в мире науки

Архив

БЕСПОКОЙНЫЙ ЭНЦЕЛАД

---

Извергающиеся на пересеченную поверхность шестого по размеру спутника Сатурна фонтаны свидетельствуют о наличии в его недрах воды

---

Более четверти века назад «Вояджер-2», следуя через систему Сатурна, прошел всего в 90 тыс. км от Энцелада, одного из спутников этой планеты. Тогда зонд передал на Землю снимки, над которыми затем многие годы ломали голову специалисты. Энцелад выглядел «белой вороной» даже среди таких разнообразных космических тел, как спутники Сатурна, На его снежно-белой ледяной поверхности обнаружились обширные области без единого кратера, что указывало на внутреннюю геологическую активность в прошлом. Имея диаметр чуть более 500 км, Энцелад, по-видимому, слишком мал, чтобы выделять собственное тепло. Возможно, с ним произошло что-то необычное, стершее следы падений метеоритов с его поверхности.

Короткий визит «Вояджера» позволил составить лишь общее впечатление об этом небесном теле, да и условия съемки оказались очень неудачными. Было получено несколько снимков северного полушария со средним разрешением и несколько изображений южного полушария с низким разрешением. Но ни одного снимка южного полюса не было. Мы и не догадывались, чего тогда лишились.

Интерес к Энцеладу, возникший после визита «Вояджера», был так велик, что детальное его исследование стало основной задачей полета «Кассини» к Сатурну. Запущенный в 1997 г. и оснащенный сложнейшей аппаратурой, «Кассини» семь лет добирался сквозь межпланетное пространство к внешним областям Солнечной системы. Летом 2004 г. он, наконец, достиг цели (см.: Лунин Д. Вот и Сатурн! // ВМН, № 8, 2004). В декабре того же года он сбросил зонд в атмосферу Титана — крупнейшего спутника Сатурна. Затем приступил к изучению остальных спутников, в том числе и Энцелада, который исследовал в течение нескольких месяцев с особенно близкого расстояния.

Все, о чем мечтали планетологи, обнаружилось на маленьком, тектонически активном небесном теле. Теперь этот крошечный объект, затерянный среди других на краю Солнечной системы, оказался в центре внимания. Энцелад не только обладает достаточной температурой для поддержания геологической активности, которая изменяет вид его поверхности, но он также богат органическими соединениями и, возможно, в его недрах скрыты каналы или даже океан жидкой воды. Как известно, для зарождения жизни нужны три компонента: органическое вещество, энергия и жидкая вода. Исследуя этот далекий и необычный объект, мы обнаружили среду, потенциально пригодную для существования живых организмов. Что может быть интереснее?!

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ На спутнике Сатурна Энцеладе фонтаны снега и водяного пара, насыщенные органическими соединениями, вырываются из «тигровых полос» — теплых разломов на поверхности. Как тело размером чуть более 500 км способно поддерживать столь бурную активность? Причиной этого может быть жидкость под грунтом, возможно, океан, усиливающий эффект приливного нагрева. Об этом говорят данные, полученные в ходе недавних пролетов зонда. Если на Энцеладе есть жидкая вода, то он наравне с Марсом и спутником Юпитера Европой становится объектом поиска внеземных форм жизни.

Знакомство с Энцеладом

---

ПАРАМЕТРЫ ЭНЦЕЛАДА

Масса: 1,08 х 10²⁰ кг

Диаметр: 504 км

Плотность: 1,61 г/куб. см

Среднее расстояние от Сатурна: 238,037 км

Орбитальный период: 1,37 суток

Эксцентриситет: 0,0047

Наклонение орбиты к экваториальной плоскости Сатурна: 0,0083 °

---

Намек на то, что мы столкнулись с чем-то очень важным, появился раньше, чем «Кассини» впервые сблизился с Энцеладом. В то время его не все смогли оценить. В январе 2005 г. камеры зонда получили первое изображение спутника в контровом освещении, как говорят астрономы, при большом фазовом угле Солнца. Как пыль на лобовом стекле вашего автомобиля становится заметной, когда вы едете навстречу источнику света, так и мелкие частицы, разбросанные по Солнечной системе, становятся видны, когда вы смотрите сквозь них в сторону Солнца. Такие условия наблюдения оказались очень выгодными при полете «Вояджеров»: они позволили выявить трудно различимые структуры в кольцах и атмосферах внешних планет и их спутников. И они же дали ключ к исследованию Энцелада.

Фонтаны водяного пара и частичек льда, вырывающиеся из глубоких трещин в районе южного полюса, делают Энцелад одним из четырех геологически активных объектов Солнечной системы. Астронавты на этом рисунке изображены для масштаба

На снимках, полученных в январе 2008 г., были видны яркие выступы над южным полярным лимбом спутника. Нам, ветеранам «Вояджера», все это напомнило вулканические извержения на спутнике Юпитера Ио и призрачные туманы в атмосфере спутника Нептуна Тритона. Некоторые члены нашей группы были уверены, что вспышки свидетельствуют о выбросе вещества из южного полюса. Другие предполагали, что это может быть дефектом, возникшим при съемке в направлении Солнца.

К сожалению, мы были очень заняты планированием будущих наблюдений и подготовкой научных статей, поэтому не предприняли детального анализа, который помог бы разрешить спор. Не имея времени для тщательной проверки, я решила не высказываться публично. Я понимала, насколько ошеломляющим стало бы заявление об открытии струй вещества, вырывающихся из поверхности спутника, считавшегося безжизненным с геологической точки зрения. Особенно если вскоре мы будем вынуждены признать, что это был всего лишь дефект снимка. Но, к счастью, нам не пришлось долго ждать.

Первые два пролета вблизи Энцелада, в феврале и марте 2008 г., произошли вдоль экватора спутника. Оба дали впечатляющий результат: равнины, замеченные «Вояджером», оказались совсем не ровными. Они покрыты многочисленными трещинами шириной менее километра, местами пересеченными множеством прямых или извивающихся желобков. В других местах поверхность прорезана ущельями глубиной в полкилометра. И в более мелком масштабе паутина из почти параллельных узких трещин покрывает рельеф, разделяя его на отдельные области. Эти «шрамы» ясно свидетельствуют о том, что в прошлом Энцелад неоднократно проявлял тектоническую активность.

Февральский пролет мимо Энцелада также пришелся при большом фазовом угле, и на этих снимках выступы оказались видны еще четче, чем прежде. К тому же магнитометр показал, что силовые линии магнитного поля Сатурна искривлялись, когда из-за вращения планеты они проходили мимо Энцелада, а это говорило о том, что они захватывали тяжелые ионы. Источником этих ионов, вероятно, был южный полюс Энцелада. Ситуация начинала проясняться: выступы, зафиксированные на изображениях спутника, наверняка существуют в действительности.

При первом пролете мимо Энцелада в 1981 г. «Вояджер-2» передал не очень четкие изображения ограниченной области. Гладкие области указывают на геологическую активность в недавнем прошлом

Энцелад (слева от центра) в десять раз меньше крупнейшего спутника Сатурна Титана. Столь мелкие тела быстро теряют внутреннее тепло. Все они, кроме Энцелада, геологически мертвы. Почему же активен Энцелад?

На этом снимке, переданным с «Кассини», Энцелад проходит перед Дионой, более крупным и далеким спутником, притяжение которого косвенно способствует активности Энцелада. На переднем плане — внешняя часть кольца Сатурна

Группа ученых, работавших над проектом «Кассини», представила свои результаты руководителям и попросила уменьшить высоту пролета в июле 2005 г. с 1000 км до 168 км. Руководство согласилось. 14 июля «Кассини» пролетел над южной полярной областью Энцелада и впервые передал четкое изображение южного полюса. Пейзаж оказался не похожим ни на что иное в Солнечной системе.

Район южного полюса — почти круглая область без кратеров, изрезанная глубокими параллельными трещинами, похожими на следы тигриных когтей, поэтому мы назвали их «тигровыми полосами». Почти на равном расстоянии друг от друга они тянутся на 130 км и в конце изгибаются крючком. В своих центральных частях полоски ярче, чем в среднем вся пересеченная поверхность данной области. Сама область резко обрывается на южной широте 55°, упираясь в тесные ряды извивающихся гор и долин, концентрически охватывающих южный полюс. Этот пограничный горный пояс разделен по долготе примерно через 45° длинными трещинами; некоторые из них тянутся до экватора в почти лишенные кратеров районы.

Примкнувший к нашей команде сотрудник Корнельского университета Пол Хельфенстейн (Paul Helfenstein) предположил, что структура гор и долин, окружающих южный полюс, указывает на то, что складчатый пояс образовался в результате изгибов поверхности, сжатой горизонтальным давлением в направлении север-юг, подобно тому, как тектоническое сжатие на Земле создало Гималаи. А ограниченная этим поясом область на Энцеладе подобна нашему Срединно-Атлантическому хребту, где поднимающееся из недр вещество вызывает спрединг океанической земной коры.

Поверхность этого маленького спутника, должно быть, хранит следы драматического прошлого, но и то, что мы видим сейчас, совершенно удивительно. Когда «Кассини» пролетал над южной полярной областью, его пылевой анализатор собрал крошечные частицы, выброс которых, вероятно, произошел в районе «тигровых полос». Два других прибора обнаружили водяной пар, и один из них заметил наличие двуокиси углерода, азота и метана, через разреженное облако которых прошел «Кассини».

Кроме того, инфракрасная камера зафиксировала рост температуры в районе трещин до 180° К, что существенно выше тех 70° К, до которых Солнце способно нагреть эту поверхность.В этих местах выделяется 60 Вт/кв. м тепла, что гораздо больше, чем 2,5 Вт/кв. м, выделяющиеся в Йеллоустонской геотермальной области. А участки поверхности, неразрешимые для инфракрасной камеры, могут быть еще горячее.

До сих пор не верится, что мы обнаружили столь удивительный объект. Мы сразу же запланировали на конец ноября 2005 г. получение специальной серии снимков для осмотра южного полюса с высоким разрешением при очень большом фазовом угле. К этому времени собралось довольно много изображений других спутников при большом фазовом угле. Вместе с аналитиками нашей группы я смогла доказать скептикам, что, поскольку на изображениях других спутников нет никаких вспышек, следовательно, то, что мы видим на Энцеладе, не может быть просто дефектом. Сомнения рассеялись: мы поняли, что видим гигантские струи мельчайших частиц, взметнувшиеся над южным полюсом спутника по крайней мере на несколько сотен километров.

Наша серия замечательных черно-белых снимков серповидного Энцелада была получена 27 ноября и ясно показала более дюжины узких фонтанов из мелких ледяных частиц, вылетающих в пространство и образующих огромный, похожий на язык пламени, выступ над южным полюсом. Изучив изображения, Джозеф Спитейл (Joseph Spitale) из Космического института и я показали, что источники выбросов совпадают с самими горячими местами «тигровых полос»; это стало надежным доказательством связи между теплом и активными выбросами. Большинство частиц падает обратно на поверхность, но некоторые получают достаточную скорость, чтобы выйти на орбиту вокруг Сатурна. Именно из них сформировалось самое далекое кольцо Е. С любой точки зрения, эти снимки стали бесспорным доказательством внутренней активности маленького холодного спутника, что стало крупным открытием. Мы чувствовали себя как первые зрители феерии гейзеров Йеллоустона.

Южное полушарие Энцелада «Кассини» впервые показал в 2005 г. На этой мозаике поверхность изображена так, как она выглядела бы, если бы наши глаза видели не только оптические, но также инфракрасные и ультрафиолетовые лучи. (Нормальному глазу эта поверхность кажется ровной и белой.) Тигровые полоски, рассекающие южную полярную область, теплые и геологически активные. Их голубоватый цвет вызван тем, что они покрыты льдинками более крупного размера, поглощающими инфракрасные лучи

---

Повышение температуры

Первые научные статьи об Энцеладе по результатам, полученным с «Кассини», появились в марте 2006 г., и началось. Все говорили только об Энцеладе. С тех пор «Кассини» еще несколько раз пролетел над спутником. Проникая все глубже в плотные области струй, он опустился до высоты 25 км над поверхностью. Во время одного из самых низких пролетов в конце марта 2008 г. «Кассини» уточнил свои измерения водяного пара, азота, двуокиси углерода и метана. К тому же он обнаружил в небольшом количестве другие углеродсодержащие вещества, такие как ацетилен и синильная кислота, а также следы этана, пропана, бензола, формальдегида и другой органики.

Во время другого очень низкого пролета в августе наши камеры были направлены на источники фонтанов на поверхности. Зонд перемещался так быстро, что пришлось разработать специальный алгоритм ведения камеры за объектом, напоминающий стрельбу по тарелочкам, чтобы избежать смазывания изображений. Ряд отлично выполненных снимков позволил выяснить, что глубина «тигровых полос» составляет 300 м, они имеют V-образные стенки и состоят из ледяных блоков размером с дом, разбросанных по склонам и вокруг. Области вдоль склонов выглядят ровнее обычной поверхности, вероятно, из-за свежевыпавшего снега.

Неожиданно обнаружилось, что ближайшие окрестности каждого выходного отверстия не сильно отличаются от других мест вдоль трещин. Мы предполагаем, что ни одно из выходных отверстий не может долго действовать активно. Из-за конденсации пара растут ледяные пробки, которые затыкают отверстие еще до того, как оно успевает заметно изменить окружающую поверхность. В то же время под действием давления где-то в другом месте трещины появляется новое выходное отверстие, которое тоже вскоре закупоривается. Процесс продолжается непрерывно. Длительная киносъемка могла бы доказать миграцию выбросов вдоль трещин.

Полученные снимки не только позволили нам увидеть замечательное геологическое явление, но и помогли точно измерить размер и форму Энцелада. Анализ изображений и данных о массе спутника, измеренной по гравитационным возмущениям траектории «Кассини» во время близкого пролета, показал, что Энцелад — самый каменистый из крупных спутников Сатурна. Его средняя плотность (1,6 г/куб. см) свидетельствует о том, что скальные породы составляют 60% его массы. Вполне вероятно, что у него есть каменистое ядро, окруженное оболочкой из водяного льда толщиной в десятки километров.

На Земле скальные породы содержат радиоактивные вещества, выделяющие тепло. То же самое должно происходить на Энцеладе. Но этого не достаточно, чтобы обеспечить наблюдаемый тепловой поток. Единственным дополнительным источником тепла служит приливный разогрев. Точно так же, как гравитация Солнца и Луны слегка деформирует нашу планету, вызывая приливы и отливы в океане, гравитация Сатурна деформирует Энцелад. Орбита спутника не круговая, его расстояние от Сатурна постоянно меняется. Чем ближе он подходит к планете, тем больше деформируется. Этот ежедневный «массаж» приводит к выделению тепла. Гравитация может вызывать и изменения на поверхности. «Тигровые полосы» расположены под углом 45° к направлению на Сатурн: такая ориентация очень хорошо объясняется приливными силами.

Степень нагрева зависит не только от эксцентриситета орбиты (ее отличия от окружности), но и от внутреннего строения спутника. Очень твердое тело сопротивляется деформации, а очень мягкое деформируется, но не рассеивает энергию в виде тепла. Пластичный спутник, состоящий из вязкого вещества, будет поглощать энергию и нагреваться, равно как и более твердый, но покрытый трещинами, в коре которого куски льда трутся друг о друга и выделяют тепло. Тепло может выделяться не равномерно во всем объеме спутника, а концентрироваться в ледяной оболочке или даже в ограниченных ее областях, например в трещинах.

Обычно приливный разогрев сам себя отключает. Веществу требуется время для деформации, поэтому искажение формы спутника отстает от силы, его вызывающей. В результате возникает момент гравитационной силы, влияющий на орбитальное движение спутника и постепенно превращающий его орбиту в круговую. Приливное напряжение перестает меняться, спутник принимает определенную форму и нагрев прекращается. Однако Энцелад остается на эллиптической орбите из-за орбитального резонанса с более крупным спутником Дионой. За время двух орбитальных оборотов Энцелада последний совершает один оборот. Такая синхронизация вызывает периодические гравитационные толчки от Дионы, поддерживающие Энцелад на его эллиптической орбите.

Но даже этих особых условий не достаточно. Дженнифер Мейер (Jennifer Meyer) и Джек Виздом (Jack Wisdom) из Массачусетсского технологического института, проанализировав орбиту Энцелада, выяснили, что поглощаемая им приливная энергия раз в пять меньше той, которая высвобождается из его южного полюса, причем это совершенно не зависит от того, как именно выделяется приливная энергия в недрах спутника. Энцеладу на его нынешней орбите просто не достаточно энергии для наблюдаемого тепловыделения.

МНОГОЛИКИЙ ЭНЦЕЛАД

Мало кто из планетологов ожидал, что на Энцеладе будет обнаружено такое разнообразие ландшафтов. На изображениях, переданных «Кассини» (вверху), с разрешением в шесть раз лучшим, чем у снимков «Вояджера-2», видно, что большие участки северного полушария покрыты кратерами, а значит, они значительно старше, чем гладкая область южного полюса. Но трещины, складки, горные хребты и впадины указывают, что в обоих полушариях поверхность подвергалась переработке

Северное полушарие

Как и наша Луна, Энцелад постоянно обращен к своей планете одной стороной. Направление на Сатурн задает 0° долготы. Области с кратерами расположены на оси Сатурн — Энцелад (0-180°). Области с трещинами перпендикулярны этой оси (90–270°). «Тигровые полосы» покрывают южный полюс и окружены цепью гор. Такая ориентация наводит на мысль, что гравитация Сатурна косвенно повлияла на формирование поверхности спутника

Южное полушарие

Обширные области Энцелада, казавшиеся на снимках «Вояджера» гладкими, на детальных снимках «Кассини» выглядят складчатыми (внизу). Глубокие каньоны тянутся к северу по областям, покрытым трещинами. Даже кратеры перерезаны трещинами и часто разрушены

В близи в области «тигровых полос» видны глыбы льда размером с дом (вверху). Полосы окружены извилистой циркумполярной грядой гор, которая для тектоники Энцелада, возможно, эквивалентна Гималаям (ниже)

Пластилиновый спутник

Парадокс возникает лишь в том случае, если предполагать, что нынешний приливный нагрев Энцелада равен его нынешнему тепловыделению. А что, если отдача тепла сейчас происходит за счет более раннего нагрева? Один из возможных сценариев впервые предложили для Ио в 1986 г. Грег Ойакангас (Greg Ojakangas) и Дэвид Стивенсон (David Stevenson) из Калифорнийского технологического института: орбита спутника и его внутреннее строение могут действовать друг против друга, вызывая циклические изменения эксцентриситета орбиты и выделения тепла.

Представим себе холодный и весьма жесткий Энцелад на почти круговой орбите. Интенсивность приливного нагрева мала. Влияние Дионы вызывает рост орбитального эксцентриситета, что приводит к усилению деформаций и вязкому разогреву в ледяной оболочке. Интенсивность выделения тепла начинает превышать скорость его потери с поверхности. От этого возрастает температура внутри Энцелада, и его вещество становится менее жестким, что, в свою очередь, ведет к повышению приливного нагрева. Возможно также, что спутник становится менее жестким не потому, что уменьшается вязкость его вещества, а потому, что трескается оболочка. Приливное напряжение ломает лед и вызывает сдвиги. Трение между поверхностями трещин рассеивает приливную энергию, и вещество вдоль трещин нагревается.

В любом случае, дополнительное рассеивание энергии приводит к округлению орбиты спутника, и постепенно тенденция становится обратной: приливный нагрев начинает снижаться, а потери тепла с поверхности — уменьшаться. Спутник охлаждается, и либо лед становится менее эластичным, либо трещины затягиваются. Затем вновь начинается цикл продолжительностью в десятки миллионов лет. Эта идея показывает, почему мы можем застать спутник в состоянии, когда скорости нагрева и охлаждения не равны друг другу. При таком колебательном процессе приток и потеря тепла равны только в среднем по полному циклу. А в произвольный момент цикла приток тепла может быть больше или меньше среднего, а также больше или меньше скорости охлаждения.

Ойакаганас и Стивенсон показали, что цикл, вызванный температурной зависимостью вязкости льда, может осуществляться на Ио, где, как и на Энцеладе, имеется дисбаланс между выделением и потерей тепла. Однако на Энцеладе этот механизм не работает: Мейер и Виздом выяснили, что Энцелад недостаточно массивен. Возможен цикл, связанный с трещинами, но пока этот вопрос детально не исследован.

ГОРЯЧИЕ КЛЮЧИ НА ХОЛОДНОЙ ЛУНЕ

Струи вещества, извергающиеся на южном полюсе, образуют над спутником гигантский султан

Крошечные частицы льда, рассеянные в пространстве, легче всего увидеть в направлении на Солнце. Горы и долины видны по краю силуэта спутника

С расстояния 2 млн км «Кассини» увидел, что выброшенным веществом наполняется кольцо Е. Некоторые из длинных витых структур вблизи Энцелада — это продолжения выбросов. Другие образовались из-за гравитационного влияния Энцелада на пролетающие мимо него частицы кольца

Выбросы можно проследить до особых мест на «тигровых полосах». Как ни странно, они не обязательно отличаются от других частей полос Тепловая карта показывает рост температуры до 180° К вдоль полос, что намного выше, чем было бы только при солнечном нагреве. Струи выбрасываются из самых горячих областей (белые кружочки)

А что там внутри?

Габриель Тоби (Gabriel Tobie) из университета в Нанте (Франция) с коллегами проверили еще одну возможность: а что если слабая зона на южном полюсе фокусирует приливную энергию и тем самым поддерживает себя в этом состоянии? Они смоделировали отклик Энцелада на приливное влияние, предположив, что в секторе под южным полюсом вещество имеет низкую вязкость, что делает эту область спутника более пластичной, чем остальные. Модель воспроизводит наблюдаемый выход тепла, но лишь при двух условиях, которые могут в корне изменить наше представление об Энцеладе.

Первое условие — наличие теплого, близкого к плавлению, льда в этой зоне. Второе условие — наличие жидкого слоя между ледяной оболочкой и каменным ядром. Этот слой должен охватывать почти все южное полушарие. Без него деформация и, следовательно, вязкий нагрев были бы иными и преобладали бы скорее на экваторе, чем на полюсе.

В пользу идеи подповерхностного моря говорит тот факт, что южная полярная шапка Энцелада лежит на полкилометра ниже фигуры спутника. Джеффри Коллинз (Geoffrey Collins) из Колледжа Витона и Джейсон Гудмен (Jason Goodman) из Океанографического института в Вудс-Холе считают, что так может проявлять себя море под грунтом. Жидкая вода плотнее льда, поэтому полный ее объем в этой области меньше. В сущности, вся область южного полюса — гигантский карстовый провал.

Существование моря могло бы объяснить многие геологические особенности Энцелада. Исаму Матсуяма (Isamu Matsuyama) из Института Карнеги в Вашингтоне и Фрэнсис Ниммо (Francis Nimmo) из Калифорнийского университета в Санта-Круз показали, что положение и ориентация основных геологических деталей спутника, в частности, трещин, идущих с севера на юг, и циркумполярных гор, указывает, что ледяная оболочка Энцелада скользила относительно оси вращения. Спутник ведет себя как гигантский гироскоп, оболочка которого не связана с осью вращения.

ЖИЗНЬ НА ЭНЦЕЛАДЕ? Энцелад удовлетворяет трем основным требованиям для возникновения жизни: жидкая вода, органические соединения и энергия. Существуют ли эти условия достаточно долго? Никто не знает, сколько времени требуется для того, чтобы зародилась жизнь. Судя по геологическим данным, микробы появились на Земле довольно быстро (по геологическим меркам): всего через несколько миллионов лет (или даже меньше) после рождения планеты

Эта теория может объяснить, почему геологически активные области находятся точно на южном полюсе: теплая область с плотностью меньше средней должна смещаться к оси вращения. К тому же теплая зона под южным полюсом должна подниматься из-за конвекции к верхнему хрупкому слою ледяной оболочки и раздвигать ее в стороны, т.е. вызывать спрединг. Чтобы ледяная оболочка раздвигалась, нужен жидкий слой, выносящий лед из более глубоких слоев.

Активность Энцелада может быть результатом всех этих эффектов. Если циклы нагрева обусловлены трением в трещинах, а приливные деформации во внешней ледяной оболочке нарастают достаточно быстро, то трещины могут проникать вглубь до вязкой теплой зоны, а возможно — и до самого моря. Разогрев трением в трещинах будет вносить вклад в общий вязкий нагрев под южным полюсом. Лед может таять в глубоких трещинах, и талая вода будет заметно усиливать нагрев. В этом случае подповерхностное море могло бы самоподдерживаться, поскольку слой воды сверху подпитывает теплом лежащее внизу море. И пока море не замерзает даже в фазе охлаждения, процесс будет продолжаться, если орбита Энцелада синхронизирована с орбитой Дионы.

В заключение заметим, что для объяснения наблюдаемых выбросов нужно помнить о жидкой воде. Майкл Манга (Michael Manga) из Калифорнийского университета в Беркли показал, что частичное замерзание подповерхностного моря увеличивает в нем давление и выталкивает жидкость наверх. Когда в процессе подъема давление в жидкости снижается, растворенный в ней газ (двуокись углерода) выделяется и образует пузырьки, как при вскрытии бутылки шампанского, которые помогают подъему жидкости. Если жидкость ведет себя именно так на пути к поверхности, то мы получаем ответ на вопрос о том, как тепло добирается к поверхности оттуда, где оно возникло, — из глубоких слоев спутника. Текущая вода очень эффективно переносит тепло. Кроме того, становится ясно, что выбросы — это гейзеры, зарождающиеся в жидких резервуарах под поверхностью.

ПОЧЕМУ ЮЖНЫЙ ПОЛЮС? Почему геологическая активность Энцелада сконцентрировалась на южном полюсе? Не исключено, что это случайность. Возможно, в далеком прошлом, например, произошло столкновение с метеоритом, вроде тех, которые создали огромные кратеры на других спутниках Сатурна, таких как Япет и Тефия. Столкновение могло вначале расколоть или как-то ослабить внешнюю ледяную оболочку, создав в этом месте благоприятные условия для выделения приливной энергии. Затем ледяная оболочка могла начать двигаться: такой процесс называют истинным перемещением полюса. При этом центробежная сила сдвигает слои низкой плотности к полюсу. Пол Хельфенстейн (Paul Helfenstein) из Корнельского университета нашел свидетельства такого перемещения: область Sarandib Planitia вблизи экватора похожа на разрушенную полярную область. В прошлом она могла быть на месте полюса, а затем сдвинулась туда, где находится сейчас

Энцелад как обитель жизни

Мы продолжаем уточнять наши представления о том, как Энцелад стал таким, каков он есть. То, что под поверхностью там жидкая вода, почти не вызывает сомнений. В таком случае налицо волнующая возможность того, что в недрах этого маленького спутника существует среда, где может зародиться жизнь или, по крайней мере, предшествующая ей стадия — жидкая вода, необходимые химические элементы и энергия. Ближайшим аналогом экосистемы Энцелада служат подпочвенные вулканические пласты Земли, где жидкая вода циркулирует между горячих камней при полном отсутствии солнечного света и всего, что ему сопутствует. Там найдены организмы, потребляющие водород и двуокись углерода и выделяющие метан или водород и сульфаты, причем все они питаются не Солнцем, а внутренним теплом Земли.

Современный Энцелад — результат всей его предшествующей истории, и мы только начинаем разбираться в его прошлом по следам, разбросанным на его поверхности. Остается много вопросов, на которые не может ответить даже «Кассини» при всем его техническом оснащении. Эти вопросы останутся без ответов, пока мы не пошлем на орбиту вокруг Энцелада специальный космический аппарат или же не посадим его на поверхность. Орбитальный аппарат сможет изучить гравитационное поле спутника и его топографию. По этим данным можно рассчитать распределение массы внутри Энцелада, включая слой жидкости под поверхностью. Маленький посадочный аппарат, снабженный сейсмометром, может обнаружить журчание жидкости под поверхностью.

СТРОЕНИЕ ЭНЦЕЛАДА

Струи и повышенная температура доказывают, что под поверхностью Энцелада находится жидкая вода. Для интенсивного нагрева, благодаря которому происходит выброс частиц водяного льда и пара, по-видимому, требуется жидкая вода, способствующая выделению приливной энергии под действием Сатурна. Энцелад может иметь каменное ядро, окруженное толстым слоем водяного льда. Вся южная полярная область опущена на полкилометра относительно фигуры спутника, вероятно, из-за наличия моря под поверхностью. Циркумполярные горы возвышаются на километр над поверхностью этой котловины

Вода под давлением и с помощью растворенных газов может подниматься из моря, находящегося подо льдом, и сквозь трещины просачиваться к поверхности. Трение в трещинах способствует повышению температуры и плавлению льда. Конвективные потоки под южной полярной областью могут быть причиной спрединга (раздвигания поверхности) и образования циркумполярных гор

Большая стоимость и длительность подготовки такой сложной миссии означают, что мы должны тщательно выбрать цель полета. Многие ученые хотели бы вернуться к Европе, так как у этого спутника Юпитера, вероятно, есть океан под поверхностью, который может быть прибежищем жизни. Но, по моему мнению, исследования Энцелада более перспективны. Поскольку нам не известно о наличии хотя бы одной активной трещины на Европе, добыча образцов из ее недр для поиска следов экосистемы потребует бурения на большую глубину, а это вряд ли осуществимо за время нашей жизни. В то же время, чтобы получить образцы из недр Энцелада, вам нужно всего лишь пролететь сквозь струю или, опустившись в районе южного полюса, поднять голову и высунуть язык.

Кроме того, поскольку магнитосфера Сатурна значительно слабее магнитосферы Юпитера, космическому аппарату вблизи Энцелада не придется сражаться с радиацией. И, наконец, путешествие к Энцеладу позволит изучить еще и Титан — второе место в системе Сатурна, где можно исследовать химические зачатки жизни (см.: Атрея С. Метан на Марсе и Титане // ВМН, № 9, 2007).

Сейчас мы наслаждаемся сознанием того, что первое детальное исследование Сатурна и его окружения позволило обнаружить нечто невиданное на южной оконечности маленького загадочного спутника: фантастическое и неспокойное место с ледяными каньонами и взмывающими призрачными фонтанами — редкое зрелище, открытие которого дает пищу и уму, и сердцу. Исследователи планет не смели и мечтать об этом.

ПРИЛИВЫ

Вклад приливной энергии Своим притяжением Сатурн немного вытягивает фигуру Энцелада (так же возникают приливы в океанах Земли). При обращении Энцелада вокруг Сатурна вытянутость меняется, поскольку орбита спутника не круговая. Эти деформации разогревают недра спутника. К тому же это ведет к округлению орбиты, но притяжение другого спутника Сатурна, Дионы, не позволяет орбите Энцелада стать круговой

Цикл нагрева Современного приливного нагрева не достаточно для поддержания наблюдаемой геологической активности. Быть может, Энцелад накопил достаточно тепла за прошедшие тысячи или миллионы лет? Нагрев в прошлом мог быть сильнее, если орбита была более вытянутой. Это возможно, если вытянутость орбиты, жесткость вещества и степень нагрева зависят друг от друга, вызывая колебание, в котором все они меняются

Перевод: В.Г. Сурдин

---

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

Cassini Observes the Active South Pole of Enceladus. C.C. Porco et al. in Science, Vol. 311, pages 1393–1401; March 10, 2006.

Life on a Tiny Moon: NOVA Voyage to the Mystery Moon. Interview with Carolyn Porco, March 2006. www.pbs.org/wgbh/nova/titan/porco.html

Cassini: the First One Thousand Days. Carolyn C. Porco in American Scientist, Vol. 95, No. 4, pages 334–341; July/August 2007.

Solid Tidal Friction Above a Liquid Water Reservoir as the Origin of the Pole Hotspot on Enceladus. G. Tobie, O. Cadek and C. Sotin in Icarus, Vol. 196, No. 2, pages 642–652; August 2008.

The Possible Origin and Persistence of Life on Enceladus and Detection of Biomarkers in the Plume. C.P. McKay et al. in Astrobiology, Vol. 8, No. 5, pages 909–922; October 2008.

Сурдин В.Г. Приливные явления во Вселенной. М., 1986.

ОБ АВТОРЕ

Каролин Порко (Carolyn Porco) руководит анализом изображений, полученных «Кассини». Она входила в группу анализа изображений, поступавших с «Вояджеров», а с 2001 по 2003 г. была заместителем председателя комитета по изучению Солнечной системы в Национальной академии наук, который устанавливает приоритеты в исследовании планет. В январе 2008 г. Американское гуманистическое общество наградило ее премией имени Айзека Азимова. В октябре журнал Wired назвал ее в числе 15 специалистов, к которым должен прислушиваться новый президент. В 1997 г. Порко была консультантом фильма «Контакт», а сейчас она консультирует режиссера Дж.Дж. Абрамса, снимающего новые серии «Звездного пути».

Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.