För fyrtio år sedan, en rymdfarkost från Voyager tog de första närbilderna av Europa, en av Jupiters 79 månar. Dessa avslöjade brunaktiga sprickor som skär månens isiga yta, som ger Europa utseendet av en ådrande ögonglob. Missioner till det yttre solsystemet under decennierna sedan har samlat på sig tillräckligt med ytterligare information om Europa för att göra det till ett högprioriterat mål för undersökningar i NASA:s sökande efter liv.

Det som gör denna måne så lockande är möjligheten att den kan ha alla ingredienser som behövs för livet. Forskare har bevis för att en av dessa ingredienser, flytande vatten, finns under den isiga ytan och kan ibland bryta ut i rymden i enorma gejsrar. Men ingen har kunnat bekräfta förekomsten av vatten i dessa plymer genom att direkt mäta själva vattenmolekylen. Nu, en internationell forskargrupp ledd av NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, har upptäckt vattenångan för första gången ovanför Europas yta. Teamet mätte ångan genom att titta på Europa genom W. M. Keck Observatory på Hawaii, ett av världens största teleskop.

Att bekräfta att vattenånga finns ovanför Europa hjälper forskare att bättre förstå månens inre funktion. Till exempel, det hjälper till att stödja en idé, som forskarna är övertygade om, att det finns ett hav med flytande vatten, kanske dubbelt så stor som jordens, skvalpar under denna månens miltjocka isskal. En annan vattenkälla för plymer, vissa forskare misstänker, kan vara grunda reservoarer av smält vattenis inte långt under Europas yta. Det är också möjligt att Jupiters starka strålningsfält avlägsnar vattenpartiklar från Europas isskal, även om den senaste utredningen argumenterade mot denna mekanism som källan till det observerade vattnet.

"Väsentliga kemiska grundämnen (kol, väte, syre, kväve, fosfor, och svavel) och energikällor, två av tre krav för livet, finns över hela solsystemet. Men det tredje - flytande vatten - är lite svårt att hitta bortom jorden, sa Lucas Paganini, en planetforskare från NASA som ledde undersökningen av vattendetektering. "Medan forskare ännu inte har upptäckt flytande vatten direkt, vi har hittat det näst bästa:vatten i ångform."

I en studie publicerad i dag i tidskriften Natur astronomi , Paganini och hans team rapporterade att de upptäckte tillräckligt med vatten som släpptes ut från Europa (5, 202 pund, eller 2, 360 kg, per sekund) för att fylla en simbassäng i olympisk storlek inom några minuter. Än, forskarna fann också att vattnet dyker upp sällan, åtminstone i mängder som är tillräckligt stora för att upptäcka från jorden, sa Paganini:"För mig, det intressanta med detta arbete är inte bara den första direkta upptäckten av vatten ovanför Europa, men också avsaknaden därav inom gränserna för vår detektionsmetod."

Verkligen, Paganinis team upptäckte den svaga men ändå distinkta signalen från vattenånga bara en gång under 17 nätter av observationer mellan 2016 och 2017. När man tittar på månen från Keck Observatory, forskarna såg vattenmolekyler på Europas ledande halvklot, eller den sida av månen som alltid är vänd i riktningen för månens bana runt Jupiter. (Europa, som jordens måne, är gravitationellt låst till sin värdplanet, så den ledande halvklotet är alltid vänd mot banas riktning, medan den bakre halvklotet alltid är vänd i motsatt riktning.)

De använde Keck Observatory's Near-Infrared Spectrograph (NIRSPEC), som mäter den kemiska sammansättningen av planetatmosfärer genom det infraröda ljus som de avger eller absorberar. Molekyler som vatten avger specifika frekvenser av infrarött ljus när de interagerar med solstrålning.

Montering bevis för vatten

Innan den senaste upptäckten av vattenånga, det har gjorts många lockande fynd om Europa. Den första kom från NASA:s rymdfarkost Galileo, som mätte störningar i Jupiters magnetfält nära Europa medan den kretsade runt gasjättens planet mellan 1995 och 2003. Mätningarna antydde för forskare att elektriskt ledande vätska, troligen ett salt hav under Europas islager, orsakade de magnetiska störningarna. När forskare analyserade de magnetiska störningarna närmare 2018, de hittade bevis på möjliga plymer.

Sålänge, forskare tillkännagav 2013 att de hade använt NASA:s rymdteleskop Hubble för att upptäcka de kemiska elementen väte (H) och syre (O)—komponenter av vatten (H2O)—i plymliknande konfigurationer i Europas atmosfär. Och några år senare, andra forskare använde Hubble för att samla fler bevis på möjliga plymutbrott när de tog bilder av fingerliknande projektioner som dök upp i siluett när månen passerade framför Jupiter.

"Denna första direkta identifiering av vattenånga på Europa är en kritisk bekräftelse på våra ursprungliga upptäckter av atomarter, och det framhäver den uppenbara glesheten av stora plymer på denna isiga värld", sa Lorenz Roth, en astronom och fysiker från Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm som ledde Hubble-studien 2013 och var medförfattare till denna nyligen genomförda undersökning.

Roths forskning, tillsammans med andra tidigare Europa-fynd, har endast mätt komponenter av vatten ovanför ytan. Problemet är att det är svårt att upptäcka vattenånga i andra världar. Befintliga rymdfarkoster har begränsade möjligheter att upptäcka det, och forskare som använder markbaserade teleskop för att leta efter vatten i rymden måste ta hänsyn till den snedvridande effekten av vatten i jordens atmosfär. För att minimera denna effekt, Paganinis team använde komplexa matematiska modeller och datormodeller för att simulera förhållandena i jordens atmosfär så att de kunde skilja jordens atmosfäriska vatten från Europas i data som returnerades av NIRSPEC.

"Vi utförde noggranna säkerhetskontroller för att ta bort eventuella föroreningar i markbaserade observationer, sa Avi Mandell, en Goddard-planetforskare i Paganinis team. "Men, så småningom, vi måste komma närmare Europa för att se vad som verkligen händer."

Forskare kommer snart att kunna komma tillräckligt nära Europa för att lösa sina kvardröjande frågor om det inre och yttre arbetet i denna möjligen beboeliga värld. Det kommande Europa Clipper-uppdraget, förväntas lanseras i mitten av 2020-talet, kommer att avsluta ett halvt sekel av vetenskaplig upptäckt som började med ett blygsamt foto av en mystisk, ådrande ögonglob.

När den anländer till Europa, Clipper orbiter kommer att genomföra en detaljerad undersökning av Europas yta, djupt inre, tunn atmosfär, hav under ytan, och potentiellt ännu mindre aktiva ventiler. Clipper kommer att försöka ta bilder av eventuella plymer och prova de molekyler som den hittar i atmosfären med sina masspektrometrar. Den kommer också att söka efter en fruktbar plats från vilken en framtida Europalandare kan ta ett prov. Dessa ansträngningar bör ytterligare låsa upp Europas hemligheter och dess potential för livet.