قمر زحل انسلادوس پوشیده از یخ است، اما در زیر پوسته یخ زده اقیانوس جهانی نهفته است. در نزدیکی قطب جنوبی ماه، شکاف‌های پوسته، بخار آب و ذرات یخ را به فضا آزاد می‌کنند. این ذرات روشی غیرمعمول برای مطالعه اقیانوس بیگانه بدون نیاز به حفاری در میان مایل ها یخ به دانشمندان می دهد.
یک تیم بین‌المللی شامل محققان مؤسسه علوم حیات زمین (ELSI) در مؤسسه علوم توکیو، اکنون بررسی کرده‌اند که چه اتفاقی برای این آب اقیانوس می‌افتد که از زیر سطح حرکت می‌کند و در نهایت به دانه‌های یخی کوچک موجود در فضا تبدیل می‌شود.
کاسینی مجموعه‌ای شگفت‌انگیز از دانه‌های یخ را کشف کرد
بین سال‌های 2004 تا 2017، تحلیلگر غبار فضایی در فضاپیمای کاسینی ناسا، ترکیب تک تک ذرات یخ را در حلقه E زحل اندازه‌گیری کرد. این حلقه به طور مداوم با مواد فوران شده از انسلادوس تامین می شود.
تیمی به سرپرستی پروفسور فرانک پستبرگ از دانشگاه فرای برلین، 961 طیف جرمی از دانه های غنی از نمک را که به عنوان ذرات نوع 3 شناخته می شوند، مورد مطالعه قرار دادند. اگر دانه‌ها صرفاً نمونه‌های کوچکی از همان آب اقیانوس باشند، دانشمندان ممکن است انتظار داشته باشند که حاوی مخلوط‌های نمکی مشابهی باشند.
در عوض، غلات به طور چشمگیری متفاوت هستند.
برخی از آنها به ویژه سرشار از کلرید سدیم هستند، در حالی که برخی دیگر حاوی مقادیر بیشتری کربنات، فسفات یا کلرید پتاسیم هستند. یک الگوی به خصوص قابل توجه این است که کلرید و کربنات به ندرت با هم در یک ذره غنی از سدیم وجود دارند.
این یک معمای بزرگ را ایجاد کرد. اگر این دانه ها همه از یک اقیانوس می آیند، چرا ترکیبات شیمیایی آنها تا این حد متفاوت است؟
بازسازی قطرات اقیانوس انسلادوس در آزمایشگاه
برای بررسی این سوال، پروفسور یاسوهیتو سکین و همکارانش در ELSI قطرات آزمایشگاهی حاوی نمک‌های اصلی که تصور می‌شود در اقیانوس انسلادوس وجود دارند، ایجاد کردند.
محققان قطرات با اندازه های مختلف را تحت شرایط خنک کننده مختلف منجمد کردند، سپس چگونگی توزیع عناصر شیمیایی پس از جامد شدن قطرات را مورد مطالعه قرار دادند.
نتایج نشان می دهد که میزان انجماد نقش عمده ای دارد.
در قطراتی با قطر حدود 200 میکرومتر، نمک ها به مناطق مجزا جدا می شوند زیرا انجماد نسبتاً آهسته و تقریباً 10 کلوین در دقیقه یا کمتر رخ می دهد. وقتی قطرات سریعتر یخ زدند، ترکیبات شیمیایی آنها به طور یکنواخت تر مخلوط شدند.
سکین گفت: «آنچه ما را شگفت زده کرد این بود که تنوع مشاهده شده توسط کاسینی می تواند از قطراتی که اساساً از همان آب اقیانوس منشا می گیرند ظاهر شود. آزمایش‌های ما نشان می‌دهد که وقتی قطرات نسبتاً بزرگ اقیانوس به آرامی منجمد می‌شوند، نمک‌های مختلفی می‌توانند در آنها آزاد شوند. اگر این قطرات یخ زده بعداً شکسته شوند، می‌توانند دانه‌های یخ بسیار کوچک‌تری تولید کنند که هر کدام ترکیب شیمیایی بسیار متفاوتی دارند.»
سفر آهسته تر از طریق یخ های انسلادوس
این یافته‌ها همچنین ممکن است چیزی را در مورد آنچه در داخل پوسته یخی ماه می‌گذرد، آشکار کند.
مطالعات قبلی معمولاً فرض می‌کردند که اسپری‌های آب دریا از انسلادوس به سرعت یخ می‌زنند و بلافاصله پس از خروج از اقیانوس به سرعت به فضا می‌روند. آزمایش‌های جدید به سناریوی متفاوتی اشاره می‌کنند.
این قطرات ممکن است در ابتدا بسیار آهسته تر از طریق سیستم تهویه زیرزمینی حرکت کنند و قبل از رسیدن به سطح، مسیرهای پیچیده را از طریق شکاف های یخ دنبال کنند.
محققان پیشنهاد می کنند که اسپری اقیانوس ابتدا قطراتی به اندازه ده ها تا صدها میکرومتر را تشکیل می دهد. همانطور که این قطرات به آرامی در بخش های عمیق تر سوراخ ها حرکت می کنند، به تدریج منجمد می شوند و به نمک ها زمان کافی برای جدا شدن در مناطق مختلف می دهند.
نزدیکتر به سطح، شرایط تغییر می کند. گاز سریعتر شروع به حرکت می کند و قطرات یخ زده می توانند با سرعت زیاد به دیواره کانال های یخ باریک تر برخورد کنند. این برخوردها می تواند قطرات را به قطعات بسیار کوچکتر تبدیل کند.
هر قطعه ممکن است از یک منطقه غنی از نمک متفاوت در قطره یخ زده اصلی آمده باشد و دانه هایی با ترکیبات شیمیایی بسیار متفاوت ایجاد کند. سپس این قطعات می توانند به فضا فرار کرده و بخشی از حلقه E زحل شوند.
پستبرگ گفت: “داده های کاسینی به ما نشان داد که این دانه های غنی از نمک از نظر شیمیایی بسیار متنوع تر از ترکیب متوسط اقیانوس ها هستند.” ترکیب این مشاهدات با آزمایش‌های انجماد به ما توضیح فیزیکی می‌دهد: کاسینی ممکن است قطعات بزرگ‌تری از قطرات یخ‌زده اقیانوس را نمونه‌برداری کرده باشد، که هر کدام اجزای مختلفی را که در طول سفر خود به سطح شکسته‌اند، حفظ کرده است. فراوانی هر جزء منفرد در اقیانوس در تعداد قطعاتی که یک جزء خاص در آن یافت می‌شود منعکس می‌شود.
انسلادوس ممکن است به طور طبیعی ترکیبات کلیدی را متمرکز کند
این کشف می تواند به ویژه برای ماموریت های آینده به انسلادوس مهم باشد.
همانطور که قطرات منجمد و تجزیه می شوند، ترکیبات فردی می توانند در دانه های خاص متمرکز شوند. این فرآیند نه تنها نمک های مختلف را جدا می کند. کار قبلی همچنین نشان داد که مواد آلی می توانند از یکدیگر جدا شده و در غلظت های افزایش یافته در ذرات خاص ظاهر شوند.
این می تواند تا حد زیادی تجزیه و تحلیل آینده را تسهیل کند.
این ترکیبات که در اقیانوس انسلادوس بسیار رقیق شده و با بسیاری از مواد دیگر مخلوط شده‌اند، وقتی در دانه‌های یخ متمرکز شوند، می‌توانند بسیار آسان‌تر شناسایی شوند.
روی زمین، آزمایشگاه ها اغلب برای جداسازی و تغلیظ مواد شیمیایی قبل از تجزیه و تحلیل یک نمونه، تلاش زیادی می کنند. به نظر می رسد انسلادوس هر دوی این مراحل “تهیه نمونه” را به طور طبیعی انجام می دهد: اجزای شیمیایی از هم جدا می شوند و برخی در نهایت در کسری از ذرات یخی متمرکز می شوند.
پیامدهای احتمالی برای شیمی پری بیوتیک
انجماد آهسته می تواند پیامد مهم دیگری نیز داشته باشد.
همانطور که کریستال های یخ رشد می کنند، محفظه های کوچکی از آب نمک مایع بین آنها گیر می کند. نمک ها و ترکیبات آلی می توانند به شدت در این پاکت ها متمرکز شوند.
این غلظت ممکن است مربوط به شیمی پری بیوتیک باشد، که شامل فرآیندهای شیمیایی است که ممکن است قبل از ظهور حیات باشد. یکی از چالش های اصلی در چنین شیمی، آوردن مولکول ها، که معمولاً بسیار رقیق هستند، در تماس نزدیک با یکدیگر است.
از آنجایی که بسیاری از مواد خارج شده از انسلادوس در نهایت به ماه بازمی‌گردد، این فرآیند انجماد، تمرکز، و بازیافت می‌تواند بارها و بارها اتفاق بیفتد.
بنابراین، درک چگونگی تشکیل دانه های یخ انسلادوس بیش از توضیح اندازه گیری های غیرمعمول کاسینی است. این سرنخ‌های جدیدی در مورد محیط پنهان زیر سطح ماه ارائه می‌دهد و می‌تواند به فضاپیماهای آینده کمک کند تا ذرات جمع‌آوری شده را در هنگام جستجوی شواهدی از قابلیت سکونت و نشانه‌های احتمالی حیات، تفسیر کنند.
