30 километров льда на спутнике Европа: изоляция океана снижает вероятность найти жизнь

Европа — один из главных кандидатов на звание колыбели внеземной жизни. Этот спутник Юпитера скрывает под своей поверхностью глобальный соленый океан, объем воды в котором превышает объем всех земных океанов вместе взятых. Наличие жидкой воды и источника энергии (приливного разогрева) делает Европу интересной целью для поиска внебиологических форм жизни. Однако доступность этой среды для изучения и вероятность существования в ней жизни напрямую зависят от толщины разделяющего барьера — ледяной коры.

До недавнего времени все оценки этого параметра были косвенными. Они основывались на анализе кратеров, теоретических моделях приливного нагрева и изучении магнитных полей. Разброс значений был очень велик: от 3-5 километров (модель тонкого льда) до 30-40 километров и более (модель толстого льда). В сентябре 2022 года космический аппарат NASA «Юнона» выполнил пролет на высоте 360 километров над поверхностью спутника и впервые провел инструментальное измерение внутренней температуры льда, что позволило более точно оценить его толщину.

Результаты, опубликованные в журнале Nature Astronomy, свидетельствуют в пользу гипотезы о массивном и толстом ледяном щите, что существенно меняет представления о потенциальной обитаемости подледного океана.

Методология: микроволновая радиометрия как инструмент геологии

Для исследования внутренней структуры Европы использовался инструмент MWR (Microwave Radiometer) — шестиканальный микроволновый радиометр. Изначально спроектированный для изучения глубокой атмосферы Юпитера, этот прибор оказался способен зондировать твердые тела.

Принцип работы MWR основан на регистрации пассивного теплового излучения. Любое тело, температура которого выше абсолютного нуля, излучает энергию. Для ледяной поверхности Европы характерна зависимость прозрачности среды от частоты волны.

1. Высокие частоты (22 ГГц) быстро поглощаются льдом. Излучение, фиксируемое на этой частоте, исходит с глубины всего нескольких сантиметров или метров. Оно отражает температуру самой поверхности.
2. Низкие частоты (0,6 ГГц и 1,2 ГГц) обладают высокой проникающей способностью. Лед для них относительно прозрачен, что позволяет прибору регистрировать тепловой поток, исходящий с глубины в десятки километров.

Физическая суть измерения заключается в определении температурного градиента. Известно, что на поверхности Европы температура составляет около 90-110 К (примерно -170 °C). На границе льда и подледного океана температура должна быть близка к точке замерзания соленой воды при высоком давлении, то есть около 270 К (-3 °C). Таким образом, существует перепад температур более чем в 150 градусов.

Если ледяная кора тонкая, переход от холодной поверхности к теплому низу будет резким. Если кора толстая, температура будет нарастать с глубиной медленно. «Юнона» измерила яркостную температуру на разных частотах, фактически построив график изменения температуры в зависимости от глубины.

Проблема фонового излучения и калибровка данных

Проведение измерений осложнялось экстремальными условиями в окрестностях Юпитера. Планета-гигант обладает мощными радиационными поясами, генерирующими интенсивное синхротронное радиоизлучение. Для высокочувствительного радиометра это создает значительный фоновый шум. Более того, поверхность Европы отражает это внешнее излучение, что могло исказить показания, добавив к собственному теплу спутника отраженный сигнал Юпитера.

Для корректной интерпретации данных исследователи разработали комплексную радиационную модель. Синхротронное излучение имеет направленный характер, и его отражение зависит от угла падения. Сопоставляя данные, полученные при разных углах ориентации антенн, ученые смогли разделить сигнал на две составляющие: внешнюю (отраженную) и внутреннюю (тепловое излучение недр).

Именно корректный учет внешнего радиошума позволил с высокой точностью определить свойства льда на больших глубинах.

Результаты: толщина и структура оболочки

Анализ данных показал, что наблюдаемый спектр теплового излучения лучше всего согласуется с моделью теплопроводящего слоя льда толщиной 29 +- 10 километров.

Речь идет о твердом, холодном слое, где перенос тепла осуществляется путем теплопроводности. Под ним может находиться слой более теплого, вязкого льда, в котором происходит медленная конвекция (перемешивание), что еще больше увеличивает общую толщину барьера до океана. Значение в 29 км фактически исключает сценарии «тонкого льда», которые предполагали быстрый и легкий доступ к воде.

Помимо общей толщины, радиометр MWR раскрыл структуру верхнего слоя поверхности — реголита. Данные на высоких частотах (от 2,5 до 22 ГГц) продемонстрировали наличие зон рассеяния сигнала. Это интерпретируется как присутствие в верхних слоях многочисленных неоднородностей: трещин, каверн или включений иного состава.

Но характеристики этих неоднородностей оказались специфичными:

• Они сосредоточены в основном в приповерхностном слое глубиной в несколько сотен метров.
• Они маленького размера, и они не образуют крупных полостей.
• На частотах ниже 1,2 ГГц влияние этих рассеивателей исчезает.

Это говорит о том, что трещиноватость, наблюдаемая визуально на поверхности Европы, является лишь поверхностным явлением. Глубинные же слои льда представляют собой монолитную структуру без крупных, заполненных водой или пустотами разломов, уходящих на глубину.

Исследователи также проверили влияние солености льда на результаты измерений. Присутствие хлоридов или сульфатов меняет электрические свойства льда и его прозрачность для микроволн. Моделирование показало, что даже при концентрации солей, характерной для земных морских льдов, или при наличии локальных рассолов, оценка толщины меняется незначительно (в пределах 5 км), что не влияет на общий вывод о толщине ледяного щита.

Значение для астробиологии и будущих миссий

Полученные результаты ограничивают модели обитаемости Европы. Главная проблема подледного океана — энергетический баланс. Солнечный свет не проникает сквозь лед, поэтому фотосинтез невозможен. Единственным источником химической энергии для потенциальной биосферы могли бы стать окислители (кислород, перекись водорода), которые непрерывно образуются на ледяной поверхности под воздействием радиации Юпитера.

Для поддержания жизни необходим механизм транспорта этих веществ с поверхности в океан. Ранее предполагалось, что через систему глубоких трещин или в результате погружения блоков льда (субдукции) поверхностный материал может попадать в воду.

Данные «Юноны» ставят под вопрос эффективность такого транспорта:

1. Большая толщина льда (около 30 км) затрудняет вертикальный обмен веществом.
2. Отсутствие признаков глубоких разломов или крупных резервуаров жидкости внутри коры свидетельствует о герметичности океана.
3. Поверхностные трещины слишком мелкие и не связаны с глубинными слоями.

Это означает, что океан Европы, вероятно, изолирован от богатой химией поверхности гораздо надежнее, чем предполагалось. Если жизнь там существует, она должна полагаться исключительно на внутренние источники энергии (например, гидротермальные источники на дне), без притока окислителей сверху.

Работа «Юноны» закладывает фундамент для следующего этапа исследований. В октябре 2024 года был запущен аппарат NASA Europa Clipper, оснащенный специализированным ледопроникающим радаром REASON. Он сможет построить детальную трехмерную карту льда. Однако микроволновые данные «Юноны» уже сейчас задали базовый контекст: мы имеем дело с миром, надежно укрытым толстой, монолитной и холодной броней, пробить которую — сложнейшая задача как для земных инженеров, так и для гипотетических биологических процессов.

Источник:Nature astronomy