En okänd metanproducerande process är sannolikt på gång i det dolda havet under det iskalla skalet på Saturnus måne Enceladus, föreslår en ny studie publicerad i Natur astronomi av forskare vid University of Arizona och Paris Sciences &Lettres University.

Jättevattenplymer som bryter ut från Enceladus har länge fascinerat både forskare och allmänheten, inspirerande forskning och spekulationer om det stora hav som tros vara inklämt mellan månens steniga kärna och dess isiga skal. Flyger genom plymerna och provar deras kemiska makeup, rymdfarkosten Cassini upptäckte en relativt hög koncentration av vissa molekyler associerade med hydrotermiska öppningar på botten av jordens hav, speciellt diväte, metan och koldioxid. Mängden metan som hittades i plymerna var särskilt oväntad.

"Vi ville veta:Kan jordliknande mikrober som 'äter' divätet och producerar metan förklara den förvånansvärt stora mängden metan som upptäckts av Cassini?" sa Regis Ferriere, en docent vid University of Arizona Department of Ecology and Evolutionary Biology och en av studiens två huvudförfattare. "Leta efter sådana mikrober, kända som metanogener, på Enceladus havsbotten skulle kräva extremt utmanande djupdykningsuppdrag som inte är i sikte på flera decennier."

Ferriere och hans team tog en annan enklare väg:De konstruerade matematiska modeller för att beräkna sannolikheten för att olika processer, inklusive biologisk metanogenes, kan förklara Cassini-data.

Författarna tillämpade nya matematiska modeller som kombinerar geokemi och mikrobiell ekologi för att analysera Cassini plymdata och modellera de möjliga processer som bäst skulle förklara observationerna. De drar slutsatsen att Cassinis data överensstämmer antingen med mikrobiell hydrotermisk ventilationsaktivitet, eller med processer som inte involverar livsformer men som skiljer sig från de som är kända för att inträffa på jorden.

På jorden, hydrotermisk aktivitet uppstår när kallt havsvatten sipprar in i havsbotten, cirkulerar genom det underliggande berget och passerar nära en värmekälla, som en magmakammare, innan de spyr ut i vattnet igen genom hydrotermiska ventiler. På jorden, metan kan produceras genom hydrotermisk aktivitet, men i långsam takt. Det mesta av produktionen beror på mikroorganismer som utnyttjar den kemiska ojämvikten hos hydrotermiskt producerat diväte som energikälla, och producera metan från koldioxid i en process som kallas metanogenes.

Teamet tittade på Enceladus plymsammansättning som slutresultatet av flera kemiska och fysikaliska processer som äger rum i månens inre. Först, forskarna bedömde vilken hydrotermisk produktion av diväte som bäst passade Cassinis observationer, och om denna produktion skulle kunna ge tillräckligt med "mat" för att upprätthålla en population av jordliknande vätetrofa metanogener. Att göra det, de utvecklade en modell för populationsdynamiken för en hypotetisk hydrogenotrofisk metanogen, vars termiska och energiska nisch var modellerad efter kända stammar från jorden.

Författarna körde sedan modellen för att se om en given uppsättning kemiska förhållanden, såsom divätekoncentrationen i den hydrotermiska vätskan, och temperatur skulle ge en lämplig miljö för dessa mikrober att växa. De tittade också på vilken effekt en hypotetisk mikrobpopulation skulle ha på sin miljö - till exempel, på flykthastigheterna för diväte och metan i plymen.

"Sammanfattningsvis, inte bara kunde vi utvärdera om Cassinis observationer är förenliga med en miljö som är beboelig för livet, men vi kan också göra kvantitativa förutsägelser om observationer som kan förväntas, om metanogenes faktiskt inträffar vid Enceladus havsbotten, " förklarade Ferriere.

Resultaten tyder på att även den högsta möjliga uppskattningen av abiotisk metanproduktion – eller metanproduktion utan biologiskt stöd – baserad på känd hydrotermisk kemi är långt ifrån tillräcklig för att förklara metankoncentrationen som uppmätts i plymerna. Lägga till biologisk metanogenes till blandningen, dock, kunde producera tillräckligt med metan för att matcha Cassinis observationer.

"Självklart, vi drar inte slutsatsen att det finns liv i Enceladus hav, " sa Ferriere. "Snarare, vi ville förstå hur troligt det skulle vara att Enceladus hydrotermiska ventiler skulle kunna vara beboeliga för jordliknande mikroorganismer. Väldigt troligt, Cassini-data berättar för oss, enligt våra modeller.

"Och biologisk metanogenes verkar vara kompatibel med data. Med andra ord, vi kan inte förkasta 'livshypotesen' som högst osannolik. För att förkasta livshypotesen, vi behöver mer data från framtida uppdrag, " han lade till.

Författarna hoppas att deras uppsats ger vägledning för studier som syftar till att bättre förstå de observationer som Cassini gjort och att det uppmuntrar forskning för att klargöra de abiotiska processer som kan producera tillräckligt med metan för att förklara data.

Till exempel, metan kan komma från den kemiska nedbrytningen av ursprungligt organiskt material som kan finnas i Enceladus kärna och som delvis kan omvandlas till diväte, metan och koldioxid genom den hydrotermiska processen. Denna hypotes är mycket rimlig om det visar sig att Enceladus bildades genom ansamling av organiskt rikt material från kometer, Ferriere förklarade.

"Det handlar delvis om hur troliga vi tror att olika hypoteser är till att börja med, " sa han. "T.ex. om vi anser att sannolikheten för liv i Enceladus är extremt låg, då blir sådana alternativa abiotiska mekanismer mycket mer sannolika, även om de är väldigt främmande jämfört med vad vi vet här på jorden."

Enligt författarna, ett mycket lovande framsteg för uppsatsen ligger i dess metodik, eftersom det inte är begränsat till specifika system som inre oceaner av isiga månar och banar väg för att hantera kemiska data från planeter utanför solsystemet när de blir tillgängliga under de kommande decennierna.