Gejzery Enceladusa: niespodzianka w świetle gwiazd

Przyciąganie grawitacyjne Saturna zmienia ilość cząsteczek emitowanych z południowego bieguna Enceladusa - aktywnego księżyca Saturna, Więcej cząsteczek sprawia, że pióropusz wydaje się dużo jaśniejszy na zdjęciu w podczerwieni po lewej. Źródło: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona/Cornell/SSI
Przyciąganie grawitacyjne Saturna zmienia ilość cząsteczek emitowanych z południowego bieguna Enceladusa – aktywnego księżyca Saturna, Więcej cząsteczek sprawia, że pióropusz wydaje się dużo jaśniejszy na zdjęciu w podczerwieni po lewej. Źródło: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona/Cornell/SSI

Podczas niedawnej sesji obserwacyjnej, sonda Cassini obserwowała jasną gwiazdę przechodzącą za pióropuszami gazu i pyłu emitowanymi z południowych obszarów Enceladusa – jednego z lodowych księżyców Saturna. Początkowo, dane z obserwacji sprawiły, że naukowcy zaczęli drapać się po głowach. To co zobaczyli nie zgadzało się z ich przewidywaniami.

Obserwacje doprowadziły do zaskakujących wniosków dotyczących niesamowitej aktywności geologicznej Enceladusa: okazuje się, że co najmniej niektóre wąskie dżety emitowane z powierzchni księżyca tryskają z większą intensywnością gdy księżyc znajduje się na swojej orbicie dalej od Saturna, a nie bliżej.

Pióropusze gejzerów na Enceladusie widoczne nad powierzchnią południowego bieguna sięgają na wysokość setek kilometrów. Źródło: NASA/JPL/Space Science Institute
Pióropusze gejzerów na Enceladusie widoczne nad powierzchnią południowego bieguna sięgają na wysokość setek kilometrów. Źródło: NASA/JPL/Space Science Institute

W jaki sposób i dlaczego tak się dzieje – jak na razie nie wiemy, ale obserwacje odkrywają przed naukowcami nowe możliwości badania zaskakującej, podpowierzchniowej „hydrauliki” tego lodowego globu.  Astronomowie z zaangażowaniem poszukują jakichkolwiek wskazówek, ponieważ pod lodową skorupą Enceladus skrywa globalny ocean, w którym mogą występować składniki umożliwiające powstanie tam życia.

Podczas pierwszych lat obserwacji po dotarciu do Saturna w 2004 roku, sonda Cassini odkryła, że Enceladus charakteryzuje się potężnymi gejzerami gazu i ziaren lodu tryskającymi z obszaru otaczającego biegun południowy tego księżyca.  Pióropusze mają wysokość setek kilometrów nierzadko równą kilku średnicom tego małego księżyca. Liczne, wąskie dżety materii tryskając z powierzchni wzdłuż potężnych pęknięć znanych jako „pasy tygrysie”. Źródłem tej aktywności jest podpowierzchniowy ocean słonej, ciekłej wody, która ucieka w przestrzeń kosmiczną.

Sonda Cassini z czasem dowiodła, że ponad 90 procent materii w gejzerach to para wodna. Gaz ten unosi ziarna pyłu w przestrzeń kosmiczną, gdzie promieniowanie słoneczne się o nie rozprasza sprawiając, że gejzery są widoczne dla kamer sondy. Co więcej, sonda Cassini nawet zebrała nieliczne cząsteczki materii emitowanej przez gejzery i zbadała ich skład chemiczny.

Wąskie dżety gazu i drobinek lodu emitowane z południowych obszarów Enceladusa przyłączają się do gigantycznych pióropuszy księżyca. Cykl aktywności tych małych dżetów może prowadzić do znacznego rozjaśniania całego gejzeru. Źródło: NASA/JPL/Space Science Institute
Wąskie dżety gazu i drobinek lodu emitowane z południowych obszarów Enceladusa przyłączają się do gigantycznych pióropuszy księżyca. Cykl aktywności tych małych dżetów może prowadzić do znacznego rozjaśniania całego gejzeru. Źródło: NASA/JPL/Space Science Institute

Wcześniejsze obserwacje za pomocą sondy Cassini pozwoliły zaobserwować, że gdy Enceladus zbliżał się do najdalszego punktu swojej eliptycznej orbity wokół Saturna wyrzucał trzy razy więcej lodowego pyłu niż w innych miejscach orbity. Jednak aż do teraz naukowcy nie mieli okazji sprawdzić czy część gazowa erupcji – która odpowiada za większość wyrzucanej masy – także przybiera na intensywności w tym czasie.

11 marca 2016 roku podczas dokładnie zaplanowanych obserwacji, Cassini zwróciła swoje oczy na gwiazdę Epsilon Orionic, centralną gwiazdę pasa Oriona.. W odpowiednim momencie Enceladus i jego gejzery przemknęły przed gwiazdą. Zainstalowany na pokładzie sondy Cassini spektrometr UVIS (ultraviolet imaging spectrometer) zmierzył w jaki sposób para wodna zawarta w pióropuszu przyciemniła promieniowanie gwiazdy w zakresie ultrafioletowym, co pozwoliło na zbadanie ilości gazu w gejzerach. Z uwagi na fakt, że w tym miejscu orbity zazwyczaj obserwujemy dużo więcej pyłu, naukowcy zakładali, że gejzer będzie emitował dużo więcej gazu, który z kolei napędza ten pył.

Ku zdumieniu naukowców, nie udało się zaobserwować dużego wzrostu emitowanych ilości pary wodnej. Instrument UVIS zarejestrował zaledwie niewielki wzrost – około 20-procentowy.

Jeden z naukowców misji Cassini, Candy Hansen szybko zabrała się do pracy, starając się zrozumieć procesy odpowiadające za takie wyniki obserwacji. Hansen, członkini zespołu odpowiadającego za instrument UVIS odpowiadała za planowanie tych obserwacji. „Początkowo skłanialiśmy się ku najprostszemu wyjaśnieniu, jednak dane kazały nam bardziej wgłębić się w temat,” mówi. Okazało się, że aby zrozumieć co się dzieje trzeba się przyjrzeć temu co się dzieje bliżej powierzchni księżyca.

Hansen wraz ze współpracownikami skupiła swoją uwagę na jednym dżecie znanym nieformalnie pod nazwą „Bagdad I”. Naukowcy odkryli, że choć ilość gazu w całym pióropuszu nie zmieniła się diametralnie, ten konkretny dżet był cztery raz silniejszy niż w innych miejscach orbity Enceladusa. Zamiast odpowiadać za zaledwie 2 procent ilości pary wodnej w pióropuszu, jak to wcześniej miało miejsce, ten niewielki dżet odpowiadał teraz za aż 8 procent gazu.

Powyższe informacje odkryły przed nami coś delikatnego, ale niezmiernie ważnego – mówi Larry Esposito, kierownik zespołu instrumentu UVIS z Uniwersytetu Kolorado w Boulder. „Uważaliśmy, że ilość pary wodnej w całym gejzerze ulega silnym zmianom pod wpływem oddziaływań pływowych ze strony Saturna. Okazuje się jednak, że tak naprawdę zmieniają się niewielkie dżety.” To  właśnie ten wzrost aktywności dżetów sprawia, że więcej ziaren lodu unoszonych jest w przestrzeń kosmiczną, gdzie obserwuje je sonda Cassini.

Nowe obserwacje pozwalają nałożyć ograniczenia na to co może dziać się pod powierzchnią księżyca, w pęknięciach i szczelinach, przez które woda z podpowierzchniowego oceanu ucieka w przestrzeń kosmiczną.

Dzięki nowym danym uzyskanym przez sondę Cassini, Hansen może teraz przekazać pałeczkę teoretykom: „My możemy obserwować tylko to co się dzieje nad powierzchnią, teraz specjaliści od modelowania muszą wziąć uzyskane przez nas dane i dojść do tego co się dzieje pod powierzchnią.”

Źródło: NASA