Bliskie spotkanie z Enceladusem

Powierzchnia Enceladusa uchwycona przez sondę Cassini. NASA

Dzięki danym z sondy Cassini udało się stworzyć najdokładniejszą jak dotąd mapę powierzchni Enceladusa – jednego z największych księżyców Saturna. Te same dane stanowią też silny dowód na to, że część powierzchni tego księżyca jest pokryta lodem pochodzącym z jego wnętrza. 

Chociaż sonda Cassini zakończyła działalność w 2017 roku, kiedy została celowo sprowadzona w atmosferę Saturna, to analiza danych z tej misji nadal pozwala na nowe odkrycia. Sonda okrążała Saturna od 2004 do 2017, jednocześnie wielokrotnie zbliżając się do pobliskich obiektów – w tym Enceladusa. Na czym jednak polega nietypowość tego księżyca? 

Księżycem, a także naturalnym satelitą, nazywamy obiekt pochodzenia naturalnego obiegający planetę, planetę karłowatą lub planetoidę. Słowo “Księżyc” pisane z wielkiej litery oznacza konkretnie naturalnego satelitę Ziemi, ale nasza planeta nie jest jedyną w Układzie Słonecznym, która posiada naturalnego towarzysza. Większość księżyców jest jednak znacznie mniejsza w porównaniu ze swoimi planetami macierzystymi. Promień Ziemi wynosi około 6400 km, a promień Księżyca to nieco ponad 1700 km. Dla porównania, promień Saturna to około 58 000 km, a jego największy księżyc, Tytan, ma “malutki” promień: trochę ponad 2500 km. 

Porównanie wielkości Ziemi, Księżyca i Enceladusa. NASA

Ale Saturn i inne planety stosunkowo niewielki rozmiar swoich satelitów nadrabiają ich liczbą. Wokół samego Saturna krążą 82 księżyce. Jowisz też może pochwalić się dorodną liczbą naturalnych satelitów, ma ich bowiem 79. Uran ma ich 27, a Neptun – 14. 

Większość księżyców w Układzie Słonecznym znana jest tylko z obserwacji z Ziemi i jej okolic, więc ciężko jest z całą pewnością potwierdzić teorie dotyczące ich pochodzenia. Większość hipotez skłania się ku założeniu, że księżyce powstają przez “kondensację” dysku protoplanetarnego, czyli tego samego obłoku pyłu, z którego rodzą się planety. Według tego modelu większość materii “skleja się” w planetę pod wpływem grawitacji. Reszta pyłu, również za sprawą grawitacji, formuje mniejsze obiekty, które okrążają obiekt centralny. W ten sposób mają powstawać zarówno księżyce, jak i pierścienie, takie jak te wokół Saturna i innych gazowych olbrzymów. 

Tylko niektóre księżyce w Układzie Słonecznym mają budowę skalistą, podobną do naszego Księżyca. Znaczna część naturalnych satelitów planet zewnętrznych – czyli wszystkich gazowych i lodowych olbrzymów – to księżyce lodowe. Takie obiekty są zbudowane w większości z lodu, chociaż nie zawsze jest to lód wodny – pojawia się również zamarznięty metan czy amoniak. To właśnie do tej grupy zalicza się Enceladus: szósty pod względem wielkości księżyc Saturna. 

Postulowana budowa wewnętrzna jednego z księżyców Jowisza, Ganimedesa. Można wyróżnić w niej żelazne jądro, okryte płaszczem dolnym z krzemianów, a następnie lodowym płaszczem górnym i skorupą. NASA

Enceladus został odkryty w 1789 roku przez Williama Herschela. Jego nazwa pochodzi od Enkeladosa, jednego z tytanów w mitologii greckiej – zgodnie z konwencją nazywania księżyców Saturna imionami tytanów. Chociaż jest bardzo małym obiektem (ma średnicę około 500 km), to został odkryty z Ziemi za pomocą teleskopu. Jest to zasługa właśnie jego lodowej budowy. Enceladus ma największe w Układzie Słonecznym albedo, czyli stosunek promieniowania odbitego do padającego. Ten malutki obiekt odbija od swojej powierzchni 99% światła, jakie na nią pada! Przez to, obserwowany w zakresie widzialnym, z Ziemi obserwujemy go jako jasną, gwiazdo-podobną kropkę. 

To dzięki misji Cassini znamy więcej szczegółów dotyczących tego niezwykle jasnego księżyca. W ciągu 13 lat działalności sonda przeleciała obok Enceladusa 147 razy. Zainstalowany na sondzie spektrometr VIMS (Visible and Infrared Mapping Spectrometer) przez długi czas zbierał światło (w zakresie widzialnym i podczerwonym) odbijające się od Saturna, jego pierścieni i dziesięciu największych lodowych księżyców. Następnie VIMS rozdzielił to światło na różne długości fali, co pozwoliło określić skład chemiczny odbijającego je materiału. Te nowe dane z VIMS, w połączeniu ze szczegółowymi obrazami przechwyconymi przez inny system naukowy Cassini – moduł Cassini Imaging Science – zostały wykorzystane do stworzenia szczegółowej mapy widmowej Enceladusa. Opublikowane zostało też narzędzie, które pozwala obejrzeć księżyc z dowolnej strony. 

Mapa widmowa powierzchni Enceladusa: półkula skierowana w stronę Saturna (środek górnego rzędu), półkule “zachodnia” i “wschodnia” względem strony skierowanej do Saturna (lewa i prawa strona górnego rzędu), oraz bieguny północny i południowy (dolny rząd). Na biegunie południowym widać wyraźnie “tygrysie pasy”. NASA

Zespół naukowy misji Cassini odkrył już w 2005 roku, że Enceladus wystrzeliwuje w kosmos pióropusze złożone z ziaren lodu i oparów, pochodzące z prawdopodobnie ciekłego oceanu leżącego pod lodową skorupą. Nowa mapa widmowa pokazuje, że sygnały rejestrowane w podczerwieni mają wyraźny związek z tą aktywnością geologiczną, którą można łatwo zobaczyć na jego biegunie południowym. To właśnie tam tak zwane „tygrysie pasy” wyrzucają lód i opary z wnętrza „podziemnego” oceanu. Ale część tych cech obserwowana jest też na półkuli północnej. Naukowa interpretacja tego podobieństwa skłania się ku tezie, że ten sam typ aktywności, co na półkuli południowej, miał miejsce w przeszłości na półkuli północnej. Proces ten na półkuli północnej może być, zdaniem naukowców, wywoływany albo przez lodowe prądy, albo bardziej stopniowe wypływy lodu przez pęknięcia w skorupie, prowadzące od podpowierzchniowego oceanu aż do jej powierzchni. 

Schemat działania wyrzutów lodu i gazu na Enceladusie. Para wodna “przebija się” przez lodową skorupę księżyca i jest wyrzucana z powierzchni wraz z odłamkami tejże skorupy. NASA

Istnienie płynnego oceanu na obiekcie tak bardzo oddalonym od Słońca może wynikać z kilku mechanizmów ogrzewania. Najpowszechniej postulowane jest ogrzewanie w efekcie tarcia pływowego, czyli zjawiska, które jest wywoływane przez wzajemne oddziaływanie grawitacyjne Saturna i jego księżyców. Inne tezy to min. ogrzewanie na skutek rozpadów promieniotwórczych i egzotermicznych reakcji chemicznych w jądrze Enceladusa. 

Schemat działania wyrzutów lodu i gazu na Enceladusie. Para wodna “przebija się” przez lodową skorupę księżyca i jest wyrzucana z powierzchni wraz z odłamkami tejże skorupy. NASA 

Ta metoda badania powierzchni księżyca może zostać wykorzystana w badaniach innych obiektów w Układzie Słonecznym. W najbliższej przyszłości planowane są obserwacje kolejnych lodowych księżyców, w tym Ganimedesa i Europy – dwóch spośród księżyców Jowisza, odkrytych już przez Galileusza już w 1610 roku.