Скрытый океан спутника Юпитера Европы исследовать будет сложнее, чем считалось

Фото из открытых источников

Под замерзшей корой спутника Юпитера Европы находится глобальный океан, в котором, возможно, существует жизнь. Ученые давно надеялись найти способ быстро взять у него образцы. Новые модели подвергли эту надежду серьезной проверке с точки зрения физики. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Astronomy.

Этот вопрос важнее, чем может показаться на первый взгляд, потому что ответ на него определит, как человечество будет искать внеземную жизнь в одном из самых перспективных мест Солнечной системы.

Европа — странный мир. Она немного меньше нашей Луны, но, возможно, содержит больше жидкой воды, чем все океаны Земли вместе взятые. Вода остается жидкой, потому что огромная гравитация Юпитера постоянно сжимает и растягивает спутник, генерируя тепло глубоко внутри, которое задерживается под ледяной оболочкой.

Жидкая вода, химические вещества и энергия. Вот три компонента, которые ищут ученые, когда ищут пригодные для жизни среды за пределами Земли, и, возможно, все они присутствуют на Европе подо льдом. Есть только одна проблема. Океан находится глубоко под поверхностью, вне досягаемости любых космических аппаратов, которые мы можем построить сегодня.

На протяжении многих лет исследователи возлагали надежды на поиск обходного пути. Оболочка Европы изрыта трещинами, и некоторые модели предполагают, что океаническая вода может пробиваться сквозь эти трещины — называемые дайками — и скапливаться в неглубоких резервуарах гораздо ближе к поверхности.

Этот процесс напоминает то, как расплавленная порода поднимается через трещины на Земле перед извержением, поэтому ученые называют его криовулканизмом. Наличие неглубокого участка настоящей океанской воды было бы настоящим подарком. В будущих экспедициях можно было бы взять пробы или просканировать его радаром и эффективно изучить химический состав глубоководных слоев океана, не буря до них.

Лужендра Оджха из Ратгерского университета решил проверить, действительно ли работает водопровод. Он объединился с Анкитом Бариком из Университета Джонса Хопкинса и Джейкобом Буффо из Дартмутского колледжа для проведения высокоточных симуляций подъема воды сквозь европейский лед.

«Загадка, которую мы хотели разгадать, заключалась в том, действительно ли это путешествие возможно, — сказал Оджа. — Может ли жидкая вода подняться из глубоководного океана Европы к поверхности, не замерзнув по пути?»

Результаты оказались неблагоприятными для такого упрощенного подхода. Команда протестировала самый оптимистичный сценарий, который им удалось создать. Он полностью игнорировал один из основных источников теплопотерь. Даже в этом случае воды, замерзшей в трещинах, было недостаточно, чтобы образовались те поверхностные особенности, которые ученые связывают с подъемом уровня океана.

И это было еще до того, как исследователи добавили тот ингредиент, который в более ранних моделях, как правило, игнорировался. В предыдущих исследованиях часто рассматривалось восходящее течение воды как плавное и упорядоченное, заимствуя интуицию из процесса подъема лавы на Земле. Оджха подозревал, что за этим сравнением скрывается недостаток.

«Лед и жидкая вода принципиально отличаются от лавы и вулканов, которые мы видим здесь, на Земле», — сказал он. «Я думаю, здесь упущены некоторые фундаментальные физические явления, поэтому я хотел это исследовать».

В физике отсутствует турбулентность. Вода гораздо текучее, чем лава, поэтому она быстро и хаотично поднимается вверх, бурля у ледяных стенок трещины, вместо того чтобы скользить мимо них.

«Вода, которая поднимется, будет бурной, — сказал Оджа. — Она будет качаться влево и вправо, вверх и вниз, будет иметь вихревое движение». «В этом случае жидкая вода будет очень и очень быстро остывать по мере приближения к поверхности».

Вот тут-то и начинается самое интересное. Все эти перемешивающие ленты так быстро нагревают воду, что она переохлаждается, опускаясь ниже нормальной точки замерзания, оставаясь при этом в жидком состоянии. Переохлажденная вода — нестабильное вещество. В потоке начинают образовываться мельчайшие кристаллы, известные как ледяная крошка — те самые игольчатые образования, которые забивают водозаборы в холодных реках на Земле.

Как только появляется ледяная крошка, трещина начинает работать против самой себя. Кристаллы накапливаются, проход сужается, и поток прекращается. В ходе моделирования узкие трещины полностью замерзали в течение нескольких часов. Трещина шириной около 10 сантиметров, через которую вода с огромной скоростью стремительно прорвалась, закрылась менее чем за четверть суток.

В идеализированных условиях более крупные трещины показали лучшие результаты, но турбулентность также снизила эффективность и в этих сценариях. Чтобы получить достаточное количество океанской воды для объяснения особенностей поверхности Европы, команда обнаружила, что трещины должны быть нереально длинными или абсурдно многочисленными.

«Там ледяная оболочка, под ней вода, и ходят разные предположения о том, как эта вода может подниматься из глубоких подземных слоев и достигать поверхности, не замерзая по пути», — сказал Оджа. «Именно это, как нам кажется, мы опровергли».

Время получения этого результата выбрано не случайно. Космический аппарат NASA Europa Clipper, запущенный в октябре 2024 года, прибудет к Юпитеру в апреле 2030 года и совершит 49 близких пролётов над спутником. Миссия JUICE Европейского космического агентства начнётся в июле 2031 года. Радар «Клиппера» наконец-то сможет показать, существуют ли вообще неглубокие водохранилища.

В новой работе переосмысливается значение подобного открытия. Если аппарат Clipper обнаружит жидкую воду, скрывающуюся у поверхности, это может быть вовсе не океанская вода. Скорее всего, оно образовалось на месте, выплавившись из самой раковины под воздействием локального нагрева. Анализ этого вещества позволил бы ученым узнать больше о льде, а не о глубинах океана, где жизнь, скорее всего, может скрываться.

Стоит помнить, что эти результаты получены на основе моделирования, сфокусированного на одном механизме переноса, а не прямых наблюдений. Европа еще может преподнести сюрпризы.

«Наша работа предполагает, что ледяная оболочка Европы может представлять собой более прочный барьер между океаном и поверхностью, чем считалось ранее», — сказал Оджа. «Это помогает будущим миссиям интерпретировать полученные данные и лучше понимать, где искать признаки обитаемости».