Nieziemskie erupcje pomogą odnaleźć życie pozaziemskie

W Sekcji Archeo prezentujemy archiwalne teksty ze „Świata Nauki” i „Wiedzy i Życia”. Wciąż aktualne, intrygujące i inspirujące.

Ceres to największy obiekt kosmiczny w głównym pasie planetoid znajdującym się pomiędzy orbitami Marsa i Jowisza. Jego średnica wynosi 940 km i jest na tyle duża, że został zaliczony do planet karłowatych, nowej kategorii ciał niebieskich, stworzonej kilkanaście lat temu przez Międzynarodową Unię Astronomiczną. Od sześciu lat Ceres ma swojego sztucznego satelitę. To sonda Dawn, która co prawda już zakończyła misję, ale jeszcze przez kilka dekad będzie okrążała planetkę, zanim w końcu rozbije się o jej powierzchnię. Gdy Dawn zameldowała się na orbicie Ceres w marcu 2015 r., zdumieni badacze zobaczyli w pobliżu równika wyniosłą izolowaną górę o wysokości 4 km i średnicy u podstawy ponad 20 km. Rozmiarami przypominała więc Mont Blanc. Rozmiarami, ale nie kształtem. Jej wierzchołek był rozległy i płaski, a strome zbocza pokrywały jasne smugi jakiejś zastygłej materii.

Nasuwało się tylko jedno skojarzenie – z ziemskimi wulkanami. Jednak wulkany na Ziemi zawdzięczają swoje istnienie temu, że jest ona gorącym globem wypełnionym w dużym stopniu płynną materią skalną, która wydostaje się na powierzchnię pod postacią lawy. Tymczasem Ceres jest zimna zarówno na powierzchni, gdzie temperatury nie wzrastają powyżej ok. –70°C, jak i we wnętrzu, które dawno wystygło. Skąd więc wziął się tam wulkan i co z niego wypływało? Pytanie to naukowcy zadawali sobie przez pięć lat, aż w końcu doszli do wniosku, że góra – nadano jej nazwę Ahuna Mons – wyrosła w wyniku wydostawania się na powierzchnię lodowo-błotnistej brei zawierającej poza wodą i uwodnionymi minerałami także duże ilości soli. Błotnista solanka spływała po zboczach, a następnie zastygała, tracąc wodę i zmieniając się w solną skorupę.

Wszystko to działo się względnie niedawno. Naukowcy na podstawie analizy zdjęć i danych przesłanych przez sondę ocenili, że Ahuna Mons wyrosła prawdopodobnie w ciągu ostatnich 200 mln lat. Świadczą o tym stromość jej zboczy, brak śladów uderzeń meteorytów oraz istnienie wielu dobrze zachowanych drobnych form terenu, które musiały powstać w ostatnim czasie. Tak, w ostatnim czasie. Dla nas 200 mln lat to oczywiście wieczność, wszak dinozaury zniknęły przed zaledwie 66 mln lat, ale Ceres, podobnie cały Układ Słoneczny, liczy 4,6 mld lat i gdyby cały ten długi okres skrócić do jednej godziny, to zniknięcie dinozaurów na Ziemi nastąpiłoby przed minutą, a Ahuna Mons powstałaby w ciągu ostatnich trzech minut. Z tego wynika, że nie tak dawno planetka była aktywna geologicznie. Kto wie, może nadal jest.

To geologia niepodobna do tej, którą znamy z Ziemi, ale na Ceres sporo się dzieje. Niemal na pewno nie jest ona martwa. W jej wnętrzu wciąż może być wystarczająco dużo ciepła, aby mogło ono zmienić twardą zmrożoną materię w rozmokłą maź, która od czasu do czasu zostaje wypchnięta na powierzchnię. Najnowsze, opublikowane w 2020 r. analizy pomiarów pola grawitacyjnego Ceres – pomiarów wykonanych oczywiście przez sondę Dawn, zanim zamilkła – sugerują, że pod sztywną skorupą, której grubość oszacowano na 40 km, znajduje się warstwa gęstej półpłynnej materii, będącej mieszaniną wody, soli i cząstek mineralnych. „Duża koncentracja soli znacznie obniża temperaturę zamarzania tej substancji, która nawet przy –40˚C może wciąż mieć konsystencję cieczy” – wyjaśnia Ottaviano Ruesch, geolog z Europejskiej Agencji Kosmicznej, współautor badań.

Zresztą Ahuna Mons nie jest jedynym miejscem na Ceres, gdzie takie szlamowate błoto wypływało kiedyś na powierzchnię. Na dnie jednego z obniżeń terenu sonda dostrzegła warstwę zastygłej brei, która według szacunków miała więcej niż 2 mln lat. Na naszej godzinowej linijce czasu trwania Układu Słonecznego nie jest to nawet sekunda. Ruesch i jego współpracownicy podejrzewają, że plastyczna materia skrywająca się pod solną skorupą nie stoi w miejscu, lecz krąży, wznosząc się powoli i opadając tak jak magma w płaszczu Ziemi, a gdy natrafi na pęknięcie w tej skorupie, wędruje nim do góry. „Gdy się dokładnie przyjrzeć powierzchni Ceres, zobaczymy na niej zatarte ślady wielu takich wulkanów jak Ahuna Mons. Ten glob, choć karłowaty, nie zamarzł do końca. W jego wnętrzu wciąż znajduje się sporo wody, która kiedyś znajdowała się również na powierzchni” – mówi Ruesch. Czy podobnie jest na innych planetach karłowatych?

Termosy pełne wody

Do kategorii planet karłowatych zaliczono na razie pięć obiektów. Z tej piątki najbliżej jest nam do Ceres, od której dzieli nas jakieś 250 mln km. Pozostała czwórka to obiekty transneptunowe, nazwane tak, ponieważ ich orbity znajdują się daleko za Neptunem – ósmą planetą Układu Słonecznego. Najbardziej znany z nich to oczywiście Pluton, którego orbita znajduje się w odległości ok. 6 mld km od Ziemi. Sondzie New Horizons, poruszającej się ze średnią prędkością 58 500 km/h, lot do Plutona zajął dziewięć lat. Zbliżyła się do niego kilka miesięcy po tym, jak Dawn stała się satelitą Ceres. 14 lipca 2015 r. znalazła się w odległości 12 500 km od niego, wykonując serie obserwacji i pomiarów, które zdumiały naukowców chyba jeszcze bardziej niż dane z Ceres.

Na obrazach przesłanych przez New Horizons (zmierzająca teraz ku krańcom Układu Słonecznego) krajobraz Plutona był w wielu miejscach zadziwiająco młody. Z analiz wynikało, że rozległa równina Sputnik Planitia, która ma rozmiary Ukrainy, ukształtowała się mniej niż 100 mln lat temu. Wynik ten kompletnie zaskoczył badaczy. Pluton znajduje się średnio 40 razy dalej od Słońca niż Ziemia i 15 razy dalej niż Ceres. Temperatura na jego powierzchni wynosi znacznie poniżej –200°C. To kraina lodu – zmrożonej wody, azotu, tlenku węgla czy metanu. Dlatego sądzono, że wnętrze Plutona wystygło dawno temu. Odmłodzone oblicze rozległej równiny temu przeczyło – takiego odświeżenia rzeźby terenu mogły dokonać tylko siły geologiczne drzemiące w głębi globu. Na obrazach, które wykonała sonda New Horizons, widać też masywy górskie wznoszące się na wysokość nawet 3 km. Niektóre z tych gór, np. Wright Mons, mają płaskie wierzchołki z zagłębieniami pośrodku.

Czyżby na Plutonie znajdowały się wulkany? Tak uważa część badaczy. Sądzą, że wypływa nimi woda, która znajduje się pod powierzchnią globu. Ale jakim cudem woda mogła przetrwać miliardy lat w tak chłodnej okolicy? Skąd brało się ciepło, które nie pozwoliło jej zamarznąć? W 2019 r. o odpowiedź pokusili się japońscy naukowcy. Po wykonaniu setek symulacji komputerowych doszli do wniosku, że pod lodową skorupą Plutona znajduje się gruba izolacja, która od miliardów lat nie pozwala uciec ciepłu generowanemu przez glob. Izolację tworzą hydraty metanu – podobne do lodu kryształy wody zawierające gaz. Pod ich grubą warstwą zachował się ocean, z którego woda, wzbogacona w różne związki chemiczne, wydostaje się od czasu do czasu na powierzchnię albo szczelinami, albo też kominami wulkanicznymi. Japończycy podejrzewają zresztą, że taki metanowy termos, trwały i szczelny, znajduje się również we wnętrzu Ceres, a także wielu innych zmrożonych na wierzchu planetek, dzięki czemu są one bogate w wodę podpowierzchniową. „A tam, gdzie jest woda, może też być życie. Zbyt wcześnie uznaliśmy wszystkie te małe globy, samotnie okrążające Słońce, za zimne i martwe” – komentował Shunichi Kamata z Uniwersytetu Hokkaido, główny autor japońskich badań (opublikowało je czasopismo „Nature Geoscience”).

Wulkany, czyli życie?

Odkrycia dokonane na Ceres i Plutonie można uznać za przełomowe. Dzięki nim planety karłowate dołączyły do wąskiego, rzec można, elitarnego grona globów, które mogą być aktywne geologicznie, a więc także odmładzane przez wulkanizm. Jest wśród nich oczywiście Ziemia, której zasoby ciepła wewnętrznego są olbrzymie w porównaniu z tempem jego oddawania do otoczenia. Pochodzi ono częściowo z czasu narodzin planety, a częściowo jest generowane na bieżąco podczas rozpadu pierwiastków promieniotwórczych obecnych we wnętrzu planety. Ziemskie wulkany istnieją właśnie dzięki temu ciepłu umykającemu z globu. To ono odpowiada za rozbicie i podzielenie skalnej otoczki Ziemi na fragmenty zwane płytami litosfery, które wędrują niestrudzenie wraz ze znajdującymi się na nich kontynentami. Wulkany wyrastają albo na granicach płyt litosfery, albo też (rzadko) na ich środku w miejscach zwanych plamami gorąca. To punkty, gdzie potężnym strumieniom magmy – tzw. pióropuszom płaszcza ziemskiego – udaje się przedrzeć na powierzchnię.

Wielu naukowców uważa, że życie na Ziemi nie przetrwałoby długo, a być może nigdy by na niej nie powstało, gdyby nie potężne siły geologiczne. To geologia utrzymuje odpowiednią – dodatnią, ale nie przesadnie wysoką – temperaturę dolnych warstw atmosfery, kontrolując w niej stężenie gazów cieplarnianych. To, co wyemitują wulkany, jest usuwane z powietrza przez wietrzenie chemiczne, a następnie odprowadzane do wnętrza globu w formie związków węgla.

Ziemskie młyny geologiczne mielą powoli, ale – jeśli nie liczyć kilku awarii, takich jak wymieranie permskie – niezawodnie. To dobrze, bo na przykładzie Marsa widać, co się dzieje, kiedy się kompletnie zepsują. Dopóki wnętrze Czerwonej Planety było gorące, dwutlenek węgla krążył pomiędzy skałami a powietrzem: gaz cieplarniany usuwany z atmosfery za sprawą wietrzenia powracał do niej dzięki wulkanom. Gdy jednak marsjańskie wulkany ucichły, gaz zniknął z atmosfery. Powierzchnia planety stała się zimna i sucha, a na dodatek zaczęła być bombardowana zabójczymi dawkami słonecznego ultrafioletu, jako że stygnąca od środka planeta straciła równocześnie swoją osłonę magnetyczną. W końcu straciła też całą hydrosferę i atmosferę.

Dlaczego Mars, na którym znajdują się największe formy wulkaniczne w Układzie Słonecznym, włącznie z liczącym 26 km wysokości stożkiem Olympus Mons, wystygł? Cóż, okazał się za mały i nie zachował dostatecznie dużo ciepła wewnętrznego. Był gorący i aktywny, a wystygł i stał się obojętny. Ale czy martwy geologicznie? Jeszcze niedawno wykazywał pewne oznaki życia. Sonda Mars Express wypatrzyła na wulkanicznym płaskowyżu Elysium Planitia potoki lawy liczące najwyżej 2,5 mln lat, a w listopadzie 2020 r. grupa badaczy z University of Arizona i Smithsonian Institution dojrzała w regionie zwanym Cerberus Fossae ślady po erupcji, która – jak oceniają – nastąpiła zaledwie 53 tys. lat temu. To już właściwie współczesność. Może więc nie należy przedwcześnie uśmiercać Marsa, nawet jeśli prawdopodobieństwo przebudzenia się któregoś z jego wulkanów jest dziś bliskie zeru? Nie ma za to wątpliwości, że martwy geologicznie jest maleńki Merkury, na którym wszelki wulkanizm zanikł jakieś 3,5 mld lat temu, czyli znacznie wcześniej niż na naszym Księżycu, którego najmłodsze lawy liczą około miliarda lat.

Ze skalistych planet Układu Słonecznego pozostała nam jeszcze Wenus, nasza siostra z piekła rodem. To najbardziej wulkaniczna planeta w Układzie Słonecznym. Jej powierzchnia jest jedną wielką pokrywą lawową z tysiącami stożków – najwyższy Maat Mons wznosi się na wysokość 8 km. Znajdziemy tu również rozległe płaskie wulkany podobne do krowich placków oraz dziwne formy terenu, które badaczom skojarzyły się z sieciami pajęczymi i dlatego nazwali je arachnoidami. Dawno temu wulkany na Wenus dymiły tak intensywnie, że wtłoczyły do atmosfery gigantyczne ilości gazów cieplarnianych, których nie usuwała tektonika płyt. Uruchomiły one niekontrolowany efekt cieplarniany, co doprowadziło do gwałtownego wzrostu temperatury – obecnie wynosi ona 460°C – i w konsekwencji do wyparowania oceanów. Intensywny wulkanizm na Wenus to przeszłość, ale ostatnie obserwacje sugerują, że przynajmniej kilka wenusjańskich stożków jeszcze się nie poddało. W 2020 r. na łamach „Science Advances” grupa badaczy z ośrodka Lunar and Planetary Institute w Houston opisała świeże pokrywy lawowe, których wiek oszacowano na… kilka lat.

Wygląda na to, że gdyby nie chmury kwasu siarkowego, które zasłaniają nam Wenus, moglibyśmy od czasu do czasu zobaczyć erupcję któregoś z jej wulkanów albo przynajmniej lawę wypływającą z którejś ze szczelin. Szkoda, ale… są w Układzie Słonecznym inne niż Ziemia globy, które oferują nam takie atrakcje. Znajdują się one daleko za orbitą Marsa.

Trzy księżyce (a może cztery)

Nie, nie chodzi w tym przypadku o Ceres i Plutona, które – choć mogą się pochwalić względnie młodym wulkanizmem – akurat teraz pauzują. Chodzi o trzy inne globy. Pierwszym z nich jest Io, jeden z największych księżyców Jowisza. Pierwsza zobaczyła go z bliska sonda Voyager 1 w 1979 r. Dostrzegła m.in. erupcję niebieskawej mgiełki gazów i pyłów wyrzuconych na wysokość setek kilometrów. Takiego widowiska nikt się nie spodziewał. Od tego czasu na Io naliczono dzięki przelotom kolejnych sond grubo ponad setkę aktywnych wulkanów, a także rozległe zagłębienia wulkaniczne, takie jak Loki Patera o średnicy 200 km, z których wylewają się wielkie potoki lawowe o długości setek kilometrów. Temperatura tej lawy przekracza 1000°C.

Io to dziś najbardziej wulkaniczny glob w Układzie Słonecznym. Dlaczego jest taki gorący, chociaż znajduje się znacznie dalej od Słońca niż Mars? Dlaczego nasz Księżyc wystygł dawno temu, a na zbliżonej do niego rozmiarami i masą Io panuje ukrop? Naukowcy rozgryźli tajemnicę tego księżyca i jemu podobnych. Kluczem jest bliskie sąsiedztwo macierzystej planety, najlepiej odpowiednio dużej. Io okrąża Jowisza w odległości ok. 400 tys. km. Zbliżony dystans dzieli Ziemię i Księżyc, tyle że nasza planeta ma ponad 300 razy mniejszą masę od Jowisza. Jego oddziaływanie grawitacyjne na Io jest znacznie większe. Konsekwencją jest powstanie potężnych sił pływowych. Równocześnie Io jest też przyciągana, choć oczywiście znacznie słabiej, przez inne duże jowiszowe księżyce. Poddana tym zmiennym siłom jest nieustannie deformowana w różnych kierunkach, a amplituda tych pływów może sięgać 100 m. W na przemian rozciąganych i ściskanych skałach pojawia się tarcie, które rozgrzewa glob do bardzo wysokich temperatur.

Za sprawą ciepła pływowego na krótką listę współczesnych globów wulkanicznych trafił też Enceladus – maleńki księżyc Saturna oddalony od niego o zaledwie 238 tys. km. Enceladus ma tylko 500 km średnicy i powinien być bryłą lodu z niewielkim mineralnym ziarnem w środku. A tymczasem przyciąganie wielkiej planety z jednej strony oraz innych jej księżyców z drugiej sprawiło, że ulokowany w takim grawitacyjnym imadle Enceladus stał się jednym z największych dziwadeł w Układzie Słonecznym. W 2005 r. maleństwu przyjrzała się dokładniej sonda Cassini. Jego powierzchnia pokryta jest względnie świeżym lodem, który odbija niemal w całości promieniowanie słoneczne. Dlatego temperatura na księżycu wynosi ok. –200°C.

Nieoczekiwanie sonda dostrzegła na jego południowym biegunie podłużne pęknięcia, z których potężne kriowulkany wystrzeliwały na wysokość ponad 100 km nie gorącą lawę, ale mieszankę zmrożonej wody i związków chemicznych. Skąd wzięły się tak potężne erupcje na tak małym księżycu? Czemu pęknięcia nie zamarzają? Czyżby skorupa lodowa była cienka i krucha, a pod nią znajdowała się woda w stanie ciekłym? Tropiciele pozaziemskiego życia szybko uznali Enceladusa za jeden z najbardziej obiecujących obiektów. W 2009 r. naukowcy z NASA ogłosili, że kriowulkany to ujścia kanałów łączących powierzchnię księżyca z ciepłą, prawdopodobnie ciekłą wodą znajdującą się pod lodem. Tymi kanałami woda i gazy są gwałtownie wyrzucane w przestrzeń kosmiczną. Wkrótce inna grupa badaczy poinformowała o zidentyfikowaniu „znacznych ilości soli sodowych” w spreju wyrzucanym przez Enceladusa. To wskazywało, że woda w tym oceanie podlodowym jest słona i silnie zasadowa. W 2015 r. gruchnęła wieść, że w wyrzucanej spod lodu materii obecne są drobiny krzemionki, powstające wtedy, gdy z dna oceanu wypływa bardzo gorąca woda wraz z rozpuszczonymi w niej minerałami i pierwiastkami. To sugerowało, że na dnie oceanu Enceladusa może być w niektórych miejscach bardzo gorąco. Być może są tam źródła hydrotermalne podobne do tych, które znamy z ziemskich oceanów – spekulowali badacze. Jak wiemy, na Ziemi w pobliżu takich gorących źródeł kwitnie życie. Tylko w jeden sposób można to sprawdzić: posyłając w kierunku małego księżyca sondę, która zapoluje na materię wyrzucaną z jego lodowych wulkanów.

Teoretycznie, ale to już raczej fantazjowanie, taką sondę warto posłać do jeszcze jednego globu, który może być rozgrzewany ciepłem tarcia pływowego. To Tryton – największy księżyc Neptuna. Jak się przypuszcza, ta dawna planeta karłowata została przechwycona przez gazowego olbrzyma i powoli się ku niemu zbliża. Dlatego Tryton (temperatura jego powierzchni wynosi –235°C) może mieć tak jak trochę mniejszy od niego Pluton warstwę hydratów metanu, pod którą kumuluje się ciepło generowane wewnątrz globu. Dzięki temu ciepłu pod lodową skorupą Trytona mogła przetrwać woda w stanie ciekłym. Sonda Voyager 2 (przeleciała koło księżyca w 1989 r.) wypatrzyła i sfilmowała obłoki azotu wyrzucane z lodowych wulkanów na wysokość 8 km. Prawdopodobnie dzięki tym erupcjom oblicze Trytona jest nadzwyczaj gładkie i jednolite. Wszystko przykrywa azot, który po wyrzuceniu przez wulkany skrapla się, zamarza i opada, pokrywając księżyc gęstą kołdrą podobną do śniegu. Według jeszcze jednej hipotezy źródłem ciepła na Trytonie mogą być te skąpe ilości promieniowania słonecznego, które docierają do niego i przenikają przez azotową osłonę, ogrzewając ciemną warstwę lodu i minerałów znajdującą się poniżej.

Nawet jeśli tak jest, raczej nieprędko się tego dowiemy, bo chętni do sfinansowania wyprawy na Trytona nie ustawiają się w kolejce. O wiele szybciej powinniśmy się doczekać wyprawy na Enceladusa, który tak chętnie dzieli się zawartością swojego wnętrza. Na razie jednak żadna z kilkunastu propozycji nie zaczęła być realizowana, większość anulowano, a pięć wypraw znajduje się w fazie projektowania. Za to na ukończeniu są dwie misje, których celem będzie inny księżyc Jowisza – Europa. Przez pewien czas Enceladus zepchnął ją z czołówek gazet, ale ona też tryska fontannami materii pochodzącej z jej wnętrza. Dwie takie erupcje dostrzegł Teleskop Kosmiczny Hubble’a: jedną w 2014 r. na wysokość 50 km i jedną w 2016 r. na wysokość 100 km. W latach 90. Europie trochę przyglądała się z bliska sonda Galileo i dzięki temu wiemy, że jej lodowa powierzchnia jest spękana, a rysy na niej są względnie młode. Niemal na pewno pod lodem znajduje się ocean o głębokości kilkudziesięciu kilometrów, który – podobnie jak w przypadku Enceladusa – może mieć skalne dno, skąd żywe organizmy mogłyby czerpać energię i pokarm.

Tylko w jeden sposób można sprawdzić, czy takie właśnie warunki istnieją na Europie: posyłając w jej kierunku sondę, która zapoluje na materię wyrzucaną z kriowulkanów. Niestety, wyprawy do lodowych księżyców są drogie, długie i ryzykowne. Mimo to Europejska Agencja Kosmiczna przygotowuje się do wystrzelenia w 2022 r. sondy JUICE (ang. Jupiter Icy Moons Explorer), a dwa lata później NASA zamierza posłać swój pojazd Europa Clipper. Jeśli chcemy znaleźć życie gdzieś poza Ziemią, to Enceladus i Europa wydają się sensownymi celami, ale z tych dwóch globów ten drugi znajduje się znacznie bliżej.