Europa poszuka oznak życia na księżycach Jowisza

Naukowcy uważają, że we wnętrzach księżyców zalegają ogromne oceany, utrzymywane w stanie płynnym dzięki wstrząsom wywołanym przez potężne pole grawitacyjne Jowisza i chronione przed nieprzyjaznym promieniowaniem planety grubymi warstwami lodu. „Na Ziemi nauczyliśmy się, że tam, gdzie jest woda, często znajduje się życie” – mówi Mark Fox-Powell z Open University w Anglii. „W Układzie Słonecznym miejsca, gdzie występuje [ciekła] woda, są obecnie ograniczone do Ziemi oraz księżyców Jowisza i Saturna”. Ta ostatnia planeta i jej satelity, badane szczegółowo w latach 2004–2017 przez wspólną misję NASA i Europejskiej Agencji Kosmicznej Cassini-Huygens, wciąż kryją tajemnice, które naukowcy pewnego dnia poznają. Na razie wszystkie oczy skierowane są na Jowisza.

Nowa misja, której celem jest lot do największej planety naszego Układu Słonecznego i zbadanie możliwości istnienia życia na jej księżycach, właśnie się rozpoczęła. Stworzona przez Europejską Agencję Kosmiczną (European Space Agency; ESA) sonda JUICE – Jupiter Icy Moons Explorer (Badacz Lodowych Księżyców Jowisza) – została przetransportowana do Gujany Francuskiej w Ameryce Południowej, gdzie w kwietniu europejska rakieta Ariane 5 wyniosła ją w przestrzeń. Sześciotonowy statek kosmiczny JUICE będzie potrzebował ośmiu lat, aby dotrzeć do Jowisza, oszczędzając po drodze paliwo dzięki grawitacyjnym asystom Ziemi, Wenus i Marsa. W lipcu 2031 roku, po przybyciu w okolice Jowisza, zasilana energią słoneczną sonda skieruje swoje 10 instrumentów naukowych na trzy z czterech największych księżyców planety – Europę, Ganimedesa i Kallisto – o których sądzi się, że kryją podpowierzchniowe oceany. Głównym celem JUICE będzie największy księżyc Układu Słonecznego – Ganimedes. Po wstępnym rozpoznaniu sonda wejdzie na jego orbitę w 2034 roku. „Próbujemy określić, jakie są szanse zaistnienia życia na Ganimedesie” – mówi członkini zespołu JUICE Emma Bunce z University of Leicester w Anglii.

ESA nie jest jedyną agencją kosmiczną, która ma na celowniku Jowisza. Koncepcja, która finalnie przeobraziła się w JUICE, pojawiła się w 2008 roku jako część wspólnego projektu z NASA o nazwie Europa Jupiter System Mission (Misja do Układu Europa-Jowisz; EJSM). Projekt ten zakładał, że ESA zbuduje sondę ukierunkowaną na Ganimedesa, a NASA skonstruuje sondę mającą zająć się Europą. Problemy z finansowaniem, jakie pojawiły się w USA, doprowadziły jednak do tego, że na początku 2010 roku NASA wycofała się z EJSM, pozostawiając Europę samą sobie. „Nie było pieniędzy” – mówi Louise Prockter z Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, która należała do amerykańskiego zespołu składającego wniosek. „To uśmierciło część dotyczącą Europy”. Sytuacja była rozczarowująca, ale nie niespodziewana. „Takie rzeczy się zdarzają” – stwierdza Michele Dougherty z Imperial College London, która pracowała nad europejską częścią EJSM.

Odkupienie przyszło w 2013 roku, kiedy to dzięki wysiłkom mającym na celu zbadanie Europy NASA otrzymała od Kongresu ponowne wsparcie i finansowanie. Początkowo nazwany Europa Multiple Flyby Mission (Misja Wielokrotnego Przelotu Obok Europy), amerykański projekt ostatecznie zyskał nazwę Europa Clipper, na cześć kliprów – handlowych żaglowców z XIX wieku. Doszło do odrodzenia międzynarodowej współpracy, chociaż „jest ona znacznie ograniczona” – mówi Prockter. Szacuje ona, że możliwe będzie przeprowadzenie około 70% pierwotnie planowanych wspólnych badań. Dzięki obu misjom nasza wiedza o Jowiszu i jego księżycach znacznie się poszerzy. Statki kosmiczne przekażą nam informacje, czy w podpowierzchniowych oceanach niektórych z tych globów może istnieć życie, kładąc podwaliny pod późniejsze misje mające na celu bezpośrednie poszukiwanie dowodów na istnienie takiego życia, być może nawet poprzez zanurkowanie w samych oceanach. Nie możemy jeszcze podróżować do obcych globów krążących wokół innych gwiazd, ale Jowisz też oferuje niezłe możliwości.

Pierwsze księżyce

Strefa Jowisza jest często uważana za miniaturowy układ planetarny z powodu złożoności i różnorodności jego księżyców – zwłaszcza czterech największych, tzw. księżyców galileuszowych, nazwanych na cześć włoskiego astronoma Galileusza, który odkrył je w 1610 roku. Ich odkrycie wstrząsnęło ludzką wiedzą o Wszechświecie, ujawniając pierwsze znane obiekty krążące wokół ciała, które nie jest ani Słońcem, ani Ziemią, a tym samym potwierdzając kopernikański model kosmosu. Obecnie wiadomo, że Jowisz ma 92 naturalne satelity. Jednakże nawet Galileusz prawdopodobnie nie był w stanie przewidzieć, jak bardzo, w 400 lat później, fascynujące okażą się jego księżyce, i jak wielkie mogą mieć znaczenie dla poszukiwania życia w innych częściach Wszechświata.

Pierwszym statkiem kosmicznym, który zawędrował do królestwa Jowisza, była wysłana przez NASA sonda Pioneer 10. Przeleciała obok planety w grudniu 1973 roku, dostarczając nam pierwszych zbliżeń tego wspaniałego gazowego olbrzyma. Jeszcze bardziej niezwykły okazał się przelot sondy Voyager 1 w marcu 1979 roku. Zdjęcia księżyca Europa wykonane przez sondę ujawniły, że ma ona jasną, lodową powierzchnię pozbawioną kraterów, co wskazuje, że jakiś proces utrzymuje jej skorupę w ciągłym stanie świeżości i gładkości. Naukowcy przypuszczali, że najlepszym wytłumaczeniem jest znajdujący się pod powierzchnią niewidoczny zbiornik ciekłej wody – kusząca opcja, jeśli wziąć pod uwagę, że na Ziemi życie związane jest z wodą.

W grudniu 1995 roku wysłana przez NASA misja Galileo jako pierwsza okrążyła Jowisza, dokonując licznych odkryć – na przykład, że trzeci co do wielkości księżyc planety, Io, jest najbardziej aktywnym wulkanicznie globem w Układzie Słonecznym. Przeprowadzone przez Galileo w 1996 roku obserwacje Europy wykazały, że coś zakłóca pole magnetyczne Jowisza, dostarczając silnych przesłanek na temat obecności cieczy pod powierzchnią tego księżyca. Najmocniejsze dowody na istnienie płynnego oceanu na Europie pojawiły się dwie dekady później, kiedy Kosmiczny Teleskop Hubble’a dostrzegł pióropusze wody wydostające się z powierzchni księżyca. Sonda Galileo krążyła wokół Jowisza przez osiem lat aż do 2003 roku i, jak mówi Olivier Witasse z ESA, który jest odpowiedzialny za projekt JUICE, była to „fantastyczna misja”. „Naprawdę stoimy na ramionach Galileo”.

Później, aż do 2016 roku, żadna sonda kosmiczna nie orbitowała wokół Jowisza. W tym roku do planety dotarła wystrzelona przez NASA misja Juno, która działa do dziś, ale koncentruje się na samym Jowiszu, krążąc wokół niego po zapętlonej orbicie w celu zbadania wnętrza planety, zobrazowania jej gwałtownych burz i monitorowania potężnego pola magnetycznego. Sonda wykonała kilka zdjęć księżyców Jowisza, ale aby naprawdę odkryć ich tajemnice, potrzebne są specjalne misje. I tu właśnie wkraczają JUICE i Clipper.

Skoki po księżycach i wypatrywanie pióropuszy

Clipper zostanie wystrzelony jesienią 2024 roku przez rakietę SpaceX Falcon Heavy. Pomimo późniejszej daty startu mocniejsza rakieta pozwoli statkowi kosmicznemu dotrzeć do Jowisza w kwietniu 2030 roku, ponad rok przed JUICE. Nie będzie on orbitował wokół Europy, tak jak JUICE wokół Ganimedesa, ponieważ z powodu niewielkiej odległości tego księżyca od Jowisza znajduje się on niebezpiecznie głęboko w pasach promieniowania planety. Zamiast tego Clipper wykona około 50 przelotów w pobliżu Europy, krążąc wewnątrz układu Jowisza, co pozwoli mu na stworzenie mapy wnętrza księżyca i określenie zasięgu jego podpowierzchniowego oceanu, przy jednoczesnym badaniu innych celów. „Orbiter krążący wokół Europy przetrwałby najwyżej trzy miesiące, po czym promieniowanie by go zabiło – mówi Curt Niebur, pracujący w programie Europa Clipper w centrali NASA w Waszyngtonie. – Zdaliśmy sobie sprawę, że zamiast tego możemy przelecieć obok, zebrać dane i uciec do miejsca, gdzie promieniowanie jest słabsze. W ten sposób możemy przetrwać lata, a nie miesiące”.

Podczas pokrywających się w czasie misji JUICE i Clipper zatańczą misterne tango, przeskakując z jednej atrakcji Jowisza na drugą. „Obecność dwóch statków kosmicznych w tym samym układzie to coś fantastycznego” – mówi Witasse. Około 20 naukowców z obu misji spotyka się praktycznie co tydzień w ramach wspólnego komitetu JUICE-Clipper. Grupa ta szuka pomysłów, w jaki sposób oba statki kosmiczne mogą zsynchronizować swoje działałania. „Jesteśmy pochłonięci rozmowami na temat możliwości naukowych i opracowywaniem planów dla NASA i ESA” – mówi Bunce, która wraz z Prockter współprzewodniczy komitetowi. Podczas gdy „niektóre szczegóły nieco się różnią” od współpracy przy EJSM, to, jak mówi Bunce, ogólny zamysł pozostaje aktualny. „Oryginalny plan zakładał jedną misję dla Ganimedesa i drugą dla Europy. I tak właśnie jest.”

Jedna z możliwości jest taka, że statki kosmiczne mogłyby sobie wzajemnie asystować. Dla przykładu, w chwili gdy Clipper będzie przygotowywał się do przelotu, JUICE może obserwować Europę z daleka – to cenne partnerstwo, zwłaszcza jeśli rzeczywiście istnieją pióropusze ciekłej wody tryskające z pęknięć w pokrywie lodowej. Przelot przez taki pióropusz mógłby umożliwić zbadanie wyrzutów oceanicznych, które trwają zaledwie „kilka minut”, mówi Fox-Powell. „To dałoby możliwość poddania analizie czegoś, co jest naprawdę dziewicze”. Gdy Clipper zbliży się do Europy, JUICE mógłby poszukać pióropuszy wylatujących z powierzchni i skierować w ich stronę Clippera. „Jeśli JUICE taki pióropusz zauważy, to będziemy wiedzieć, gdzie patrzeć” – mówi Prockter. Może się nawet zdarzyć, że Clipper przypadkowo przeleci przez pióropusze, co pozwoli mu na bezpośrednie pobranie próbek i poszukiwanie śladów związków chemicznych, które mogą wskazywać na oznaki życia.

JUICE, zanim zacznie krążyć wokół Ganimedesa, też wykona dwa przeloty obok Europy. Przelot z lipca 2032 roku nastąpi w odstępie zaledwie czterech godzin od przelotu Clippera. „Możemy dokonać podobnych pomiarów w tym samym czasie” – mówi Witasse. To może pozwolić na przeprowadzenie kilku ekscytujących badań naukowych, choć dokładne szczegóły nie zostały jeszcze ustalone. „Nie będziemy przelatywać nad tym samym miejscem, ale na pewno będzie to bardzo interesujące – dodaje. – Możemy sfotografować podobne cechy powierzchni lub, jeśli pojawi się pióropusz, będziemy mogli obserwować go z różnych perspektyw”.

Szczególny nacisk, jaki kładzie się na Europę, wynika częściowo z podejrzeń naukowców, że ciekłowodny ocean księżyca pozostaje w bezpośrednim kontakcie ze skalistym jądrem. W takim przypadku kominy hydrotermalne – otwory w dnie morskim, przez które z głębszych warstw może wydostawać się ciepło – mogłyby dostarczać wystarczającą ilość energii i składników odżywczych do podtrzymywania życia. „Na Ziemi istnieją kominy hydrotermalne, w których żyją całe zbiorowiska organizmów – mówi Fox-Powell. – Mamy dobre powody, aby wierzyć, że podobne rodzaje reakcji chemicznych zachodzą na Europie”. Znacznie większa masa Ganimedesa oznacza jednak, że lód o większej gęstości mógł osiąść na dnie jego oceanu, tworząc barierę blokującą kominy. „To mogło odizolować skaliste jądro – tłumaczy Fox-Powell. – Europa nie jest wystarczająco duża, aby mieć tak silną grawitację i ciśnienie, więc taki wysokociśnieniowy lód tam się nie tworzy”.

Dwie misje, jedna wizja

Żadna z tych rzeczy nie przekreśla szans Ganimedesa na możliwość istnienia na nim życia ani nie umniejsza jego naukowego znaczenia. W grudniu 2034 roku, po wejściu na orbitę wokół Ganimedesa, JUICE zbada całą jego powierzchnię, zmierzy pole magnetyczne księżyca i spróbuje stworzyć mapę jego wodnych warstw wewnętrznych. Aby w środowisku pojawiła się możliwość powstania życia, potrzebuje ono „źródeł ciepła, ciekłej wody, materii organicznej i stabilności” – mówi Dougherty. „Wiemy, że na [księżycu Saturna] Enceladusie mamy trzy z tych czynników. Na Europie również trzy. A jak jest na Ganimedesie, spróbujemy się dowiedzieć.” Chociaż JUICE rozpocznie okrążanie księżyca na wysokiej orbicie 5000 km nad Ganimedesem, podczas dziewięciomiesięcznego okresu obniży swój pułap do zaledwie 200 km nad powierzchnią. Ostatecznie, po zakończeniu misji w 2035 roku, statek kosmiczny zostanie celowo rozbity o powierzchnię, aby zminimalizować szansę na zanieczyszczenie Europy przez jakiekolwiek odłamki. Uważa się, że Ganimedes nie przejawia aktywności pióropuszowej, ale jeśli taka się pojawi lub jeśli okaże się, że jego skorupa lodowa jest szczególnie cienka, być może trzeba będzie przemyśleć ten finał, aby nie zanieczyścić ciekłego oceanu Ganimedesa. „Jeżeli dostrzeżemy coś, co mogłoby wskazywać na połączenie wewnętrznego oceanu z powierzchnią zewnętrzną, być może będziemy musieli zmienić orbitę” – mówi Giuseppe Sarri z ESA, kierownik projektu JUICE.

Podobnej wiedzy o Europie i jej oceanie dostarczy Clipper. Nie został on jednak zaprojektowany do poszukiwania definitywnych dowodów na istnienie życia; w najlepszym razie być może w pióropuszach księżyca dostrzeże związki organiczne. Wykrycie życia może nastąpić podczas późniejszych misji, takich jak pożądany przez NASA Europa Lander. Koncepcja misji została opracowana lata temu przez naukowców z Jet Propulsion Laboratory w Kalifornii, ale czeka na dalsze finansowanie. „Od pewnego czasu Europa Lander nie znajduje się w budżecie prezydenta ani w budżecie uchwalonym przez Kongres” – mówi Niebur. Mapa drogowa dla eksploracji międzyplanetarnej, opracowana przez U.S. National Academies pod koniec 2021 roku, nadała misji Europa Lander niższy priorytet niż innym projektom.

Na razie praca została zarchiwizowana, jest gotowa i czeka na reaktywację. „Jestem przekonany, że to, czego dowie się Europa Clipper, sprawi, iż będziemy chcieli tam wrócić, a jakiś lądownik to logiczny następny krok – mówi Niebur. – Ale może Clipper dostarczy nam jakąś niespodziankę, a lądownik nie okaże się właściwym rozwiązaniem. Może będziemy chcieli unosić się w pióropuszach, a nie lądować.”

Jeśli naukowcy naprawdę chcieliby zanurkować w oceanie księżyca, przebicie się przez gruby na kilometry lód stanowi kolejne wyzwanie. Zgodnie z jednym z pomysłów, lądownik mógłby zawierać sondę cieplną, która przetopiłaby drogę przez zamarzniętą skorupę. W zeszłym roku Paula do Vale Pereira, obecnie z Florida Institute of Technology, przeprowadziła eksperyment mający sprawdzić, jak długo może to potrwać. Wykorzystała dwumetrową kolumnę kriogenicznego lodu nazwaną Europa Tower, która symuluje powierzchnię Europy. Prezentując swoją pracę na początku stycznia na 241. zjeździe Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego w Seattle, stwierdziła, że zadanie to może zająć od trzech do 13 lat – to długo, nawet dla kilkudziesięcioletnich misji do zewnętrznego Układu Słonecznego.

Oprócz bezlitosnego tykania zegara pojawiają się inne przeszkody. „Znalezienie sposobu na przekaz energii i informacji pomiędzy lądownikiem a sondą za pomocą kabla jest ogromnym problemem, który musi zostać rozwiązany w najbliższych latach” – mówi do Vale Pereira. Lądownik musiałby zabrać ze sobą być może nawet kilka kilometrów kabla, który musiałby być dostatecznie odporny, by wytrzymać ponowne zamarzanie otaczającej go wody podczas opuszczania się sondy. Wartość naukowa rozwiązania takich problemów byłaby jednak ogromna, nie tylko w kontekście umieszczenia jakiejś aparatury w oceanie odległego księżyca.

Spełnienie takich marzeń to kwestia wielu lat. Wszelkie nadzieje na ich urzeczywistnienie zależą od wyprawy do Jowisza i potwierdzenia, że jego lodowe księżyce są faktycznie tak atrakcyjnym celem, za jaki je uważamy. Zaczynamy z JUICE i z Clipperem i mamy zamiar rozwiązać niektóre z najbardziej intrygujących kwestii dotyczących księżyców Jowisza. Sonda Galileo „pokazała, że warto wracać”, mówi Niebur. Teraz powracamy nie jednym, ale dwoma statkami kosmicznymi; transatlantyckie partnerstwo ma na celu znaczny postęp w poszukiwaniu miejsc w otoczeniu naszego Słońca, w których mogło rozwinąć się życie. W Układzie Słonecznym nie ma świata podobnego do Ziemi, ale być może księżyce takie, jak Europa czy nawet Ganimedes, są na drugim miejscu w rankingu. Jeśli życie mogło przetrwać u nas, kto wie, gdzie jeszcze mogło się rozwinąć?