động của thiên thạch vi mô có thể làm sứt mẻ lớp vỏ băng giá, giải phóng các khối nước của đại dương và phun nó về phía Clipper.

Và có thể hóa ra là để giữ ấm, Europa và các mặt trăng khác dựa vào các thủ thuật hóa học không xa lạ như chúng ta mong đợi. Vào mùa đông, “chúng tôi rải muối trên đường để giảm nhiệt độ tan chảy”, Sori nói. Có lẽ đại dương của Europa đặc biệt mặn, điều này sẽ làm giảm nhiệt độ đóng băng. Tuy nhiên, các hợp chất khác sẽ là chất chống đông hiệu quả hơn - “đặc biệt là amoniac,” Sori nói, chất này có nhiều hơn ở xa ánh sáng chói bốc hơi của mặt trời.

Thủy triều, phóng xạ, hóa học và tuổi trẻ: Những thành phần này, khi được trộn đúng cách, có thể tạo ra - và duy trì - các đại dương trên những mặt trăng băng giá này. “Với tất cả những điều này, tôi không nghĩ đó là/hoặc,” Howett nói. Công thức cụ thể cho mỗi vệ tinh có thể khác nhau. Có thể có hàng trăm cách để tạo ra một mặt trăng băng giá chứa đầy đại dương.

Kivelson nói: Việc phát hiện ra đại dương bí mật của Europa “thực sự đã thay đổi cách mọi người nghĩ về các mặt trăng”. Và nó đưa khoa học vào con đường xác định liệu các dạng sống ngoài hành tinh có thể sinh sống ở những vùng biển ngoài hành tinh này hay không, và có lẽ mang lại một khám phá sẽ thay đổi mãi mãi quan niệm của chúng ta về vị trí của chúng ta trong vũ trụ.

Quanta đang tiến hành một loạt cuộc khảo sát để phục vụ khán giả của chúng tôi tốt hơn. Lấy của chúng tôi khảo sát độc giả vật lý và bạn sẽ được tham gia để giành chiến thắng miễn phí Quanta hàng hóa.