Europa sprzyja życiu? Czas to sprawdzić

Dla przypomnienia – angielski clipper (po polsku kliper) to nazwa bardzo szybkiego i smukłego statku morskiego o niezwykle bogatym i skomplikowanym ożaglowaniu, który cieszył się wielką popularnością w XIX w. Tym razem jednak to będzie kosmiczny kliper konstruowany przez NASA, wart grubo ponad 3 mld dol. Najciekawszy jest jego główny cel. Europa Clipper przede wszystkim ma potwierdzić dość silne przypuszczenia znawców Układu Słonecznego dotyczące tego, że na Europie, czyli czwartym co do wielkości księżycu Jowisza, znajduje się potężny i ciepły podpowierzchniowy ocean wodny – znacznie pojemniejszy od wszystkich oceanów ziemskich – w którym życie mogło się narodzić i może nawet wciąż tam trwać. Sonda nie będzie jednak szukać dowodów na istnienie obcego życia, czyli jakichś żywych organizmów na Europie, a jedynie ma sprawdzić, czy warunki panujące w oceanie tego dość niezwykłego księżyca sprzyjają powstaniu i przetrwaniu życia takiego, jakie mniej więcej znamy z Ziemi. Wiele wskazuje na to, że sprzyjają, i to bardzo.

Od Galileo do sondy Cassini

Najwięcej obserwacji i badań Europy zawdzięczamy misjom Voyagerów oraz Galileo. Zwłaszcza tej drugiej. Galileo orbitował wokół Jowisza w drugiej połowie lat 90. XX w. i na początku naszego wieku. Jednym z najważniejszych dokonań sondy było wykrycie zaburzenia pola magnetycznego Jowisza w przestrzeni wokół Europy. Pomiary sugerowały, że zaburzenie to zostało wywołane przez szczególne pole magnetyczne księżyca wytwarzane wewnątrz tego ciała przez grubą warstwę jakiegoś płynu zdolnego do przewodzenia prądu (jak słona woda). To zasugerowało badaczom, że pod lodową skorupą Europy, która składa się z lodu wodnego, istnieje ogromny, głęboki na 60–150 km ocean wodny.

Wkrótce w 2004 r. do drugiego olbrzyma naszego Układu Słonecznego – Saturna – dotarła misja Cassini-
Huygens, by zbadać dokładnie planetę oraz jej pierścienie i księżyce. Najwięcej czasu sonda poświęciła największemu księżycowi, czyli Tytanowi. W 2012 r. naukowcy, mierząc subtelne zmiany w polu grawitacyjnym Tytana, wywołane bardzo silnymi pływami pochodzącymi z Saturna, doszli do wniosku, że Tytan posiada na głębokości 100–200 km pod zewnętrzną lodową skorupą globalny ocean wodny. Tylko w ten sposób da się wytłumaczyć wywołane pływami Saturna wybrzuszenia na powierzchni jego księżyca sięgające niekiedy aż 10 m.

Potem Cassini wziął na warsztat Enceladusa, mały księżyc Saturna o średnicy 500 km. Otóż podczas trzech bliskich przelotów sondy Cassini nad Enceladusem, które nastąpiły między kwietniem 2010 a majem 2012 r., udało się dokonać pomiarów grawitacyjnych obiektu. Sonda nadawała sygnał radiowy, analizowany następnie w NASA Deep Space Network, do której docierały wyniki wszystkich badań misji. Śledząc różnice w sile sygnału, można było wykryć zmiany prędkości sondy i na tej podstawie wyznaczyć mapę pola grawitacyjnego księżyca. Najdziwniej pole to zachowywało się w okolicy bieguna południowego. Dalsze badania wykazały, że pod biegunem tym na pewno, a być może wszędzie wewnątrz, Enceladus pod swoją skorupą lodową – grubą mniej więcej na 10 km – ma ocean wodny o głębokości 30–40 km. Wkrótce zaobserwowano na Enceladusie sieć gejzerów, wypluwających ogromne ilości podpowierzchniowej wody na zawrotne wysokości. Tym samym dołączył on do ekskluzywnego klubu księżyców Układu Słonecznego – Ganimedesa, Tytana, Europy i Callisto – które pod swoimi lodowymi skorupami też mają oceany wodne.

Poznano więc całą grupę dalekich i niezwykle ciekawych lodowych księżyców, które posiadają ogromne wewnętrzne oceany. Jeśli oceany te nie zamarzają, to być może w niektórych mogą istnieć warunki pozwalające na powstanie życia i jego utrzymanie się. Z wielu względów wśród badaczy Układu Słonecznego wykształciło się przekonanie, że najlepszym kandydatem na takie właśnie ciało jest Europa. Dlatego trzeba tam polecieć i zbadać ją dokładnie. Stąd misja Europa Clipper.

Do Europy

Dlaczego podpowierzchniowe oceany i wewnątrz Europy oraz innych księżyców Jowisza czy Saturna nie zamarzają, skoro temperatury powierzchni tych ciał często dochodzą do ponad –200⁰C? Otóż ciepło w nich jest generowane przez ruchy pływowe pochodzące z Saturna lub Jowisza i odkształcające zewnętrzne skorupy księżyców. Siły pływowe wywołują tak silne ruchy samych mas wody podziemnych oceanów, że następuje ich rozgrzanie nawet do kilkunastu lub kilkudziesięciu stopni Celsjusza. Oczywiście im płycej w tych oceanach, tym zimniej, jednak pociągane przez macierzyste planety masy wody i tak są wystarczająco ciepłe, by nie zamarzały i bez przeszkód wytryskiwały lub wydobywały się ponad powierzchnię.

Sam księżyc Europa też jest intrygujący. To glob nieco tylko mniejszy od naszego Księżyca, ale diametralnie inny. Ma gładką powierzchnię (najgładszą ze wszystkich księżyców w Układzie Słonecznym) z małą liczbą kraterów i śladową atmosferę (ciśnienie atmosferyczne wynosi jedną miliardową ziemskiego). Na jego lodowej skorupie znajdują się jednak liczne rysy oraz pęknięcia wywołane niezwykle intensywnymi siłami pływowymi Jowisza. Rysy te są ciemniejsze od reszty terenu, co tłumaczy się tym, że nagromadziły się tam związki chemiczne, które wypłynęły na powierzchnię Europy wraz z wodą. Oddziaływanie pływowe Jowisza powoduje, że geologicznie Europa jest księżycem aktywnym i być może występują na niej nawet ruchy płyt tektonicznych.

W 2014 i w 2016 r. Kosmiczny Teleskop Hubble’a, obserwując Europę w ultrafiolecie, wykrył w tych samych miejscach erupcje kriowulkaniczne, co dowodzi, że księżyc co pewien czas wyrzuca w przestrzeń strugi płynnej wody spod powierzchni, podobnie jak to robi Enceladus, tyle że na mniejszą skalę. Grawitacja Europy jest znacznie większa niż Enceladusa i przytrzymuje wydobywający się podpowierzchniowy materiał. Ale czasami najsilniejsze erupcje mogą być wyśledzone przez kosmiczne teleskopy. Intensywne promieniowanie korpuskularne z pasów radiacyjnych Jowisza rozbija cząsteczki lodu wodnego skorupy Europy na wodór i tlen. Lżejszy wodór w znacznej części ulatuje do atmosfery lub w przestrzeń kosmiczną, cięższy tlen pozostaje na powierzchni księżyca i w jego atmosferze, składającej się głównie z tlenu i wodoru właśnie. Tlen ten może się także przez nieszczelności i pęknięcia w skorupie przedostawać do wewnątrz, czyli do oceanu. Uważa się, że aktywność geologiczna księżyca pozwala na wymianę materii między powierzchniową skorupą a wewnętrznym oceanem, co jest ważne, ponieważ ślady zawartości tego oceanu powinny być obecne na powierzchni Europy.

Z kolei astronomowie korzystający z danych Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba zidentyfikowali dwutlenek węgla w określonym regionie na lodowej powierzchni Europy. Analiza wskazuje, że węgiel ten prawdopodobnie pochodzi z podpowierzchniowego oceanu i nie został dostarczony przez meteoryty ani inne źródła zewnętrzne. Co więcej, dostał się tam w geologicznej skali czasowej niedawno.

Wewnętrzna struktura Europy to żelazne jądro, następnie są gruba warstwa skał, ocean wodny i lodowa skorupa zewnętrzna o grubości 15–25 km. Uczeni przypuszczają, że najgłębsze partie oceanu są najcieplejsze i mogą wchodzić w reakcje z warstwą skalną, wskutek czego nasycają się minerałami. Czy to wszystko istotnie rozgrywa się na Europie i wewnątrz niej, a także jakie jeszcze zagadki kryje ten księżyc? – tego dowiemy się dzięki misji Europa Clipper.

Misja

Głównym celem naukowym Europa Clipper jest ustalenie, czy pod powierzchnią lodowego księżyca Europy znajdują się miejsca, w których może istnieć życie. Trzy szczegółowe cele naukowe misji to zrozumienie natury skorupy lodowej i oceanu pod nią, a także składu chemicznego i geologii księżyca. Sonda, znajdując się na orbicie wokół Jowisza, wykona prawie 50 przelotów w pobliżu Europy – najbliższe na wysokości zaledwie 25 km. Dzięki asyście grawitacyjnej dwóch sąsiednich księżyców – Ganimedesa i Callisto – będzie nad innym miejscem podczas każdego przelotu, by przeskanować prawie cały księżyc.

Sama sonda Europa Clipper jest największym statkiem kosmicznym, jaki NASA kiedykolwiek opracowała na potrzeby misji planetarnej. Ma ok. 5 m wysokości, a po rozłożeniu paneli fotowoltaicznych rozpiętość ponad 30,5 m. Jej waga (bez paliwa w zbiornikach) to 3241 kg. Ponieważ Europa jest skąpana w promieniowaniu dochodzącym z Jowisza (wysokoenergetyczne cząstki), ładunek naukowy sondy i pozostała elektronika zostaną zamknięte pod grubym pancerzem wykonanym z tytanu i aluminium. Ta ochrona przeciwradiacyjna została opracowana przez NASA i z powodzeniem zastosowana po raz pierwszy w sondzie kosmicznej Juno, wciąż zresztą operującej na orbicie Jowisza. Pancerz radykalnie spowolni degradację elektroniki.

Sondę Europa Clipper wyposażono w 9 zaawansowanych instrumentów badawczych, a więc kamery i spektrometry, które będą tworzyć wysokiej rozdzielczości obrazy i mapy składu powierzchni oraz cienkiej atmosfery Europy, radar penetrujący lód do poszukiwania wód podpowierzchniowych, a także magnetometr i urządzenie do pomiaru grawitacji. Te dwa ostatnie instrumenty mają dokładnie zobrazować podpowierzchniowy ocean. Sonda będzie również wyposażona w instrument termiczny do wskazywania lokalizacji cieplejszego lodu i być może niedawnych erupcji wody, a także czujnik do pomiaru składu maleńkich cząstek w cienkiej atmosferze księżyca oraz otaczającym go środowisku kosmicznym.

Gdy Europa Clipper wystartuje, uzyska dwie asysty grawitacyjne – wokół Marsa i Ziemi – by przyspieszyć. Dotrze na orbitę Jowisza w 2030 r. Właściwe badania Europy rozpoczną się w roku 2031. Misja potrwa 3,5 roku, z możliwością jej przedłużenia o kolejne lata. Po zakończeniu pracy sonda rozbije się o powierzchnię największego księżyca Jowisza – Ganimedesa.