Under loppet av sin elliptiska bana pressas månen Enceladus ojämnt av Saturnus gravitationskraft och deformeras från en sfärisk form till en fotbollsform och tillbaka igen. Denna cykliska stress orsakar ett fenomen som kallas "tidvattenuppvärmning" inom Enceladus och avleder tillräckligt med energi för att upprätthålla vad som tros vara ett globalt hav under månens isiga skorpa.
Vid Enceladus sydpol sprutar ett stort antal jetstrålar ut isiga partiklar från en uppsättning taggiga, 150 kilometer långa förkastningar – kända som tigerrandsförkastningarna – och detta utstötta material smälter samman ovanför månens yta och bildar en plym. Prover av detta plymmaterial som analyserats av NASA:s Cassini-uppdrag tyder på att de kemiska förhållanden som tros vara nödvändiga för liv kan existera i havet djupt under Enceladus yta.
Nu använder ny forskning ledd av doktoranden Alexander Berne (MS '22), som arbetar med Mark Simons, John W. och Herberta M. Miles professor i geofysik och chef för Brinson Exploration Hub vid Caltech, en detaljerad geofysisk modell för att karakterisera rörelsen hos dessa tigerrandsförkastningar och ger nya insikter i de geofysiska processer som styr jetaktivitet.
Att förstå dessa och andra faktorer – såsom i vilken utsträckning jetmaterialet representerar havet under ytan, hur länge jetstrålar har varit aktiva, topografin för dess isskal och så vidare – är avgörande för att få en detaljerad bild av månens potentiella beboelighet över tid.
Tidningen har titeln "Jetaktivitet på Enceladus kopplad till tidvattendriven strejk-slip-rörelse längs tigerränder" och publicerades i tidskriften Nature Geoscience den 29 april.
Plymen ovanför Enceladus sydpol varierar i intensitet, ökar och avtar i styrka för att producera två anmärkningsvärda ljusa toppar i utsläpp under månens 33-timmars bana runt Saturnus. Det har teoretiserats att tidvattenkrafter gör att tigerrandsfelen öppnas och stängs som en hissdörr, vilket gör att de kan avge mer eller mindre material i cykler som motsvarar dessa tidvatten.
Sådana modeller kan dock inte exakt förutsäga tidpunkten för toppar i plymens ljusstyrka. Mer problematiskt:Denna felöppningsmekanism kräver mer energi än vad som förväntas vara tillgänglig från enbart tidvattenkraft.
Den nya studien tyder på att observerade variationer i Enceladus plymstyrka kan bero på att tigerrandsförkastningarna rör sig på ett slag-slip-sätt, med en sida som klipps förbi den andra, liknande stilen av förkastningsrörelser som producerar jordbävningar längs förkastningar som Kaliforniens. San Andreas. Den energi som krävs för sådan felrörelse är avsevärt mindre än vad som krävs av öppnings/stängningsmekanismen.
Berne och kollegor utvecklade en sofistikerad numerisk modell för att simulera slag-slip-rörelse längs Enceladus förkastningar. Dessa modeller tar också hänsyn till vilken roll friktionen spelar mellan förkastningarnas isiga väggar, vilket gör att deformationen är känslig för både tryckspänningar som tenderar att klämma fast och lossa förkastningen, och skjuvspänningar som tenderar att driva glidning på förkastningen.
Den numeriska modellen kan simulera glidning längs tigerränderna på ett sätt som matchar variationerna i plymens ljusstyrka och rumsliga variationer i yttemperatur, vilket tyder på att strålarna verkligen kontrolleras av rörelse över Enceladus omloppsbana.
Forskarna har en teori om att de individuella jetstrålarna uppstår vid "särdrag" i förkastningarna - böjda förkastningssektioner som öppnar sig under regionala strejk-glidrörelser. Nyligen genomförd separat forskning från JPL undersökte också tigerbandsregionen och fann geologiska bevis för att dra isär längs förkastningarna, belägna precis vid platsen för jetstrålarna.
"Vi verkar nu ha både geologiska och geofysiska skäl att misstänka att jetaktivitet förekommer vid avstånd längs Enceladus tigerränder", säger Berne.
År 2005 flög Cassini-uppdraget förbi Enceladus, tog prov på jetmaterialet och upptäckte att plymen innehåller element som kol och kväve, vilket tyder på att det underjordiska havet för närvarande kan hysa gynnsamma förhållanden för livet. Förutom närvaron av dessa och andra kemiska komponenter, krävs geofysiska nyckelförhållanden – såsom tillräcklig värmeproduktion och näringsflöde mellan kärnan, havet och ytan – för beboelighet.
"För att livet ska utvecklas måste förutsättningarna för beboelighet vara rätt under lång tid, inte bara ett ögonblick", säger Simons. "På Enceladus behöver du ett hav med lång livslängd. Geofysiska och geologiska observationer kan ge viktiga begränsningar för dynamiken i kärnan och jordskorpan samt i vilken utsträckning dessa processer har varit aktiva över tiden."
"Detaljerade mätningar av rörelse längs tigerränderna behövs för att bekräfta hypoteserna som lagts upp i vårt arbete," säger Berne. "Till exempel har vi nu kapacitet att avbilda felglidning, som jordbävningar, på jorden med hjälp av radarmätningar från satelliter i omloppsbana.
"Att tillämpa dessa metoder på Enceladus borde ge oss möjlighet att bättre förstå transporten av material från havet till ytan, tjockleken på isskorpan och de långsiktiga förhållanden som kan göra det möjligt för liv att bildas och utvecklas på Enceladus."
Mer information: Alexander Berne et al, Jetaktivitet på Enceladus kopplad till tidvattendriven slag-slip-rörelse längs tigerränder, Naturgeovetenskap (2024). DOI:10.1038/s41561-024-01418-0
Journalinformation: Naturgeovetenskap
Tillhandahålls av California Institute of Technology
