Юпитер — История исследования спутника Юпитера Европы, Часть 1

История исследования спутника Юпитера Европы, Часть 1

В последние годы значительно возрос интерес к Европе - одному из четырех галилеевых спутников Юпитера. Космическая экспедиция Галилео получила данные, свидетельствующие о том, что на Европе под ледяной корой возможно есть океан жидкой воды. И эта новость породила предположения о существовании там жизни. Будущая миссия на Европу все еще ожидает финансирования (см. Europa Mission: Lost In NASA Budget.). Ее цель окончательно доказать или опровергнуть существование океана на Европе. Если результат положительный, то уже следующая миссия будет включать в себя управляемую подводную капсулу, которая расплавит корку льда и начнет исследовать внутренний океан. В этот статье я расскажу о различных теориях существования жизни на Европе. Многие статьи, книги и лекции, о которых я буду рассказывать, будут затрагивать не только Европу, но и другие галилеевы спутники Юпитера, - Каллисто и Ганимед. В 1970 году предполагалось наличие океанов и на этих двух спутниках (и это до сих пор не исключено). Для написания этой статьи, я часто использовал цитаты, чтобы не искажать суть вещей. Читатель, также, увидит много ссылок на важные материалы и на некоторые интересные фотографии, доступные через интернет.

Вокруг Юпитера вращается 16 известных астрономам лун. Четыре самые большие - Ио, Европа, Ганимед и Каллисто, которые были открыты Галилео в 1610 году. Саймон Мариус, одновременно с Галилео, открывший эти спутники, назвал их в честь героев греческой и римской мифологии. Но обычно они называются галилеевыми спутниками, а в научной литературе фигурируют как as JI, JII, JIII и JIV, в порядке удаления от Юпитера. До того, как Пионеры 10 и 11 начали исследовать систему Юпитера в 1973-74 годах, ученые изучали его луны с наземный телескопов. Уже в 1951 году, геофизик Х. Джеффрис предположил, что Каллисто может частично или полностью состоять из воды в форме льда. Это предположения появилось из-за низкой плотности и альбедо спутника. На лекции Американского Астрономического Общества в 1957 году астроном Г.П. Купер освещал его исследования световых спектрограмм галилеевых спутников, полученных в Обсерватории МакДональд.

После того, как он описал особенности Европы и Ганимеда, он сказал: "Есть одно реальное объяснение этому явлению, - JII и JIII покрыты снегов из H2O". В середине 60-х, дополнительное доказательство было найдено советским астрономом В.И. Морозовым, который написал: "Европа и Ганимед должны быть покрыты водяным льдом, если не полностью, то частично." Эти данные опять таки были получены при помощи спектрального анализа света. Затем, в начале 1970, различные астрономы смогли полностью подтвердить существовании ледяного льда на этих спутниках, анализируя данные поглощения поверхностью инфракрасных лучей света. Для примера, в статье "Галилеевы спутники: определение водяного льда" (Galilean Satellites: Identification of Water Frost, C.B. Pilcher, S.T. Ridgway, and T.B. McCord) ученые рассказали о результатах своих измерений отражения инфракрасного света от поверхности спутников при помощи наземного телескопа в обсерватории "Kitt Peak National Observatory". Они определили, что поверхность Европы на 50/100%, Ганимеда на 20/60%, а Каллисто на 5/25% покрыты водяным льдом. Это только одна из множества статей этого периоды, посвященных проблемам определения состава поверхности Галилеевых спутников.

Идею, что на Европе и других спутниках Солнечной системы, покрытых льдом, может существовать жидкий океан воды под их ледяной поверхностью, выдвинул Джон С. Льис (John S. Lewis) в статье "Satellites of the Outer Planets: Their Physical and Chemical Nature" в 1971 году. Это была теоретическая статья, описывающая модели внутренней структуры различных спутников нашей Солнечной системы. Данные для написания этой статьи были очень ограничены, поэтому Льюись пишет: "Мы должны расширить наши знания о химическом составе Солнца, а так же поведение основных химических элементов (типа воды) при низких температурах, для того чтобы строить какие-либо догадки о строении основных тел в нашей Солнечной системе". Льюис начинает статью так: "Устойчивая тепловая модель для ледяных спутников построена полностью на идеи получению энергии от радиоактивного распада. Из этого следует, что все Галилеевы спутники Юпитера и большие спутники Стурна, Урана и Нептуна вполне вероятно имеют расплавленные недры. И, скорее всего, они состоят их водных силикатов, в основном из жидкой воды богатой аммиаком. Такой "океан" покрыт тонкой ледяной коркой." Основная часть статьи описывает через математический аппарат процесс перераспределения тепла внутри спутников, который называется конвекция. Эти исследования основаны на предположениях о температуре поверхности спутников и на количестве Темпла, выделяемого при радиоактивном распаде в ядре ледяных лун. Основные предполагаемые элементы, участвующие в распаде, - уран, торий и радиоактивный калий. В конце статью Льюис, что океаны ледяных спутников предполагает наличие у этих тел собственного магнитного поля.

В более ранней своей статье "of the Outer Planets: Thermal Models" Льюис описал тепловую модель спутников Солнечной системы, рассматривая в основном Каллисто: "Устойчивая тепловая модель говорит о том, что недры сохраняют постоянный источник нагревания под аммиачной ледяной коркой, посредством распада долгоживущих радиоактивных элементов - калия, рана и тория. На сегодняшний день устойчивая тепловая структура для спутника Юпитера Каллисто (JIV) показывает наличие тонкой ледяной корки над глубокой жидкой мантией, состоящей в основном из водных силикатов и окиси железа". Через несколько лет в 1974 году, Льюис провел одну из девяти лекций из серии "Человек и космос" в Smithsonian Institution. В его лекции, "Внешние планеты" , рассматривались большие спутники Солнечной Системы в рамках его тепловой модели: "Смесь льда и горных пород, собранная в телах размером с Меркурий, разогревается сама посредством радиоактивного распада элементов в их недрах и становится расплавленной. Плотные породы оседают на ядре, поэтому можем предположить, что оно покрыто "грязью". Так остается тонкая корка льда, плавающая над толстой расплавленной мантией, состоящей из раствора воды и аммиака. Такая структура спутников еще не была обнаружена космическим аппаратом или посредством других наблюдений, но это указывает то, на что мы должны обращать внимание при исследованиях спутников внешних планет в нашей Солнечной системе."

Ранее упомянутые статьи Льюиса и некоторые другие теоретические документы, которые будут рассмотрены, основаны на теориях формирования молодой Солнечной системы. Юпитер и его система, вращающихся лун, может иметь ту же природу образования, что и Солнце с ее планетами. Подробности ранней истории можно проанализировать по современным данным - орбите, химическом составе, плотности и т.д. Статья "entitled Implications of Jupiter's Early Contraction History for the Composition of the Galilean Satellites" Дж. Б. Поллака и Р.Т. Рейнольдса была опубликована в 1974 году, в которой рассматривались теории формирования Юпитера и его спутников. Автор пишет: "Вычисления раннего гравитационного сжатия Юпитера указывают, что светимость планеты тогда была на величину больше, чем в настоящее время. Как вариант, можно предположить, что ледяные материалы, необходимые для образования спутников, вращались не далеко от самой планеты и в дальнейшем использовались для формирования ледяных лун. Предполагаем, что изменения плотности Галилеевых спутников в зависимости от расстояния до планеты, как раз, являются следствием вышеупомянутых процессов." Эти теории также предполагают то, что плотность Галилеевых спутников уменьшается с увеличением расстояния до Юпитера. Таким образом, Ио имеет самую большую плотность, а Каллисто самую низкую.

Международное Астрономическое Сообщество организовало конференцию в Cornell University в 1974 году, названная Планетарные Спутники (Planetary Satellites). Материалы с тем же названием были изданы в 1977 году, по редакцией Дж. Эй. Бернса (J.A.Burns), которые содержали 27 статей, суммирующие различные исследования спутников Солнечной системы с середины 70-ых. Большинство этих статей основаны на лекциях с этой конференции. Статья Дж. Дж. Консолмагно (G.J. Consolmagno) и Дж. С. Льюиса, названная Preliminary Thermal History Models of Icy Satellites, описывающие основные идеи и предположения идей тепловой модели, предложенной Льисом в 1971 году. Другие статьи касались колец Сатурна, атмосферы Титана, поверхности некоторых из спутников, теории формирования внешних планет и их спутников. Остальные статьи рассматривали орбиты лун, их изменение во времени, и феномен орбитального резонанса, что особенно интересно по отношению к Галилеевым спутникам.

Другая статья на конференции, названная Io's Surface and the Histories of the Galilean Satellites, авторов Ф. П. Фанале (F.P. Fanale), Т.В. Джонсона (T.V.Johnson) и Д.Л. Мэтсона (D.L.Matson), рассматривает возможную природу образования поверхности Ио. Наблюдения с наземных станций и при помощи Пионеров 10/11 показали, что Ио кардинально отличается от других Галилеевых спутников, Европы, Ганимеда и Каллисто. Авторы доказывают, что формирование Ио происходило практически без водных элементов, которые были вытеснены на поверхность и потом испарились в космос, образовывая соли на поверхности спутника: ""После рассмотрения данных и обобщения различных гипотез, мы пришли к выводу, что свойства Ио могут быть объяснены , если предположить, что поверхность спутника в основном покрыта солью "от испарения", которая образовалась путем расслоения (defluidization) недр Ио, перемещения солесодержащих веществ на поверхность и, в конце, испарением воды в космос: Поверхность Ио - хороший пример процесса дегидратации. На Европе этот процесс не завершен, кажется, что процесс образования "чистого" водяного льда на спутнике происходит быстрее, чем процесс дегидратации." На основе этих идей авторы разрабатывают модель тепловой истории Галилеевых спутников, которая отличается математическими методами от модели Льюиса и Консолмагно. Что касается Европы, их модель предполагает более тонкую внешнюю ледяную корку и только возможность существования жидкой водной мантии.

Пионер 10, достигнувший Юпитера и его системы, начал передавать данные в конце 1973 года. Это вызвало повышенный интерес к Юпитеру и его лунам и привело к планированию создания книг, посвященных последнему исследованию. Труд, представляющий собой 1200 страничный сборник под названием JUPITER: Studies of the interior, atmosphere, magnetosphere, and satellites, отредактированный Т. Герельс (T. Gehrels), был издан в 1976 году. Одна длинная статья Полака рассказывала о происхождении Юпитера и его спутников. Многие другие исследования рассматривали различные аспекты: атмосферу Юпитера, ионосферу, магнитное поле, радиационный пояс. Более 200 страниц посвящено спутникам Юпитера. Также, там была статья Льиса и Консолмагно, названная Structural and Thermal Models of Icy Galilean Satellites, в которой рассматривались уточненные модели Европы, Ганимеда и Каллисто. В документе описывались различные гипотезы ранней истории спутников и модели, основанные на компьютерных имитациях, разработанных Консолмагно. В заключении этой статьи авторы предложили основную из их моделей, которая предсказывает: толщина жидкого океана Каллисто 1000 км, покрытого 200 км слоем льда и горной породы; Ганимед может иметь 400-800 км жидкий океан под 100 км коркой льда; Европа возможно обладает 100 км океаном воды под 70 км слоем льда.

Здесь приведены несколько цитат Льюиса- Консолмагно: "Тепловая модель объясняет возможные внутренние структуры. Полное таяние и различие в ледяных компонентах Европы и Ганимеда предсказывается наличием источника внутреннего тепла." В этом разделе, в котором рассматриваются различные модели Европы в различные периоды ее истории (со времен формирования Юпитера), они пишут: "Спустя 250 миллионов лет, началось таяние, в результате чего разделились вода и каменистые отложения. Таяние происходило прямо на поверхности, поэтому мы наблюдает корку чистого льда." "Спустя 4.5 миллиардов лет, фактура поверхности превратилась в то, что мы сейчас видим. Тонкая корка льда покрывает конвективный океан воды, который охлаждает верхние слои каменного ядра. "

Обе миссии "Вояджер" прибыли к Юпитеру в 1979 году. В том же году вышли несколько научных трудов, значительно изменивших представление о теоретической модели. Первая статья под названием "Внутренняя структура основных спутников внешних планет", опубликованная Р.Т. Рейнольдсом и П.М. Кассеном, была написала в конце 1978 года. Этот документ бросил тень на уже сложившуюся модель галилеевых спутников Юпитера. Авторы утверждают, что корка льда менее 30 км будет нестабильной. Т.е. слой жидкой воды, нагретый путем радиоактивного распада в ядре, в конечном счете, замерз бы за короткий срок, если сравнивать общим возрастом спутников. Их математические выкладки основаны тепловой конвекции во льду. Если ледяная корка достаточно толстая, то число Рэлея достигнет критического значения, в результате чего лед станет нестабильным. Термическая же модель Консолмагно и Льюиса утверждает, что толщина льда на Ганимеде, Каллисто и Европе больше 30-и км. Таким образом, Рейнольдс и Кассен предполагают, что замерзшая корка льда покрывает галилеевы спутники полностью, а жидкая вода на них отсутствует. Однако, как оказалось, радиоактивный распад в ядре спутников - не единственный источник тепла. Необходимо учитывать огромное гравитационное поле Юпитера. Только через пару месяцев Рейнольдс и Кассен совместно с С. Дж. Пилом написали новую статью "Плавление Ио путем приливного воздействия". Вскоре Содерблюм в январе 1980 опубликовал статью, в которой были предсказаны вулканы на Ио. Всего через пару недель предположения были доказаны, когда Вояджер 1 передал первые фотографии поверхности Ио. Идея заключается в том, что силы тяготения, действующие на Ио со стороны Юпитер, должны значительно изменяться по мере вращения спутника вокруг своей планеты, создавая тем самым приливные силы. Галилеевы спутники двигаются вокруг Юпитера почти по круговой орбите. Но все же не совсем по кругу! Орбита Ио немного вытянута. Один оборот спутник делает за 42.5 часа. Это означает, что от точки с минимальным притяжением до точки с максимальным притяжением Ио проходит за 21 час. За это временя силы тяготения со стороны Юпитера на Ио изменяются на 17%. В результате происходит эффект приливов и отливов, которые приводят к нагреванию и плавлению недр спутника, следовательно, к вулканической активности Ио.

На Европу должен действовать похожий приливной эффект. Общее время обращения Европы вокруг Юпитера составляет примерно 85 часов, а вытянутость орбиты немного меньше, чем у Ио. Т.е. изменение действия гравитационных сил Юпитера на Европу составляет всего 4%. Возможно, что приливное воздействие действительно сохраняет воду в жидком состоянии под ледяной коркой, но только в том случае, если орбитальное взаимодействие Ио, Европы и Ганимеда очень древнее. Жидкая вода может быть причиной инея на поверхности спутника. Но если водная мантия полностью замерзла, приливной эффект не способен разогреть недры достаточно, чтобы растопить воду.

Читайте также: