Ледяные спутники, такие как Мимас, могут скрывать кипящие океаны

Внутри небольших ледяных спутников вода может достигать «тройной точки», вызывая кипение, что влияет на особенности их поверхности. Об этом рассказывают в Калифорнийском университете в Дэвисе. Внешние планеты Солнечной системы окружены ледяными спутниками. Некоторые из них, такие как спутник Сатурна Энцелад, известны тем, что между ледяной оболочкой и каменистым ядром они имеют океаны жидкой воды и могут быть лучшими местами в нашей планетной системе для поиска внеземной жизни. Новое исследование, опубликованное 24 ноября в журнале Nature Astronomy, проливает свет на то, что может происходить под поверхностью этих миров, и дает представление о том, как могли сформироваться их разнообразные геологические особенности. «Не о всех этих спутниках известно, что они имеют океаны, но мы знаем, что некоторые из них имеют», — сказал Макс Рудольф, доцент кафедры наук о Земле и планетах Калифорнийского университета в Дэвисе и главный автор исследования. «Нас интересуют процессы, которые формируют их эволюцию на протяжении миллионов лет, и это позволяет нам думать о том, каким будет поверхностный вид океанического мира».

От гор до землетрясений — геология поверхности Земли определяется движением и плавлением горных пород в глубинах планеты. На ледяных спутниках геология определяется действием воды и льда.

Эти миры нагреваются приливными силами от планеты, вокруг которой они вращаются. Спутники, вращаясь вокруг планеты, могут взаимодействовать, что приводит к периодам более высокого и более низкого нагрева. Более высокий нагрев может растопить и истончить ледяной слой; когда нагрев уменьшается, лед становится толще.

Рудольф и его коллеги ранее исследовали, что происходит, когда ледяная оболочка становится толще. Они обнаружили, что, поскольку лед имеет больший объем, чем жидкая вода, замерзание оказывает давление на ледяную оболочку, что может привести к появлению таких особенностей, как «тигровые полосы» Энцелада.

Но что происходит, когда идет обратное и ледяная оболочка тает снизу? Исследователи пришли к выводу, что это может вызвать кипение океана.

Это происходит потому, что когда лед тает и превращается в менее плотную жидкую воду, давление падает. Рудольф и его коллеги подсчитали, что по крайней мере на самых маленьких ледяных спутниках, таких как Мимас и Энцелад Сатурна или Миранда, спутник Урана, давление может упасть настолько, что достигнет тройной точки — состояния вещества, при котором его твердая, жидкая и газообразная формы находятся в равновесии, то есть лед, жидкая вода и водяной пар могут сосуществовать.

Снимки Миранды, сделанные космическим зондом «Вояджер-2», показывают четкие участки хребтов и скал, которые называются коронами. Наличие этих особенностей может объяснить кипящий океан.

Мимас имеет диаметр 400 километров и покрыт кратерами, включая очень большой кратер, благодаря которому он получил прозвище «Звезда смерти». По словам Рудольфа, он кажется геологически мертвым, но колебания в его движении указывают на наличие океана. Поскольку не ожидается, что ледяная оболочка Мимаса разорвется в результате ее истончения, наличие океана можно совместить с геологически мертвой поверхностью.

Важен размер этих спутников. На более крупных ледяных спутниках, таких как Титания (другой спутник Урана), как подсчитала команда, падение давления от таяния льда привело бы к растрескиванию ледяной оболочки до достижения тройной точки воды. Авторы считают, что геология Титании могла быть результатом периода истончения ледяной оболочки, за которым последовало ее утолщение.

Так же как геология Земли помогает нам понять, почему наша планета выглядит так, как она выглядит после миллиардов лет изменений, понимание геологических процессов на этих спутниках может помочь нам понять, почему они имеют такую форму.

Соавторами исследования являются ученые из Калифорнийского университета в Беркли, Юго-западного исследовательского института (Боулдер) и Института планетных наук (Тусон). Работа была частично поддержана NASA.

Обнаружены «свежие» органические вещества из океана Энцелада, которые могут указывать на химическую или биохимическую активность

Исследователи тщательно изучили информацию, собранную из ледяных зерен, которые были получены во время близкого и сверхбыстрого пролета «Кассини» сквозь выброс из гейзера ледяного спутника Сатурна. Об этом рассказывают в NASA. Исследуемые ледяные частицы были собраны всего в 21 километре от поверхности спутника и стали первым случаем, когда ученые наблюдали такое разнообразие органических веществ в свежих частицах, выброшенных из подземных вод Энцелада. Опубликованные в журнале Nature Astronomy, эти результаты свидетельствуют о важном шаге в направлении подтверждения активной органической химии под поверхностью спутника. Это тот вид химической активности, который может поддерживать соединения, важные для биологических процессов и необходимые для жизни на Земле. Помимо увеличения разнообразия обнаруженных органических веществ, это исследование добавило новый слой к предыдущим результатам путем анализа частиц, собранных космическим аппаратом «Кассини» во время пролета непосредственно сквозь выброс из гейзера — это почти то же самое, что погрузиться непосредственно в океан спутника.

«Ранее мы обнаруживали органические вещества в кристаллах льда, которые были многолетними и, вероятно, претерпели изменения под воздействием интенсивной радиационной среды, окружавшей их», — сказал Нозаир Хаваджа из Свободного университета Берлина, главный автор исследования. «Эти новые органические соединения были всего нескольких минут от рождения, они были обнаружены во льду, который был свежим из океана под поверхностью Энцелада».

Ученые знали из предыдущего анализа данных «Кассини», что органические соединения, содержащие азот и кислород, присутствовали в частицах из кольца Е Сатурна, слабого, широкого внешнего пояса вокруг планеты, питаемого ледяным материалом, который расходится веером от гейзеров Энцелада. Но в новом исследовании были проанализированы ледяные зерна из самого гейзера спутника — другими словами, зерна, найденные ближе всего к их подповерхностному происхождению.

«Эти молекулы, которые мы нашли в свежевыброшенном материале, доказывают, что сложные органические молекулы, обнаруженные «Кассини» в кольце Е Сатурна, являются не просто продуктом длительного воздействия космоса, а легко доступны в океане Энцелада», — сказал соавтор исследования Фрэнк Постберг, также из Свободного университета Берлина.

Данные были собраны и отправлены на Землю еще в 2008 году, когда частицы льда попали на прибор «Космический пылеанализатор» «Кассини». Помимо того, что эти ледяные зерна были непосредственно взяты из гейзера, они имели еще одно преимущество: они были разбиты на мелкие частицы, когда попали на прибор во время быстрого пролета космического аппарата со скоростью 18 километров в секунду относительно спутника.

Энергия удара испарила ледяные зерна и ионизировала значительную их часть. Эти ионы были обследованы масс-спектрометром прибора на их химический состав.

Авторы исследования смогли проанализировать мельчайшие фрагменты — меньше тысячной доли миллиметра, даже меньше вируса гриппа — и обнаружить органические соединения, которых они ранее не видели в частицах из гейзеров.

Среди новообнаруженных были соединения из семейств алифатических и циклических эфиров и эфиров, некоторые из которых имели двойные связи в молекулярной структуре. Вместе с подтвержденными ароматическими соединениями, содержащими азот и кислород, эти соединения могут образовывать строительные блоки для поддержания химических реакций и процессов, которые могли бы привести к более сложной органической химии — такой, которая интересует астробиологию и сужает фокус поиска жизни в Солнечной системе.

После пролета через облако от гейзера космический аппарат, управляемый Лабораторией реактивного движения NASA в Южной Калифорнии, исследовал сложную систему Сатурна еще почти десять лет.

Ученые нашли на Марсе карстовые пещеры

Марс – ближайшая к Земле планета, и поиски жизни на ней начались еще до запуска первого спутника. Теперь мы знаем, что Марс представляет из себя сухую пустыню, однако в далеком прошлом условия на нем были гораздо более благоприятными. И если там когда-либо существовала жизнь, то, вероятно, она скрывалась не на поверхности, а в пещерах, защищенных от радиации, перепадов температур и пылевых бурь. Теперь ученые впервые нашли признаки того, что такие убежища могли быть сформированы не вулканической активностью, как считалось раньше, а водой. До сих пор предполагалось, что все известные марсианские пещеры имеют вулканическое происхождение и по своей природе являются лавовыми трубками, т. е. тоннелями, выжженными потоками лавы. Однако новые данные указывают на совершенно иной тип подземных полостей. Как и на Земле, такие пещеры могли возникнуть, когда вода просачивалась сквозь трещины в карбонатных и сульфатных породах, постепенно растворяя их и создавая пустоты. 

Исследователи из Университета Шэньчжэня под руководством Чэнью Дина сообщили об обнаружении восьми необычных провалов – «световых колодцев» в регионе Долина Гебрус на северо-западе Марса. Анализ данных позволил геологам предположить, что эти провалы являются входами в карстовые пещеры, которые образовались в древности при растворении горных пород в воде. Работа ученых была опубликована в журнале The Astrophysical Journal Letters.

Вероятные карстовые пещеры были выявлены на снимках исследовательских космических аппаратов, работающих на орбите Марса. Они выглядят как округлые впадины и отличаются от ударных кратеров тем, что не имеют возвышенных краев, а вокруг них отсутствует выброшенный обломочный материал. По форме и структуре эти углубления напоминают участки, где поверхность обрушилась вследствие вымывания подземных пород.

Используя данные инфракрасного спектрометра TES на борту космического аппарата Mars Global Surveyor, ученые обнаружили, что окружающие породы действительно богаты водорастворимыми породами – карбонатами и сульфатами. На основе снимков высокого разрешения команда ученых построила трехмерные модели впадин, подтверждающие, что их происхождение связано с водной эрозией, а не с вулканизмом или тектоникой.

Эти пещеры могут оказаться важными целями для исследования будущими марсианскими миссиями. Даже если внутри не окажется признаков жизни, они могут стать удобным естественным убежищем для людей, где они смогут укрыться от радиации и экстремальных условий поверхности.

Открытие карстовых пещер меняет подход к поиску следов жизни на Марсе: теперь исследователи могут сосредоточиться не только на древних руслах рек и озер, но и на подземных полостях.

Астрономы впервые зафиксировали взрывную вспышку на другой звезде

Впервые подтвержден взрывной выброс вещества в космос другой звездой, достаточно мощный, чтобы снести атмосферу любой несчастной планеты, оказавшейся на его пути. Об этом рассказывают в Европейском космическом агентстве. Взрыв был корональным выбросом массы (КВМ), извержениями, которые мы часто видим от Солнца. Во время КВМ огромные количества вещества выбрасываются из нашей звезды, заполняя окружающее пространство. Эти драматические выбросы формируют и определяют космическую погоду, такую как зрелищные полярные сияния, которые мы видим на Земле, и даже могут разрушать атмосферы близлежащих планет. Но хотя КВМ является обычным явлением на Солнце, до сих пор мы не видели ни одного убедительного доказательства их существования на другой звезде. «Астрономы уже десятилетиями стремились обнаружить КВМ на другой звезде», — говорит Джо Каллингем из Нидерландского института радиоастрономии (ASTRON), автор нового исследования, опубликованного в журнале Nature. «Предыдущие выводы давали основания предполагать их существование или намекали на их присутствие, но фактически не подтверждали, что материал действительно вырвался в космос. Теперь нам впервые удалось это сделать».

Когда КВМ путешествует через слои звезды к межпланетному пространству, он создает ударную волну и сопутствующую вспышку радиоволн. Этот короткий, интенсивный радиосигнал был зафиксирован Джо и его коллегами, и оказалось, что он исходит от звезды, находящейся на расстоянии около 130 световых лет от нас.

«Такой радиосигнал просто не существовал бы, если бы материал полностью не покинул пузырь мощного магнетизма звезды», — добавляет Джо. «Другими словами: он вызван КВМ».

Звезда, выбрасывающая материю, является красным карликом — типом звезды, которая намного тусклее, холоднее и меньше Солнца. Она совсем не похожа на наше светило: ее масса примерно в два раза меньше, она вращается в 20 раз быстрее и имеет магнитное поле, которое в 300 раз сильнее. Большинство планет, о существовании которых известно в Млечном Пути, вращаются вокруг такого типа звезд.

Радиосигнал был обнаружен с помощью радиотелескопа «Низкочастотный массив» (LOFAR) благодаря новым методам обработки данных, разработанным соавторами из Парижской обсерватории-PSL. Затем команда использовала космическую обсерваторию XMM-Newton Европейского космического агентства, чтобы определить температуру, вращение и яркость звезды в рентгеновском свете. Это было необходимо для интерпретации радиосигнала и выяснения, что на самом деле происходит.

«Нам нужны были чувствительность и частота LOFAR, чтобы обнаружить радиоволны», — говорит соавтор Дэвид Конийн, аспирант, работающий с Джо в ASTRON. «А без XMM-Newton мы бы не смогли определить движение КВМ или разместить его в звездном контексте, что было крайне важно для подтверждения наших открытий. Одного телескопа было бы недостаточно — нам нужны были оба».

Исследователи определили, что КВМ движется с чрезвычайно высокой скоростью 2400 км в секунду, которая наблюдается только в 1 из 2000 КВМ, происходящих на Солнце. Выброс был настолько быстрым и плотным, что мог полностью уничтожить атмосферу любой планеты, вращающейся близко к звезде.

Открытие того, что КВМ способны сдирать планетарные атмосферы, полезно для нашего поиска жизни вокруг других звезд. Пригодность планеты для жизни, какой мы ее знаем, определяется ее расстоянием от материнской звезды – находится ли она в «зоне обитаемости», то есть в области, где на поверхности планет с соответствующей атмосферой может существовать жидкая вода. Это сценарий «Золотоволоски»: слишком близко к звезде – слишком жарко, слишком далеко – слишком холодно, а посередине – как раз подходит.

Но что, если эта звезда особенно активна и регулярно выбрасывает опасные извержения вещества, вызывая сильные бури? Планета, которая регулярно подвергается бомбардировке мощными корональными выбросами массы, может полностью потерять свою атмосферу, оставив после себя бесплодный камень – непригодный для жизни мир, несмотря на то, что его орбита «как раз подходит».

«Эта работа открывает новые возможности для наблюдений, изучения и понимания извержений и космической погоды вокруг других звезд», — добавляет Хенрик Эклунд, научный сотрудник ЕКА, работающий в Европейском центре космических исследований и технологий (ESTEC) в Нордвейке в Нидерландах.

«Мы больше не ограничиваемся экстраполяцией нашего понимания солнечных КВМ на другие звезды. Похоже, что интенсивная космическая погода может быть еще более экстремальной вокруг меньших звезд — основных носителей потенциально пригодных для жизни экзопланет. Это имеет важное значение для того, как эти планеты сохраняют свою атмосферу и, возможно, остаются пригодными для жизни с течением времени».

Между тем XMM-Newton является ведущим исследователем горячей и экстремальной Вселенной. Запущенный в 1999 году, космический телескоп наблюдал за ядрами галактик, изучал звезды, чтобы понять, как они эволюционируют, исследовал окрестности черных дыр и обнаруживал интенсивные вспышки энергичного излучения от удаленных звезд и галактик.

«Сейчас XMM-Newton помогает нам выяснить, как КВМ варьируются в зависимости от звезды, что интересно не только для нашего исследования звезд и Солнца, но и для поиска пригодных для жизни миров вокруг других звезд», — говорит научный сотрудник проекта XMM-Newton Эрик Кулкерс. «Это также демонстрирует огромную силу сотрудничества, которая лежит в основе всех успешных научных исследований. Это открытие стало результатом настоящей командной работы и решило вопрос, который десятилетиями занимал ученых, — поиск КВМ за пределами Солнца».

Статья «Радиоволновая вспышка от звездного коронального выброса массы» (Callingham et al.) была опубликована 12 ноября в журнале Nature.

Звезды, такие как Солнце, при приближении к своему концу склонны уничтожать ближайшие к себе планеты

Согласно новому исследованию, стареющие звезды чаще всего уничтожают гигантские планеты, которые вращаются ближе всего к ним. Об этом рассказывают в Университете Уорика (Великобритания). Когда звезда, подобная нашему Солнцу, исчерпывает запасы водорода и из-за этого подавляет термоядерный синтез в своем ядре, она охлаждается и расширяется, превращаясь в красного гиганта. В случае нашего светила это произойдет примерно через пять миллиардов лет, и ученые считают, что это расширение приведет к уничтожению Меркурия, Венеры и, возможно, Земли, но не имеют доказательств того, как именно это произойдет и произойдет ли вообще. В новом исследовании, опубликованном в журнале Ежемесячные сообщения Королевского астрономического общества, ученые из Университета Уорика и Университетского колледжа Лондона проанализировали почти полмиллиона близко расположенных к нам звездных систем, чтобы получить больше ясности в этом вопросе. Они стремились выяснить, как часто близко расположенные к звезде планеты выживают после того, как их звезда превращается в красного гиганта.

В этих звездных системах исследователи обнаружили, что планеты гораздо реже находятся на орбитах вблизи красных гигантов, что указывает на то, что многие планеты, вероятно, уже были уничтожены, когда их звезды-хозяева расширились.

Главный автор работы, доктор Эдвард Брайант сказал: «Это является убедительным доказательством того, что когда звезды выходят за пределы своей главной последовательности, они могут быстро вызвать спиральное приближение планет к себе и их уничтожение. Это уже некоторое время было предметом дискуссий и теорий, но теперь мы можем непосредственно наблюдать это влияние и измерить его на уровне большой популяции звезд.

Мы ожидали увидеть этот эффект, но все равно были удивлены тем, насколько эффективно эти звезды поглощают свои близкие планеты.

Мы считаем, что разрушение происходит из-за гравитационного противостояния между планетой и звездой, которое называется приливным взаимодействием. По мере эволюции и расширения звезды это взаимодействие становится сильнее. Так же как Луна притягивает океаны Земли, создавая приливы, планета притягивает звезду. Эти взаимодействия замедляют планету и приводят к сокращению ее орбиты, заставляя ее двигаться по спирали внутрь, пока она не разрушиться или не упадет в звезду».

Исследователи сосредоточили свое внимание на звездах, которые только что вошли в «пост-главную последовательность» своей жизни (после исчерпания водорода), и обнаружили только 130 планет и кандидатов в планеты (включая 33, о которых мы ранее не знали), которые вращаются близко вокруг этих стареющих звезд.

Ограничив свое исследование только звездами, которые перешли в стадию охлаждения и расширения (и, следовательно, классифицируются как красные гиганты), они обнаружили, что вероятность того, что красный гигант имеет возле себя планету, составляет всего 0,11%, что примерно в три раза ниже, чем процент звезд главной последовательности, которые имеют близкую гигантскую планету.

Соавтор исследования, доктор Винсент Ван Эйлен сказал: «Через несколько миллиардов лет наше Солнце увеличится и станет красным гигантом. Когда это произойдет, выживут ли планеты Солнечной системы? Мы обнаружили, что в некоторых случаях планеты не выживают.

Земля, безусловно, более безопасна, чем гигантские планеты в нашем исследовании, которые находятся гораздо ближе к своей звезде. Но мы рассматривали только самую раннюю часть фазы после главной последовательности, первые один-два миллиона лет — звезды должны пройти еще долгий путь эволюции.

В отличие от исчезнувших гигантских планет в нашем исследовании, сама Земля может выжить в фазе красного гиганта Солнца. Но жизнь на Земле, вероятно, не выживет».

Хотя это исследование показало, что частота появления гигантских планет уменьшается с возрастом звезды, еще многое нужно узнать из небольшого количества планет, которые все еще находятся на близкой орбите вокруг красного гиганта. Но нужно больше данных, чтобы выяснить, почему некоторые, но не все планеты становятся жертвами стареющих звезд.

Д-р Брайант подытожил: «Как только мы получим массу этих планет, это поможет нам точно понять, что именно заставляет эти планеты двигаться по спирали и разрушаться».