Över tid, kallt havsvatten sipprar in i månens porösa kärna. Fickor med vatten som når djupt in i det inre värms upp genom kontakt med sten i det tidvattenuppvärmda inre och stiger därefter på grund av den positiva flytkraften, leder till ytterligare interaktion med stenarna. Värmen som avsätts vid gränsen mellan havsbotten och havet driver hydrotermiska ventiler. Värme och steniga partiklar transporteras genom havet, utlöser lokal smältning i det isiga skalet ovanför. Detta leder till bildandet av sprickor, varifrån strålar av vattenånga och de steniga partiklarna från havsbotten skjuts ut i rymden. I grafiken, den inre "skivan" är ett utdrag ur en ny modell som simulerade denna process. Den orangea glöden representerar de delar av kärnan där temperaturen når minst 90°C. Tidvattenuppvärmning på grund av friktionen som uppstår mellan partiklar i den porösa kärnan utgör en viktig energikälla, men illustreras inte i den här bilden. Tidvattenuppvärmningen är främst ett resultat av gravitationskraften från Saturnus. Kredit:Yta:NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute; inredning:LPG-CNRS/U. Nantes/U. Ilska. Grafisk sammansättning:ESA
Tillräckligt med värme för att driva hydrotermisk aktivitet inuti Saturnus havsmåne Enceladus i miljarder år skulle kunna genereras genom tidvattenfriktion om månen har en mycket porös kärna, en ny studie visar, arbetar till förmån för månen som en potentiellt beboelig värld.
En tidning publicerad i Natur astronomi presenterar idag det första konceptet som förklarar nyckelegenskaperna hos Enceladus med en diameter på 500 km som observerats av den internationella rymdfarkosten Cassini under sitt uppdrag, som avslutades i september.
Detta inkluderar ett globalt salt hav under ett isskal med en genomsnittlig tjocklek på 20–25 km, gallring till bara 1–5 km över den södra polarregionen. Där, strålar av vattenånga och isiga korn skjuts upp genom sprickor i isen. Sammansättningen av det utstötade materialet mätt av Cassini inkluderade salter och kiseldioxiddamm, vilket tyder på att de bildas genom att hett vatten – minst 90°C – interagerar med sten i den porösa kärnan.
Dessa observationer kräver en enorm värmekälla, cirka 100 gånger mer än vad som förväntas genereras av det naturliga sönderfallet av radioaktiva ämnen i bergarter i dess kärna, samt ett sätt att fokusera aktiviteten vid sydpolen.
Tidvatteneffekten från Saturnus tros vara ursprunget till utbrotten som deformerar det iskalla skalet genom push-pull-rörelser när månen följer en elliptisk bana runt den gigantiska planeten. Men energin som produceras av tidvattenfriktion i isen, av sig själv, skulle vara för svag för att motverka värmeförlusten från havet – jordklotet skulle frysa inom 30 miljoner år.
Som Cassini har visat, månen är tydligen fortfarande extremt aktiv, tyder på att något annat händer.
Dramatiska plymer, både stora och små, spruta ut vattenis från många platser längs "tigerränderna" nära sydpolen på Saturnus måne Enceladus. Tigerränderna är sprickor som sprejar isiga partiklar, vattenånga och organiska föreningar. Mer än 30 individuella jetstrålar av olika storlekar kan ses på den här bilden, som är en mosaik skapad av två högupplösta bilder tagna när Cassini flög förbi Enceladus och genom jetplanen den 21 november 2009. Denna vy erhölls på ett avstånd av cirka 14 000 km från Enceladus. Kredit:European Space Agency
"Var Enceladus får den ihållande kraften att förbli aktiv har alltid varit lite mysterium, men vi har nu övervägt mer i detalj hur strukturen och sammansättningen av månens steniga kärna kan spela en nyckelroll för att generera den nödvändiga energin, säger huvudförfattaren Gaël Choblet från universitetet i Nantes i Frankrike.
I de nya simuleringarna är kärnan gjord av okonsoliderad, lätt deformerbar, porös sten som vatten lätt kan tränga igenom. Som sådan, kallt flytande vatten från havet kan sippra in i kärnan och gradvis värmas upp genom tidvattenfriktion mellan glidande stenfragment, när det blir djupare.
Vatten cirkulerar i kärnan och stiger sedan upp eftersom det är varmare än omgivningen. Denna process överför till slut värme till havets bas i smala plymer där den interagerar starkt med stenarna. Vid havsbotten, dessa plymer ventilerar ut i det kallare havet.
Enbart en hotspot på havsbotten förutspås frigöra så mycket som 5 GW energi, ungefär motsvarande den årliga geotermiska energin som förbrukas på Island.
Sådana hotspots i havsbotten genererar havsplymer som stiger med några centimeter per sekund. Inte bara resulterar plymerna i stark smältning av isskorpan ovanför, men de kan också transportera små partiklar från havsbotten, över veckor till månader, som sedan släpps ut i rymden av de isiga strålarna.
Dessutom, författarnas datormodeller visar att det mesta vattnet borde drivas ut från månens polarområden, med en skenande process som leder till hot spots i lokala områden, och därmed ett tunnare isskal direkt ovanför, överensstämmer med vad som härleddes från Cassini.
Denna filmsekvens av bilder är från den sista dedikerade observationen av Enceladus-plymen av Cassini. Bilderna togs under cirka 14 timmar när Cassinis kameror stirrade på den aktiva, isig måne. Vyn under hela sekvensen är på månens nattsida, men Cassinis perspektiv på Enceladus skiftar under sekvensen. Filmen börjar med en vy av den del av ytan som är upplyst av reflekterat ljus från Saturnus och övergår till helt obelyst terräng. Exponeringstiden för bilderna ändras ungefär halvvägs genom sekvensen, för att göra svagare detaljer synliga. (Ändringen gör också att bakgrundsstjärnor blir synliga.) Bilderna i denna filmsekvens togs den 28 augusti 2017, med hjälp av Cassinis smalvinkelkamera. Bilderna togs på ett avstånd från Enceladus som ändrades från 1,1 miljoner till 868 000 km. Bildskalan ändras under sekvensen, från 7 till 5 km/pixel. Cassini-uppdraget är ett samarbetsprojekt av NASA, ESA och den italienska rymdorganisationen. Kredit:European Space Agency
"Våra simuleringar kan samtidigt förklara förekomsten av ett hav i global skala på grund av storskalig värmetransport mellan det djupa inlandet och isskalet, och koncentrationen av aktivitet i ett relativt smalt område runt sydpolen, förklarar därmed huvuddragen som observerats av Cassini, " säger medförfattaren Gabriel Tobie, också från universitetet i Nantes.
Forskarna säger att de effektiva växelverkan mellan sten och vatten i en porös kärna som masseras av tidvattenfriktion kan generera upp till 30 GW värme under tiotals miljoner till miljarder år.
"Framtida uppdrag som kan analysera de organiska molekylerna i Enceladus-plymen med en högre noggrannhet än Cassini skulle kunna berätta för oss om ihållande hydrotermiska förhållanden kunde ha tillåtit liv att växa fram, säger Nicolas Altobelli, ESA:s Cassini-projektforskare.
Ett framtida uppdrag utrustat med isgenomträngande radar skulle också kunna begränsa isens tjocklek, och ytterligare förbiflygningar – eller en farkost i omloppsbana – skulle förbättra modeller av interiören, ytterligare verifiering av närvaron av aktiva hydrotermiska plymer.
"Vi kommer att flyga nästa generations instrument, inklusive markpenetrerande radar, till Jupiters havsmånar under nästa decennium med ESA:s JUICE-uppdrag, som specifikt har till uppgift att försöka förstå den potentiella beboeligheten för havsvärldar i det yttre solsystemet, ", tillägger Nicolas.
