Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz sugerują, że niskotemperaturowe kominy hydrotermalne, podobne do tych występujących na Ziemi, mogą istnieć na światach oceanicznych, takich jak Jupiterksiężyce, potencjalnie podtrzymujące życie.
W badaniu wykorzystano modele komputerowe do symulacji warunków panujących na pozaziemskim dnie morskim, biorąc pod uwagę takie czynniki, jak grawitacja i ciepło. Odkrycia podkreślają znaczenie zrozumienia własnych systemów hydrotermalnych Ziemi dla zbadania możliwości w przestrzeni kosmicznej, a naukowcy chcą zebrać więcej danych z nadchodzących misji, takich jak Europy Kliper.
Odkrywanie kominów hydrotermalnych i życia pozaziemskiego
Wszyscy widzieliśmy surrealistyczne materiały w dokumentach przyrodniczych, przedstawiające kominy hydrotermalne na lodowatym dnie oceanu – ryczące czarne pióropusze supergorącej wody – i przylegające do nich formy życia. Nowe badanie przeprowadzone przez naukowców z UC Santa Cruz sugeruje, że kominy o niższej temperaturze, które są powszechne na dnie morskim Ziemi, mogą pomóc w stworzeniu warunków podtrzymujących życie na „światach oceanicznych” w naszym Układzie Słonecznym.
Światy oceaniczne to planety i księżyce, które mają – lub miały w przeszłości – ciekły ocean, często pod lodową skorupą lub w ich skalistym wnętrzu. W ziemskim Układzie Słonecznym kilka Jowisza i Saturnksiężyce to światy oceaniczne, a ich istnienie było motywacją do wszystkiego, od recenzowanych badań akademickich i misji statków kosmicznych z satelitami, po popularne filmy, takie jak thriller science-fiction z 2013 roku, Raport Europy.
Wiele kierunków badań sugeruje, że niektóre światy oceaniczne uwalniają wewnętrznie wystarczającą ilość ciepła, aby wywołać cyrkulację hydrotermalną pod dnem morskim. Ciepło to jest wytwarzane w wyniku rozpadu radioaktywnego, który zachodzi głęboko w Ziemi, a dodatkowe ciepło jest prawdopodobnie generowane przez pływy.
Układy skała-ciepło-płyn odkryto na dnie morskim Ziemi w latach 70. XX wieku, kiedy naukowcy zaobserwowali wydzielające się płyny przenoszące ciepło, cząstki i chemikalia. Wiele miejsc odpowietrzających było otoczonych nowatorskimi ekosystemami, w tym wyspecjalizowanymi matami bakteryjnymi, czerwono-białymi rurkowatkami i krewetkami wrażliwymi na ciepło.
Symulowanie pozaziemskich systemów hydrotermalnych
W nowym badaniu, opublikowanym dzisiaj w czasopiśmie „ Journal of Geophysical Research: Planetybadacze wykorzystali złożony model komputerowy oparty na cyrkulacji hydrotermalnej zachodzącej na Ziemi. Po zmianie zmiennych, takich jak grawitacja, ciepło, właściwości skał i głębokość cyrkulacji płynu, odkryli, że kominy hydrotermalne mogą utrzymywać się w szerokim zakresie warunków. Jeśli tego rodzaju przepływy wystąpią w świecie oceanicznym, takim jak Europa, księżyc Jowisza, mogą zwiększyć szanse na istnienie tam również życia.
„Badanie to sugeruje, że systemy hydrotermalne o niskiej temperaturze (niezbyt gorącej dla życia) mogły utrzymywać się na światach oceanicznych poza Ziemią w skalach czasowych porównywalnych z okresami niezbędnymi do zaistnienia życia na Ziemi” – powiedział Andrew Fisher, główny autor badania i wybitny profesor nauk o Ziemi i planetach (EPS) na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Cruz.
Dna oceanów Ziemi: model do badań przestrzeni kosmicznej
System cyrkulacji wody morskiej, na którym zespół oparł swoje modele komputerowe, odkryto na dnie morskim sprzed 3,5 miliona lat w północno-zachodniej części Oceanu Spokojnego, na wschód od grzbietu Juan de Fuca. Tam chłodna woda z dna wpływa przez wygasły wulkan (góra podwodna), przemieszcza się pod ziemią przez około 50 mil, a następnie wypływa z powrotem do oceanu przez inną górę podwodną. „Woda gromadzi ciepło podczas przepływu i wypływa z niej cieplejsza niż w momencie napływu, a także ma zupełnie inny skład chemiczny” – wyjaśniła Kristin Dickerson, druga autorka artykułu i doktorantka. kandydat w dziedzinie nauk o Ziemi i planetach.
Przepływ z jednej góry podwodnej na drugą napędzany jest wyporem, ponieważ woda staje się mniej gęsta w miarę ogrzewania i gęstsza w miarę ochładzania. Różnice w gęstości powodują różnice w ciśnieniu płynu w skale, a system jest podtrzymywany przez same przepływy – działa tak długo, jak dostarczana jest wystarczająca ilość ciepła, a właściwości skał umożliwiają wystarczającą cyrkulację płynu. „Nazywamy to syfonem hydrotermalnym” – powiedział Fisher.
Zrozumienie hydrotermalnego systemu chłodzenia Ziemi
Chociaż wysokotemperaturowe systemy wentylacyjne napędzane są głównie przez aktywność wulkaniczną pod dnem morskim, Fisher wyjaśnił, że znacznie większa objętość płynu wpływa do i z dna morskiego Ziemi w niższych temperaturach, napędzana głównie przez chłodzenie planety „w tle”. „Przepływ wody przez wentylację niskotemperaturową jest równoważny pod względem ilości odprowadzanej wody wszystkim rzekom i strumieniom na Ziemi i odpowiada za około jedną czwartą strat ciepła na Ziemi” – powiedział. „Cała objętość oceanu jest pompowana do i z dna morskiego mniej więcej co pół miliona lat”.
Potencjał niskotemperaturowych kominów hydrotermalnych w kosmosie
Wiele wcześniejszych badań cyrkulacji hydrotermalnej na Europie i Enceladusie, małym księżycu krążącym wokół Saturna, uwzględniało płyny o wyższej temperaturze. Według Donny Blackman, badaczki EPS i trzeciej autorki nowego artykułu, karykatury i inne rysunki często przedstawiają systemy na dnie morskim, które wyglądają jak czarni palacze na Ziemi. „Przepływy w niższych temperaturach są co najmniej tak samo prawdopodobne, jeśli nie bardziej prawdopodobne” – stwierdziła.
Zespół był szczególnie podekscytowany jednym wynikiem symulacji komputerowych przedstawionych w nowym artykule, pokazującym, że przy bardzo niskiej grawitacji – takiej jak ta występująca na dnie morskim Enceladusa – cyrkulacja może trwać w niskich i umiarkowanych temperaturach przez miliony lub miliardy lat. Może to pomóc w wyjaśnieniu, w jaki sposób małe światy oceaniczne mogą mieć długowieczne systemy cyrkulacji płynów pod dnem morskim, mimo że ogrzewanie jest ograniczone: niska wydajność pozyskiwania ciepła może prowadzić do znacznej długowieczności – zasadniczo przez cały okres życia Układu Słonecznego.
Przyszłość odkrywania światów oceanicznych
Planetolodzy wykorzystują obserwacje z misji satelitarnych, aby pomóc określić, jakie warunki panują lub są możliwe na światach oceanicznych. Autorzy nowego artykułu planują wziąć udział w wystrzeleniu statku kosmicznego Europa Clipper jeszcze tej jesieni w Cape Canaveral na Florydzie, wraz z kolegami współpracującymi przy projekcie Odkrywanie światów oceanicznych projekt.
Naukowcy przyznają, że nie mają pewności, kiedy dna morskie światów oceanicznych będą bezpośrednio obserwowane pod kątem obecności aktywnych systemów hydrotermalnych. Ich odległość od Ziemi i właściwości fizyczne stanowią główne wyzwania techniczne dla misji statków kosmicznych. „Dlatego niezwykle istotne jest maksymalne wykorzystanie dostępnych danych, w większości zebranych zdalnie, oraz wykorzystanie wiedzy zdobytej na podstawie dziesięcioleci szczegółowych badań analogowych systemów ziemskich” – podsumowują w artykule.
Odniesienie: „Sustaining Hydrothermal Circulation with Gravity Relevant to Ocean Worlds” autorstwa AT Fisher, KL Dickerson, DK Blackman, NG Randolph-Flagg, CR German i C. Sotin, 24 czerwca 2024 r., Journal of Geophysical Research: Planety.
DOI: 10.1029/2023JE008202
Oprócz zespołu z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz w artykule uczestniczyli współautorzy z Instytutu Naukowego Blue Marble Space, Instytutu Oceanograficznego Woods Hole i Laboratoire de Planétologie et Géodynamique de Nantes. Badanie zatytułowane „Utrzymanie cyrkulacji hydrotermalnej przy użyciu grawitacji istotnej dla światów oceanicznych” zostało sfinansowane przez NASA Program Astrobiology (nagroda nr 80NSSC19K1427) i National Science Foundation (OCE-1924384).
