Kiedy Cassini misja dotarła do układu Saturna w 2004 roku, odkryła coś raczej nieoczekiwanego na południowej półkuli Enceladusa. Z setek szczelin zlokalizowanych w regionie polarnym okresowo wypluwały się smugi wody i cząsteczki organiczne. To była pierwsza wskazówka, że księżyc Saturna może mieć wewnętrzny ocean spowodowany aktywnością hydrotermalną w pobliżu granicy płaszcza-jądra.
Według nowego badania opartego na Cassini dane, które uzyskał przed zanurzeniem się w atmosferze Saturna 15 września, ta aktywność mogła trwać od jakiegoś czasu. W rzeczywistości zespół badawczy stwierdził, że jeśli jądro księżyca jest wystarczająco porowate, mogłoby wygenerować wystarczającą ilość ciepła, aby utrzymać wewnętrzny ocean przez miliardy lat. To badanie jest jak dotąd najbardziej zachęcającym wskazaniem, że wnętrze Enceladusa może podtrzymywać życie.
Badanie zatytułowane „Wzmacnianie przedłużonej aktywności hydrotermalnej w Enceladusie” pojawiło się niedawno w czasopiśmie Astronomia przyrody. Badanie było prowadzone przez Gaëla Chobleta, naukowca z Planetary and Geodynamic Laboratory na University of Nantes, i obejmowało członków z NASA Jet Propulsion Laboratory, Charles University oraz Institute of Earth Sciences oraz Geo and Cosmochemistry Laboratory na uniwersytecie z Heidelbergu.
Przed Cassini wielu muchowców Enceladusa, naukowcy wierzyli, że powierzchnia księżyca składa się z litego lodu. Dopiero po zauważeniu aktywności pióropuszu zdali sobie sprawę, że w jego wnętrzu rozciągały się strumienie wody aż do oceanu ciepłej wody. Z danych uzyskanych przez Cassini, naukowcy byli nawet w stanie odgadnąć, gdzie leży ten wewnętrzny ocean.
Podsumowując, Enceladus jest stosunkowo małym księżycem o średnicy około 500 km (311 mil). Na podstawie pomiarów grawitacji wykonanych przez Cassini, uważa się, że jego wewnętrzny ocean leży pod lodową powierzchnią na głębokościach od 20 do 25 km (12,4 do 15,5 mil). Jednak ten lód powierzchniowy rozrzedza się do około 1 do 5 km (0,6 do 3,1 mi) nad południowym regionem polarnym, gdzie strumienie wody i lodowych cząstek przepływają przez szczeliny.
Na podstawie sposobu, w jaki Enceladus krąży wokół Saturna z pewnym wahaniem (znanym również jako wibracja), naukowcy byli w stanie oszacować głębokość oceanu, którą umieszczają na 26 do 31 km (16 do 19 mil). Wszystko to otacza rdzeń, który, jak się uważa, składa się z minerałów krzemianowych i metalu, ale który jest również porowaty. Pomimo wszystkich tych odkryć źródło ciepła wewnętrznego pozostało kwestią otwartą.
Mechanizm ten musiałby być aktywny, gdy księżyc uformował się miliardy lat temu i jest nadal aktywny dzisiaj (o czym świadczy obecna aktywność pióropuszy). Jak wyjaśnił dr Choblet w oświadczeniu prasowym ESA:
„To, gdzie Enceladus zyskuje trwałą moc, aby pozostać aktywnym, zawsze było trochę tajemnicą, ale teraz zastanawialiśmy się bardziej szczegółowo, w jaki sposób struktura i skład skalistego jądra księżyca mogą odgrywać kluczową rolę w wytwarzaniu niezbędnej energii”.
Przez lata naukowcy spekulowali, że siły pływowe wywołane wpływem grawitacji Saturna są odpowiedzialne za wewnętrzne ogrzewanie Enceladusa. Uważa się również, że sposób, w jaki Saturn popycha i ciągnie Księżyc podczas eliptycznej ścieżki wokół planety, powoduje deformację lodowej skorupy Enceladusa, powodując pęknięcia wokół południowego regionu polarnego. Uważa się, że te same mechanizmy są odpowiedzialne za wewnętrzny ocean ciepłej wody w Europie.
Jednak energia wytwarzana przez tarcie pływowe w lodzie jest zbyt słaba, aby zrównoważyć straty ciepła widoczne z oceanu. W tempie, w jakim ocean Enceladusa traci energię w kosmos, cały księżyc zamarznie w ciągu 30 milionów lat. Podobnie, naturalny rozpad pierwiastków promieniotwórczych w rdzeniu (co sugerowano również w przypadku innych księżyców) jest również około 100 razy zbyt słaby, aby wyjaśnić aktywność Enceladusa we wnętrzu i pióropuszach.
Aby rozwiązać ten problem, dr Choblet i jego zespół przeprowadzili symulacje rdzenia Enceladusa, aby ustalić, jakie warunki mogą pozwolić na podgrzewanie pływowe przez miliardy lat. Jak stwierdzają w swoim badaniu:
„Wobec braku bezpośrednich ograniczeń właściwości mechanicznych rdzenia Enceladusa, rozważamy szeroki zakres parametrów, aby scharakteryzować szybkość tarcia pływowego i wydajność transportu wody przez porowaty przepływ. Nieskonsolidowany rdzeń Enceladusa można postrzegać jako bardzo ziarnisty / rozdrobniony materiał, w którym odkształcenie pływowe może być związane z tarciem międzykrystalicznym podczas przegrupowań fragmentów. ”
Okazało się, że w celu Cassini obserwacji, które należy potwierdzić, rdzeń Enceladusa musiałby być wykonany z nieskonsolidowanej, łatwo odkształcalnej, porowatej skały. Rdzeń ten można łatwo przeniknąć przez płynną wodę, która przedostałaby się do rdzenia i stopniowo ogrzewana przez tarcie pływowe między ślizgającymi się fragmentami skał. Gdy woda ta zostanie wystarczająco podgrzana, wzrośnie do góry z powodu różnic temperatur z otoczeniem.
Proces ten ostatecznie przenosi ciepło do oceanu wewnętrznego w wąskich pióropuszach, które wznoszą się do lodowatej skorupy Enceladusa. Kiedy tam się znajduje, powoduje topnienie lodu na powierzchni i tworzenie szczelin, przez które dżety docierają do przestrzeni, wyrzucając wodę, cząstki lodu i uwodnione minerały, które uzupełniają E-Pierścień Saturna. Wszystko to jest zgodne z obserwacjami poczynionymi przez Cassini, i jest zrównoważony z geofizycznego punktu widzenia.
Innymi słowy, badanie to jest w stanie wykazać, że działanie w rdzeniu Enceladusa może wytworzyć niezbędne ciepło do utrzymania globalnego oceanu i produkcji pióropuszy. Ponieważ działanie to wynika ze struktury rdzenia i interakcji pływowych z Saturnem, jest całkowicie logiczne, że odbywa się to od miliardów lat. Tak więc poza dostarczeniem pierwszego spójnego wyjaśnienia działalności pióropuszu Enceladusa, badanie to jest również silnym wskaźnikiem zdolności do zamieszkania.
Naukowcy zrozumieli, że życie zajmuje dużo czasu. Szacuje się, że na Ziemi pierwsze mikroorganizmy powstały po 500 milionach lat i uważa się, że otwory hydrotermalne odegrały kluczową rolę w tym procesie. Ewolucja pierwszego życia wielokomórkowego zajęła kolejne 2,5 miliarda lat, a rośliny lądowe i zwierzęta istniały już od około 500 milionów lat.
Wiedza, że księżyce takie jak Enceladus - która ma niezbędną chemię do życia - ma także niezbędną energię przez miliardy lat, jest więc bardzo zachęcająca. Można sobie tylko wyobrazić, co znajdziemy, gdy przyszłe misje zaczną dokładniej sprawdzać swoje pióropusze!
