Супутник Сатурна Енцелад покритий льодом, але під його замерзлою оболонкою лежить увесь світовий океан. Біля південного полюса Місяця тріщини в земній корі викидають у космос водяну пару та частинки льоду. Ці частинки пропонують вченим незвичайний спосіб вивчати інопланетні океани без буріння кілометрів льоду.

Міжнародна група, включно з дослідниками з Інституту науки про Землю та життя (ELSI) Токійського університету науки, досліджувала, що відбувається, коли морська вода рухається з-під поверхні Землі та зрештою стає крихітними крижинками, виявленими в космосі.

Кассіні відкриває дивовижну різноманітність крижаних зерен

З 2004 по 2017 рік аналізатор космічного пилу на борту космічного корабля NASA Cassini вимірював склад окремих частинок льоду в кільці E Сатурна. Це кільце постійно живиться матеріалом, викинутим з Енцелада.

Команда під керівництвом професора Франка Постберга з Вільного університету Берліна дослідила 961 мас-спектр частинок, багатих сіллю, відомих як частинки типу 3. Якби зерна були просто невеликими зразками однієї морської води, вчені могли б очікувати, що вони міститимуть приблизно однакову суміш солей.

Натомість зерна різко змінилися.

Деякі з них особливо багаті хлоридом натрію, а інші містять більше карбонатів, фосфатів або хлориду калію. Одна особливо вражаюча закономірність полягала в тому, що хлорид і карбонат рідко з’являлися разом в тому самому багатому натрієм зерні.

Це стало основною головоломкою. Якщо всі ці зерна походять з одного океану, чому їхній хімічний склад такий різний?

Морські краплі Енцелада відтворені в лабораторії

Щоб дослідити це питання, професор ELSI Ясуто Секіне та його колеги створили лабораторні краплі, що містять основну сіль, яка, як вважають, присутня в океані Енцелада.

Дослідники заморожували краплі різного розміру в різних умовах охолодження та вивчали, як розподіляються хімічні елементи після затвердіння крапель.

Результати показали, що швидкість заморожування відіграє важливу роль.

У краплі діаметром приблизно 200 мікрометрів сіль розділялася на різні ділянки, коли замерзання відбувалося відносно повільно, приблизно нижче 10 К за хвилину. Коли крапля замерзає швидше, її хімічні компоненти залишаються більш рівномірними.

«Що нас здивувало, так це те, що різноманітність, яку ми побачили з Cassini, могла з’явитися з крапель, які походять, по суті, з тієї самої морської води», — сказав Секін. «Наші експерименти показують, що коли відносно великі краплі океанської води повільно замерзають, у них можуть відокремлюватися різні солі. Коли ці замерзлі краплі води пізніше розпадаються, вони можуть утворювати набагато менші крижані зерна, кожна з яких має дуже різний хімічний склад».

Повільна подорож льодами Енцелада

Відкриття також може розкрити щось про те, що відбувається всередині крижаної кірки Місяця.

У ранніх дослідженнях зазвичай припускали, що краплі морської води з Енцелада швидко замерзають і швидко подорожують у космос, як тільки вони залишають океан. Новий експеримент демонструє інший сценарій.

Спочатку краплі можуть рухатися набагато повільніше через підземні вентиляційні системи, дотримуючись складних шляхів через тріщини в льоду, перш ніж наблизитися до поверхні.

Дослідники припускають, що океанічні краплі спочатку утворюють краплі розміром від десятків до сотень мікрометрів. Коли ці краплі повільно просуваються крізь глибші частини носика, вони поступово замерзають, даючи солі достатньо часу, щоб розділитися на різні ділянки.

Усе змінюється, коли ви наближаєтеся до поверхні. Газ починає рухатися швидше, і замерзлі краплі можуть на великій швидкості вдарятися об стінки вузького крижаного каналу. Ці зіткнення можуть розбити краплю на менші частини.

Кожен фрагмент може походити з іншої багатої сіллю області всередині оригінальної замороженої краплі, створюючи частинки з дуже різним хімічним складом. Ці частини можуть вилетіти в космос і стати частиною кільця E Сатурна.

«Дані Cassini показали, що ці багаті сіллю зерна набагато різноманітніші за хімічним складом, ніж передбачає середній склад океану», — сказав Постберг. «Поєднання цих спостережень із експериментами із заморожуванням дає фізичне пояснення. Можливо, «Кассіні» відібрав фрагменти більших замерзлих крапель океану. Кожна частинка зберігає різні компоненти, які були розділені на шляху до поверхні. Велика кількість окремих компонентів в океані відображається в кількості фрагментів, у яких знайдено певний компонент».

Енцелад природним чином може концентрувати ключові сполуки

Це відкриття може бути особливо важливим для майбутніх місій на Енцелад.

Коли краплі замерзають і розпадаються, окремі сполуки можуть концентруватися в окремих частинках. Цей процес не просто відокремлює різні солі. Попередні дослідження також показали, що органічні речовини можуть бути відокремлені одна від одної та з’являтися у високих концентраціях у певних частинках.

Це може значно полегшити майбутній аналіз.

Сполуки, які сильно розведені та змішані з багатьма іншими речовинами в океані Енцелада, можуть бути набагато легшими для виявлення, якщо вони зосереджені в окремих крижинках.

На Землі лабораторії часто докладають великих зусиль, щоб розділити та сконцентрувати хімікати перед аналізом зразків. Схоже, що Енцелад виконує обидва ці етапи «підготовки зразків» природним шляхом. Хімічні компоненти відокремлюються, а деякі з них конденсуються в деякі частинки льоду.

Можливий вплив на хімію пребіотиків

Повільне заморожування може мати ще один важливий наслідок.

Коли кристали льоду ростуть, невеликі кишені рідкого розсолу можуть залишатися між кристалами льоду. Солі та органічні сполуки можуть стати висококонцентрованими в цих кишенях.

Ця концентрація може бути важливою для пребіотичної хімії, включаючи хімічні процеси, які можуть передувати виникненню життя. Однією з великих проблем у такій хімії є приведення зазвичай дуже розбавлених молекул у тісний контакт одна з одною.

Значна частина матеріалу, викинутого з Енцелада, повертається на Місяць, тому цей процес заморожування, концентрації та переробки можна повторювати знову і знову.

Тому розуміння того, як Енцелад утворює частинки льоду, пояснює більше, ніж незвичайні вимірювання Кассіні. Це може дати нові підказки про навколишнє середовище, приховане під поверхнею Місяця, і допомогти майбутнім космічним кораблям правильно інтерпретувати частинки, які вони збирають під час пошуку доказів придатності для життя та можливих ознак життя.