Новые ответы на вопросы, касающиеся лун Сатурна, могут пролить свет на то, сможет ли одна из них, Энцелад, поддерживать жизнь. Например, ученые теперь знают, почему Энцелад таит в себе скрытый океан, а многие его братья и сестры его не имеют.
У Сатурна есть не только необычные кольца, но и более 60 лун. Размеры этих естественных спутников варьируются от крошечных по космическим меркам камней диаметром менее 300 метров до огромного Титана, диаметр которого больше, чем у планеты Меркурий. Многие из этих лун находятся на орбите далеко от колец планеты, когда как другие находятся прямо внутри колец.
Хватает загадок и в происхождении и эволюции более крупных внутренних лун Сатурна: Мимаса, Энцелада, Тетиса, Дионы и Реи (перечислены в порядке возрастания диаметра, массы и расстояния от планеты). Ученые ожидали, что плотность и структура этих лун будут зависеть от их массы или расстояния от Сатурна, но зонд Кассини, анализировавший их, внезапно выяснили, что это не так.
Предыдущие исследования показали, что эти луны «слепились» из колец камней, вращающихся вокруг Сатурна. Согласно этой идее, гравитационное притяжение от планеты вызывает на этих спутниках мощнейшие приливы, которые вызывают разделение пород: более тяжелые и каменистые опускаются к ядру, а легкие, в основном лед, «всплывают» на поверхность. Такие приливные эффекты оказывались бы сильнее на спутниках, которые ближе всего к Сатурну, и ослабевали бы с удалением от него.
Но Мимас не проявляет геологической активности, хотя он является самой близкой к Сатурну внутренней луной из этих пяти, то есть он подвергается сильнейшим приливам от Сатурна. В отличие от этого, Энцелад находится дальше от Сатурна и испытывает в 30 раз более слабые приливы, чем Мимас. Тем не менее, приливные силы каким-то образом растапливают лед во внутренней части этой луны, приводя к созданию гигантского подземного океана и «криовулканам», извергающим воду.
Кроме того, Рея — самая большая внутренняя луна и, следовательно, та, которая с наибольшей вероятностью будет дольше сохранять тепло, которое помогло бы растопить лед и разделить ее внутреннее пространство на слои — но предшествующая работа предполагала, что эта луна может не иметь четко выраженного разделения на камни и лед. Напротив, Мимас, Энцелад и Диона, которые меньше Реи, имеют скалистые ядра и ледяные оболочки.
Более глубокое понимание происхождения геологической активности этих лун могло бы помочь ответить на такие вопросы, как, например, может ли скрытый океан Энцелада поддерживать жизнь. «По сути, меня волнует поиск жизни за пределами Земли», — сказал ведущий автор исследования Марк Неве, ученый-планетолог из Центра космических полетов НАСА имени Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд.
Чтобы решить загадки, которые ставят эти луны, ученые хотят смоделировать влияние приливов на геологическое развитие этих спутников. Однако моделирование орбит, которые вызывают приливы, работает в дневных масштабах, тогда как моделирование геологии обычно работает в масштабах миллионов лет.
В новом исследовании ученые разработали компьютерные модели, которые просчитывают как геологические изменения, так и упрощенные орбитальные эффекты, которые эти луны могли испытать в течение последних примерно 4.5 миллиардов лет жизни Сатурна.
Ученые выяснили, что приливные силы приведут к достаточной геологической активности для существования прошлых или настоящих океанов в недрах Энцелада, Тетиса и Дионы. Энцелад, вероятно, все еще имеет подземный океан, потому что его гравитационные взаимодействия с другими лунами, такими как Тетис и Диона, позволяет ему сохранять свою орбиту относительно продолговатой. И возникающее в результате этого непрерывное изменение силы гравитационного притяжения от Сатурна регулярно вызывает приливные эффекты на Энцелада, тем самым нагревая внутреннюю часть этой луны .
«Это первое объяснение, согласующееся с данными, полученными с космического корабля Кассини, о том, как крошечная луна, такая как Энцелад, размером примерно с штат Вашингтон или Британские острова, имеет подповерхностный океан, когда другие родственные спутники больше или ближе к Сатурну, и, следовательно, лучше подходящие на эту роль, океанов не имеют», — сказал Неве.
Исследователи также обнаружили, что Мимас, вероятно, образовался от 100 миллионов до 1 миллиарда лет назад: если бы он был старше, взаимодействие между ним и кольцами Сатурна привело бы этот спутник к более высокой орбите, чем она в настоящее время занимает. Молодой возраст Мимаса означает, что эта луна образовалась уже после того, как распался весь радиоактивный материал, присутствовавший при формировании Солнечной системы около 4.6 миллиардов лет назад. Таким образом, его внутренности изначально были слишком холодными, чтобы приливные силы их сильно нагрели.
Художественное изображение поверхности Энцелада с криовулканом.
«Когда лед делается теплее и мягче, он становится более чувствительным к приливным силам, которые его деформируют», — сказал Неве. «Мимасу не хватало минимального количества тепла для начала, чтобы приливные силы могли поддерживать постоянный нагрев».
Остается последний вопрос — почему внутренности Реи не могут быть разделены на слои? По словам Неве, «измерения, проведенные Кассини, показывают, что внутренности Реи имеют некоторую степень неопределенности, поэтому возможно, что более глубокие слои ближе к ядру являются каменистыми, а рядом с поверхностью доминирует лед».
В целом, эти результаты предполагают, что скрытому океану Энцелада около 1 миллиарда лет. «Для возникновения жизни достаточно одного миллиарда лет — через миллиард лет после рождения Земли [на ней уже] была жизнь», — сказал Неве. В то же время, «1 миллиард лет означает, что между скалистым ядром Энцелада и его океаном все еще происходят активные химические реакции, что может обеспечить энергией любую потенциальную микробную жизнь, подобно химической энергии на морском дне Земли, которая помогает поддерживать там экосистемы. Океан Энцелада не слишком молод и не слишком стар. Он может иметь самый подходящий возраст для жизни».
Неве предупредил, что ключевым ограничением этого исследования является упрощение, которое могло повлиять на его точность. «Мы не вычисляли высокие и низкие приливы, которые каждая из пяти лун испытывала каждые несколько часов в течение 4.5 миллиардов лет — чтобы сделать это правильно, потребовалось бы около 20 лет на настольном компьютере», — сказал он.
В будущем ученые хотят смоделировать более сложные сценарии, включающие больше переменных, связанных с Сатурном и его спутниками — это позволит, например, узнать о том, как планета могла получить свои луны, какие из них могли сталкиваться, как менялись их орбиты и возникли знаменитые кольца.
