Europas skjulte ocean

Sløjfer og fregner, cremede sletter og krypto-isbjerge - den forbavsende overflade på Jupiters lyseste isfyldte måne tyder på et globalt hav under isen

Robert T. Pappalardo, James W. Head og Ronald Greeley*

Indhold:

Indledning
Papirclip månerne
Tapeter og hydrauliske lejer
Giv boblerne skylden
NIMS båndene
Box: Søen, som tiden glemte Frank D. Carsey og Joan C. Horvath
Yderligere information

Indledning

Blomstrer der levende ting andre steder i vort solsystem eller er Jordens miljø enestående næringsrigt? Dette spørgsmål er centralt for planetforskningen i dag. Tre årtier inde i menneskehedens udforskning af planeterne og deres naturlige satellitter, er der kun en kort liste af mulige boliger tilbage. Måske er den mest interessante Jupiters isfyldte måne Europa.
    I århundreder kendte astronomer kun Europa som et nålestik af lys i selv de kraftigste teleskoper. I 1960'erne viste spektroskopi at satellitten, som mange andre i det ydre solsystems regioner, er dækket af is. Med overfladetemperaturer på 110 Kelvin (- 160 grader Celsius) nær ækvator og 50 Kelvin nær polerne, må den is danne en hud, der er hård som klippe. Forskerne havde ingen måder til nærmere undersøgelser og ingen grund til at forvente noget særligt. Men i de sidste to årtier og især i de seneste få år, har spektakulære billeder, der er sendt tilbage fra besøgende rumfartøjer, afsløret en ung og utrolig deformeret overflade. Det forekommer, at der et eller andet sted under isskallen må være et varmt, bevægeligt indre. Er det gletscher is? Eller er Europas indre varmt nok til at opretholde et ocean af flydende vand? Hvis det sidste er tilfældet, kan vi strække vor forestillingsevne og spørge om livet kan være opstået nede i de mørke dybder.
    Planetforskere har prøvet at udlede hvad der er inde i Europa lige siden de to Voyager rumfartøjer fløj forbi Jupiter og dens ledsagere i 1979 [se "The Galilean Moons of Jupiter," af Laurence A. Soderblom; Scientific American, Januar 1980]. Himmelmekanikken dikterede, at disse rumfartøjer kun kunne passere Europa på afstand. Alligevel var fotografierne, de opnåede, drillende. Europa lignede et garnnøgle, dens store sletter blev gennemkrydset af bånd og kamme. Forskerne bemærkede, at nogle kileformede bånd havde modstående sider, der passer perfekt ind i hinanden. På en eller anden måde var den lyse isoverflade blevet vredet fra hinanden, så et mørkt materiale, som var flydende nok til at udfylde tomrummet, var kommet til syne. Disse kendetegn minder om væskefyldte åbninger mellem flydende plader af havis på Jorden.
    Uventet fandt Voyagerne meget få store nedslagskratere på Europa. En planetoverflade akkumulerer langsomt nedslagskratere, når den af og til rammes af rester af kometer og asteroider. Hvis Europa næsten helt mangler synlige kratere, må den være blevet belagt af vulkanske eller tektoniske begivenheder for relativt nylig. Baseret på antallet af kometer, der krydser Jupiters bane, udledte den afdøde kraterekspert Eugene Shoemaker, at der skulle dannes et krater større end 10 kilometer i diameter en gang hver 1,5 millioner år i gennemsnit. Ekstrapolation fra de få kendte Europa kratere antydede, at der kunne findes 45 af denne størrelse på hele satellitten, hvilket viste en overfladealder på kun 30 millioner år - et geologisk blink med øjet. Shoemaker tilføjede at Europas store kratere kunne være blevet fladet ud med tiden, hvis dens indre er varmt. Satellitten kan være aktiv, selv i vore dage.
    Men denne hypotese forbliver usikker. Voyager billederne var for grovkornede til, at man kunne udpege mindre kratere. Faktisk er de hvide sletter blandet med terræn fyldt med mørke pletter, volde og grave. Nogle forskere pegede på, at der kunne skjule sig kratere i disse mærkelige områder, og så ville satellittens overflade være gammel. Desuden, hvordan kunne så lille en måne overhovedet være aktiv? Andre legemer på samme størrelse, som Jordens måne er inaktive klippekugler, som har mistet det meste af den radioaktivt frembragte indre varme for længe siden. Efter alle regler burde Europa nu være kold og død.

Papirclip månerne

Så kom forskerne til erkendelse af en eksotisk varmekilde: tidevands æltning, den proces, der driver vulkanisme på Europas pizza-farvede nabo Io. Af Jupiters fire store måner - Io, Europa, Ganymede og Callisto, kollektivt kendt som de Galileiske satellitter til ære for deres opdager - er de første tre indviklet i en elegant banemæssig dans kaldet Laplace resonansen. Med et urværks præcision kredser Ganymede om Jupiter en gang (med en periode på 7,2 jorddage) medens Europa kredser to gange (3,6 dage) og Io fire gange (1,8 dage). Det heraf følgende træk og skub afbøjer deres baner til aflange ellipser. De bevæger sig nærmere, så fjernere fra deres forældreplanet gennem hvert banekredsløb. Som resultat hæves og sænkes tidevandsbølger i hver satellits legeme. Som når man bøjer en papirclip hurtigt frem og tilbage, frembringer denne afbøjning varme.
    Virkningerne føles mest grundigt på Io, som er nærmest Jupiter. Den indre temperatur stiger til klippers smeltepunkt, hvilket driver fortsatte vulkanudbrud. Europa, som er længere væk opvarmes mindre intenst. Men de seneste beregninger viser, at dens indre kan holdes varmt nok til at smelte is i en dybde over 10 til 30 kilometer og vedligeholde et globalt undersøisk ocean.
    Efter Voyager måtte observationsafprøvninger af oceanhypotesen vente næsten 20 år indtil Galileos verdener kunne besøges af rumfartøjet opkaldt efter ham. Rumfartøjet gik ind i bane omkring Jupiter i december 1995. Siden da har dets bane for hver få måneder bragt det tæt på en af Galileos satellitter - inkluderende et dusin gange, Europa.
    Selv hvis Galileo ikke havde sendt et eneste billede tilbage, ville den have givet en vigtig indsigt. Ved hver forbiflyvning har forskerne og ingeniørerne omhyggeligt sporet rumfartøjets radiosignal for at måle Europas tyngdefelt. Enhver roterende og tidevandsmæssigt afbøjet måne flades ganske lidt ud, eller gøre aflang, så dens tyngdefelt er heller ikke kugleformet. Den uregelmæssige kraft forårsager små ændringer i frekvensen af Galileos signal, ud fra hvilke forskerne har fået bekræftet satellittens aflange facon og, efterhånden, dens interne massefordeling. (For en given omdrejningshastighed, vil en satellit med centralt koncentreret masse være mindre aflang end en med mere homogen massefordeling).

Tapeter og hydrauliske lejer

At dømme ud fra dens middeltæthed på 3,04 gram pr. kubikcentimeter, er Europa hovedsageligt en klippegenstand. Gravitationsdata viste, at klippen ligger i et lag mellem en central jernkerne og en ydre skorpe af H₂O.Når man tager det sandsynlige område for tæthedsværdierne for jernkernen og klippen i betragtning, er vandskorpen mellem 80 og 170 kilometer tyk, mest sandsynligt omkring 100 kilometer. Hvis en betydningsfuld del af den er flydende, overskrider dens rumfang alle Jordens kombinerede oceaner. Men Galileos gravitationsdata kan ikke afgøre, hvorvidt dette vandlag er helt fast eller delvist flydende.
    For at afgøre dette spørgsmål må man se på billederne. Galileos billedteam fandt en verden ulig alle andre. Dens overflade er et kunstfærdigt væv af spalter, kamme, bånd og pletter. Spalterne dannedes antageligt, når tidevandskræfterne afbøjede isoverfladen til den knækkede. Kamme er på samme måde allestedsnærværende. De skærer sig hen over overfladen i par, hver med en dal nede i midten. Plausible modeller for deres udvikling påkalder opstigningen af varmt vand eller varm gletscheris langs spalterne. En vandig eller isfyldt "magma" kan have tvunget den stive is nær overfladen opad og skubbet den ud til en dobbelt kam. Eller en isfyldt mørtel kan være brudt op til overfladen og dannet hver kam. Der forekommer også flere parallelle kamme, hvilket viser, at processen kan gentages og danne kamme ved siden af hinanden. De bredeste er alment flankeret af mørke, rødlige, striber med diffuse kanter. Måske skabte varmeimpulsen i forbindelse med kamdannelsen disse mørke kanter gennem isvulkanisme eller sublimation af en snavset isoverflade. Hvad end den eksakte dannelsesmekanisme er, så tyder kammene på en dynamisk geologisk historie og en varm substans under overfladen.
    Ud fra spalternes og kammenes tilsyneladende tilfældige sløjfer har forskerne prøvet at forstå, på hvilken måde Europa er blevet strukket og afbøjet. Tidevandsmæssig æltning frembringer et distinkt mønster og nogle af Europas nyeste revner og kamme passer med det mønster. Men der må også være foregået noget andet. Mærkeligt nok ser det ud til at stress mønsteret har fejet tværs over overfladen i tidens løb.
    Faktisk kan mønsteret forklares, hvis Europas overflade har roteret hurtigere end dens indre. De fleste af solsystemets naturlige satellitter er i synkron rotation: drejet af tidevandskræfter kommer de til at rotere nøjagtigt en gang for hvert baneomløb, så de altid vender den samme side ind mod forældreplaneten. (Det er derfor vi altid ser den samme side af vores måne fra Jorden og derfor taler om Månens "anden" side). Men hvis Europas isoverflade var afkoblet - mekanisk adskilt - fra dens klippekappe, ville Jupiters gravitation få overfladen til at dreje lidt hurtigere end den synkrone hastighed. Et ocean under overfladen kunne nemt virke som et sådant leje og derved lade overfladens isskal rotere hurtigere uden synkronisering.
    Man kan ikke sige med sikkerhed om ikke-synkroniseret rotation foregår i dag eller om overfladen i stedet viser et gammelt mønster af nu inaktive træk. Forskere har sammenlignet positionen for kendemærker i Galileo billeder med deres positioner på Voyager billeder og ikke fundet nogen målelig forandring i den tyve års periode. Relativt til det indre kan overfladen i dag ikke rotere hurtigere end en gang for hvert 10.000 år.
    Galileos kamera har også søgt ind på de mørke kileformede bånd, hvor Voyagers billeder med lav opløsning antydede, at de rillede sletter var trykket helt fra hinanden. Nylige analyser har bekræftet, at de modsatte sider af disse bånd passer perfekt sammen. Det mørke materiale imellem dem er fint stribet og har alment en tydelig central rille og nogen grad af symmetri. Disse bånd kan være ismodparterne til spredende centre - steder på Jordens oceanbunde, hvor tektoniske plader bevæger sig fra hinanden og ny klippe trænger sig op. Hvis de er, må den underliggende is have været mobil og varm på det tidspunkt, da kendetegnene dannedes. Men pladetektonik er et spil med nul-sum: hvis noget materiale dukker op fra det indre, må andet materiale dale ned. På jorden sker denne nedstigning i subduktionszoner. Ingen sådanne zoner er endnu blevet identificeret på Europa.

Giv boblerne skylden

Det mystiske plettede terræn giver yderligere spor om Europas indre. Galileos billeder af dette terræn er 10 til 100 gange mere detaljerede end Voyagers. De viser, at det er overstrøet af cirkulære og elliptiske kendetegn, som billedholdet kaldte lenticulae, Latin for "fregner". Mange er kupler nogle er grave og nogle er bløde mørke pletter; andre har en broget og grov overflade. Kuppeltoppene ligner stykker af de gamle sletter med kamme, hvilket antyder, at kuplerne dannedes, da sletterne blev skubbet op nedefra.
    Variationerne i lenticulae kan forklares, hvis Europas isskal har opført sig som en planetær lavalampe, med bobler af varm is, der stiger op gennem den koldere is nær overfladen. I det tilfælde dannedes kuplerne, når boblerne pressede mod undersiden af overfladen. Grove overflader kan være steder, hvor boblerne forstyrrede og ødelagde sletterne. Bløde mørke pletter kan være smeltevand sluppet fri af boblerne og som hurtigt er frosset igen.
    Boblerne - teknisk "diapirer" - ville udvikle sig naturligt, hvis Europas isskal flød ovenpå flydende vand. I dette scenario pumper tidevandsafbøjningerne varme ind i skallens bund, hvor isen er nær smeltepunktet og lettest deformeres. Den varme is er mindre tæt end den kolde is ovenfor, så den forsøger at stige op. Hvis isskallen er tyk nok, kan opdriftskræfter overvinde den seje modstand mod strømmen (som daler med dybden). Som voks, der stiger i en lavalampe, vil varm is diapirer stige mod overfladen, hvor de kunne skabe de synlige lenticulae. Modeller antyder, at skallen skulle være mindst 10 kilometer tyk.
    Som lenticulae indeholder det plettede terræn de mest spektakulære af Europas kendetegn: områder med "kaos". I disse brogede områder ser det ud til, at små isrester af tidligere sletter med kamme er stødt sammen til en ujævn matrix - som isbjerge, der er kælvet i et sludhav. Det oprindelige arrangement af de isbjerglignende blokke kan rekonstrueres som et puslespil og det har forskerne gjort i et område, Conamara Chaos. Hvis områderne dannedes, da vand fra undergrunden smeltede gennem Europas iskappe og så frøs igen, kan analogien med isbjergene være ramt lige på kornet. En anden mulighed er, at en eller flere diapirer vældede op, opvarmede isen nær overfladen og derved skabte en sludseng af is og væske, hvorpå de revnede og løsnede isblokke kunne glide frit. Begge måder fortæller om kaosregioner, hvor der var en varm undergrund og mindst delvis smeltning.
    Den ene type kendetegn, som det plettede terræn iøjnefaldende mangler, er små nedslagskratere. Så Europas overflade må virkelig være ung. Som opfølgning på Shoemakers pionerindsats indenfor aldersestimater har forskerne lavet modeller over solsystemets kometer og asteroider for bedre at forstå, med hvilken rate de rammer Europa. De stemmer overens med Shoemakers forslag, at det primært er kometer, der rammer de Galileiske satellitter; der er simpelthen for få asteroider. Ud fra det antagne og observerede antal kometer i Jupiters nærhed - inkluderende Komet Shoemaker-Levy 9, som ramte gasgiganten i juli 1994 - beregner forskerne, at Europas sparsomme kraterlandskab er 10 millioner til 250 millioner år gammelt. I geologiske standarder er det et kort tidsrum. Derfor forekommer det sandsynligt, at Europa stadig er aktiv i dag, skønt man ikke har fundet nogen vulkanske rygende revolvere som på Io.
    De få kratere, der findes på Europas overflade, er i sig selv en prøve på isskallens tykkelse. Ulig de skålformede kratere eller nedslagskratere med flad bund på andre verdener har Europas to største nedslags kendemærker en central jævn plet omringet af koncentriske ringe. Nedslagene, der skabte disse kendetegn, må have gennemboret den faste is nær overfladen til et svagere lag nedenunder. Fordi det svage lag ikke kunne opretholde en kraterform, fyldtes det hurtigt af smeltevand og slud, hvilket trak isen nær overfladen indad og knækkede overfladen i koncentriske ringe. I virkeligheden er ringene den frosne optegnelse over en klippe kastet ned i en dam - en meget stor klippe og en meget stor dam. Forskerne har estimeret det oprindelige nedslags dimensioner ud fra de synlige ar; det viser sig, at dybden ned til det svage lag er seks til 15 kilometer, hvilket er en god overensstemmelse med værdierne fra tidevandsopvarmning- og boblemodellerne. Men nogle områder af Europas isskal kan være væsentligt tyndere end andre, et punkt forskerne fortsætter med at debattere.

NIMS båndene

Foruden sit kamera bærer Galileo rumfartøjet et nær-infrarød mapping spectrometer (NIMS instrumentet), som har analyseret lyset, der reflekteres af Europas overflade. Som forventet fandt NIMS de karakteristiske spektralbånd for vandis. Dog er båndene skæve og asymmetriske i form, et tegn på at en form for urenhed er blandet op i isen, især i områder, der forekommer mørke og rødlige ved synlige bølgelængder. En første mistænkt er et salt - specifikt magnesium sulfat. Hvis det stemmer, er der på Europa de største lagre af engelsk salt i solsystemet.
    Fordi salte alment er farveløse eller hvide, må der også være et andet materiale til stede for at redegøre for den rødlige farve. Identiteten af den forurener savner forskerne indtil videre, men svovl- eller jernforbindelser er under mistanke. Før Galileomissionen havde nogle forskere forudsagt, at et ocean på Europa sandsynligvis ville være temmeligt salt, givet at mange meteoritter indeholder salte. Europas overfladematerialer kan afsløre kemien fra et skjult brakocean.
    To andre Galileo instrumenter har støttet ocean hypotesen. Fotopolarimeter-radiometeret har målt temperaturer på satellittens overflade. Højere breddegraders temperaturer er unormalt høje om natten (med omkring fem Kelvin) sammenlignet med områder ved ækvator. Denne afvigelse kunne være en bekræftelse på at Europa, foruden den svage ydre opvarmning af Solens stråler, har en stærk indre varmekilde - nemlig tidevandsopvarmning.
    En af de mest fascinerende indikationer af Europas nuværende indre tilstand er kommet fra Galileos magnetometer hold. Galileos satellitter er druknet i Jupiters kraftige magnetfelt. Målinger af Europas omgivende felt viser afvigelser i forbindelse med satellitten. Disse afvigelser kan forklares, hvis Europa har et tilhørende magnetisk felt, men den magnetiske akse skulle hælde med en usædvanlig stejl vinkel til rotationsaksen. Alternativt kunne Europa under overfladen være en elektrisk leder, som reagerede på det tids-varierende Jovianske magnetiske felt med sit eget inducerede felt. I dette scenario skal den indre leder være lige så ledende som salt havvand.
    Det er overraskende, at magnetometeret også detekterede et lignende felt nær Callisto, en satellit med en meget kraterrig overflade, som ikke tyder på et ocean under overfladen. Det er en spændende mulighed, at alle solsystemets store issatellitter besidder salte oceaner under overfladen, levninger fra deres varmere fortid. Galileos endelige forbiflyvning af Europa, som er planlagt til den kommende januar, vil være dedikeret til at bestemme feltets kilde.
    Teori og observation har i kombination givet en stærk og selv-konsistent sag for et globalt ocean inde i Europa i dag. Men dets eksistens er ikke utvetydigt bevist. Varm is under overfladen kunne efterligne mange af et internt oceans virkninger. Skønt satellittens overflade er sparsomt forsynet med kratere og sandsynligvis geologisk ung, har eftersøgninger af igangværende geologiske aktiviteter været frugtesløse. Europa kunne i den nyeste fortid have haft et ocean, som nu er frosset fast. Der kun en måde at skabe sikkerhed: send et rumfartøj tilbage til Europa og gå i kredsløb denne gang.
    Det er præcis, hvad National Aeronautics and Space Administration planlægger at gøre. Europa Orbiter missionen kunne startes så tidligt som november 2003 og ville gå ind i Jupiters bane tre år senere. Omkring to år derefter ville den gå ind i kredsløb omkring Europa med en middelhøjde på kun 200 kilometer. Præcis sporing af dens position og højde ville kortlægge gravitationsfeltet og Europa i nok detaljer til at kunne spore tidevandets ebbe og flod, når månen ruller rundt om Jupiter. Hvis Europa har et hav under overfladen, burde månens overflade hæve og sænke sig 30 meter for hver 3,6 dags kredsløb; ellers vil tidevandsbulen kun ændre sig en meter. På denne måde ville Europa Orbiter give den definitive afprøvning af et ocean.
    Imens ville rumfartøjets kamera fotografere satellitten og dens radar ville undersøge dybderne under overfladen for smeltezoner. Afhængigt af isens temperatur og renhed, kunne radarsignalet måske endda gennemtrænge Europas isskorpe og detektere et ocean nedeunder, på samme måde som Antarktis' Lake Vostok fornylig blev kortlagt af radar under fire kilometers kold gletscheris [se box].
    Liv, som vi kender og forstår det, kræver tre grundlæggende ingredienser: energi, carbon og flydende vand. Europa kunne have alle tre. Tidevandsafbøjning burde opvarme klippekappen og føre til vulkanisme på Europas oceanbund. Ved vulkanske områder på Jordens oceanbund cirkulerer varmt vand gennem varm klippe og dukker frem rigt på kemiske næringsstoffer. Biologiske samfund trives ved disse varme oaser. Men de afhænger imidlertid i vid udstrækning af overfladens økosystem; mest bemærkelsesværdigt kommer ilten, der er opløst i havvandet, fra fotosyntese [se "Hot Springs on the Ocean Floor," af John M. Edmund og Karen von Damm; Scientific American, april 1983]. Europas liv i det dybe ocean ville på den anden side skulle klare sig selv. De til rådighed stående kemiske energikilder ville være meget begrænsede. Skønt mikrobeliv kunne klare sig, kunne biologisk komplekse og mangeartede organismer af den type, der bebor jorden, sandsynligvis ikke.
    Hvis Europa Orbiter missionen bekræfter eksistensen af et ocean under overfladen, ville det næste logiske trin være at undersøge overfladen på stedet. En lille robotlander kunne analysere en skovlfuld is for organiske forbindelser. I sidste ende kunne det være muligt for en robotundervandsbåd at smelte en sti gennem isskallen. Europas brakvand, som vi nu kun gætter på med indirekte midler, ville så kendes på første hånd. Det kunne vise sig, at vi trods alt ikke er alene i solsystemet.

Yderligere information

Geology of Europa. Baerbel K. Lucchitta and Laurence A. Soderblom in Satellites of Jupiter. Edited by David Morrison. University of Arizona Press, 1982.

Evidence for a Subsurface Ocean on Europa. Michael H. Carr et al. in Nature, Vol. 391, pages 363-365; January 22, 1998.

Europa: Initial Galileo Geological Observations. Ronald Greeley et al. in Icarus, Vol. 135, pages 4-24; September 1998.

The New Solar System. Fourth edition. Edited by J. Kelly Beatty, Carolyn Collins Petersen and Andrew Chaikin. Cambridge University Press, 1998.

The Galileo project site is at www.jpl.nasa.gov/galileo on the World Wide Web.

*Robert T. Pappalardo, James W. Head og Ronald Greeley har arbejdet sammen på Galileo billedholdet i adskillige år. Pappalardo lærte at sætte pris på Jupiters satellitter under Voyager møderne i 1979, da han var i gymnasiet. Nu er han forskerassocieret ved Brown University, han har også arbejdet med forskellige videnskabsmuseer for at udvikle shows og udstillinger om planetopdagelser. Head begyndte sin karriere med at hjælpe med at vælge Apollo landingspladser og træne astronauter. Siden dengang har han været geologiprofessor på Brown og deltager i næsten hver planetmission. Han har samarbejdet med russiske forskere i adskillige årtier begyndende da jerntæppet var lige så meget en videnskabelig barriere som en politisk. Greeley er en anden veteran i planetvidenskab. Han begyndte at arbejde for NASA mens han var på en militær opgave i tiderne før Apollo. Han undersøgte, hvordan geologiske principper kunne anvendes på ikke-Jordiske objekter - stadig en ny ide dengang - han blev ved rumagenturet. Han er nu professor ved Arizona State University.

Fra The Hidden Ocean of Europa, Scientific American, oktober 1999, ss. 34-43.

14. februar, 2006.

Indhold
Europa: En iskugle
Index