Горячая молодость Юпитера могла растопить его ледяные спутники

Будучи новорожденной планетой, Юпитер ярко светился в небе и затмевал сегодняшнее солнце с точки зрения крупнейших спутников газового гиганта. Это раннее сияние и предстоящие визиты нескольких космических кораблей могут помочь решить 40-летнюю загадку о составе этих спутников.

На протяжении десятилетий ученые пытались понять странные различия в плотности четырех галилеевых спутников Юпитера, которыми в порядке от ближайшего к планете к самому дальнему являются Ио, Европа, Ганимед и Каллисто. Хотя эти естественные спутники должны были образоваться из одного и того же исходного материала и, следовательно, иметь сходный состав, измерения плотности позволяют предположить, что Каллисто и Ганимед гораздо более ледяные, чем Европа, а на Ио вообще нет льда. Новое исследование раскрытый На конференции в прошлом месяце Карвер Бирсон, планетолог из Аризонского государственного университета, может пролить некоторый свет на эту тему.

Гигантские планеты формируются путем слияния и сжатия огромных объемов газа и пыли. Этот процесс высвобождает массу избыточной энергии и придает новорождённым гигантам буквально юношеское сияние, которое может длиться миллионы лет. Это больше, чем теория: астрономы регулярно используют это свечение для изображения молодых экзопланет-гигантов, которые в противном случае были бы потеряны в сиянии ближайших к ним звезд. Но менее яркий вопрос о том, как такое свечение может формировать сопровождающие луны, почти не изучен. В случае с Юпитером компьютерное моделирование, проведенное Бирсоном и его коллегами, предполагает, что раннее сияние планеты освещало ее новорожденные спутники и испаряло большую часть их воды в течение нескольких миллионов лет.

«Это дало людям возможность думать о совершенно новом процессе», — говорит Фрэнсис Ниммо, изучающий ледяные луны в Калифорнийском университете в Санта-Круз и не участвовавший в исследовании.

Четыре спутника, один источник

Дифференциальные составы четырех галилеевых спутников озадачивают исследователей на протяжении десятилетий — с тех пор, как были получены первые высококачественные измерения плотности спутников. Запертый внутри радиационного пояса Юпитера и нагреваемый изнутри мощными приливными силами планеты, которые месят внутренности Луны, как тесто, Ио представляет собой совершенно свободный ото льда мир гиперактивных вулканов. Чуть более далекая Европа тоже находится в тисках излучения и приливов Юпитера. Но более скромные уровни внутреннего нагрева дали Луне подземный океан и ледяная корка, а не кальдеры, извергающие лаву. Ганимед и Каллисто относительно инертны, богаты льдом и намного дальше от Юпитера, чем Ио и Европа.

Хотя различия в гравитационном захвате Юпитера явно объясняют некоторые различия между спутниками, планетологи до сих пор пытаются понять, как эти объекты могут иметь общее происхождение, но при этом так сильно отличаться друг от друга. Подобно тому, как планеты возникают из вращающихся протопланетных дисков газа и пыли вокруг зарождающихся протозвезд, большие луны могут формироваться из меньших мини-дисков, возникающих вокруг собирающихся газовых гигантских миров. Современное мышление требует, чтобы Юпитер очень быстро набрал большую часть своей массы, в течение первых 10 миллионов лет жизни Солнечной системы, до того, как свет и звездные ветры, исходящие от постоянно светлеющего солнца, смели весь газ с протопланетного диска.

Эта относительно сжатая временная шкала означает, что Юпитер должен был жадно, быстро глотать газ, чтобы достичь своего нынешнего размера, что заставило бы его нагреться и светиться, достигнув температуры, оцениваемой как 1160 градусов по Фаренгейту (627 градусов по Цельсию). Для галилеевых спутников, которые предположительно сформировались примерно в то же время, что и сам Юпитер, планета сияла бы как звезда в небе и подавляла свет, исходящий от более далекого солнца. Тщательно смоделировав эффекты повышенной яркости Юпитера на галилеевых спутниках, Бирсон и его коллеги обнаружили, что этот поток света может четко решить загадку разнообразного современного состава спутников.

Ароматные свежеиспеченные луны

Раздираемая гравитацией Юпитера, Ио сегодня представляет собой адский ландшафт вулканических извержений и является самым активным телом в Солнечной системе. Но команда обнаружила, что молодое свечение Юпитера могло изначально дать Ио земную температуру и, возможно, даже океан. «Я думаю, вполне вероятно, что либо во время формирования Ио, либо сразу после его завершения на поверхности есть немного воды», — говорит Бирсон.

По словам Бирсона, ситуация быстро изменилась бы, поскольку Ио получала примерно в 30 раз больше энергии от Юпитера, чем сегодня получает от Солнца. Если бы на Ио было столько же воды, сколько в настоящее время содержится на его собрате Ганимеде, вся эта влага была бы быстро удалена, а любые остатки океана испарились бы за первый миллион лет существования Луны.

Европа, расположенная дальше, чем Ио, имела бы немного более прохладные условия на поверхности — хотя, возможно, они все еще были бы достаточно горячими, чтобы эта луна потеряла значительную часть своей воды. Даже дальше, на Ганимеде, Юпитер выглядел бы едва ли ярче, чем сегодняшнее солнце — уровень инсоляции не оказывает существенного влияния на лунный лед. На далекую Каллисто, отправленную на окраину системы Юпитера, сияющая юность Юпитера не произвела бы никакого впечатления. (Все это предполагает, что спутники находились на своих нынешних позициях. Они, вероятно, сформировались ближе, прежде чем мигрировать в свои нынешние места, однако это означает, что результаты исследования, вероятно, являются лишь нижним пределом того, насколько каждая луна была запечена Юпитером.)

«Преимущество этой гипотезы в том, что есть несколько тестов, которые вы можете применить», — говорит Ниммо.

СОК-у предложение

Если бы Европа потеряла большую часть своего льда за свою жизнь, а не образовалась из меньшего количества льда, чем ее братья и сестры, оставшиеся водород и кислород имели бы другой изотопный отпечаток, чем лед на Ганимеде и Каллисто. Таким образом, изотопное сравнение Европы с одним или обоими самыми удаленными спутниками могло бы, наконец, раскрыть правду о том, как эти спутники отошли от своего общего происхождения. «Чем больше сравнений вы можете сделать [among the chemistries of the moons]тем больше вы будете понимать, как все будет развиваться в это самое раннее время», — говорит Бирсон.

Это довольно пикантное предложение, учитывая недавний запуск Европейского космического агентства Миссия «Исследователь ледяных лун Юпитера» (JUICE). Между 2031 и 2034 годами JUICE совершит 35 облетов Европы, Каллисто и Ганимеда, прежде чем выйти на орбиту вокруг Ганимеда. Расширенный тур может иметь большое значение для определения того, были ли все галилеевские спутники рождены с одинаковым количеством льда. JUICE имеет масс-спектрометр, который, по словам Ниммо, может выполнять важные измерения водорода и водяного пара, которые могут исходить в космос от лун, в частности от Ганимеда.

«Вопрос в том, поставляет ли Ганимед достаточно материала для высот, которые JUICE может взять на пробу», — говорит Ниммо. Он по-прежнему уверен, что так и будет.

Даже если исследования JUICE не смогут раскрыть дело, это будет не единственный космический корабль, исследующий Луну, зависший в системе Юпитера. НАСА Юнона миссия уже находится на орбите вокруг газового гиганта, а миссия космического агентства Europa Clipper должна быть запущена в следующем году для полета к одноименной луне миссии. Данные Clipper должны обеспечивать сильное сравнение для взгляда JUICE на лед Европы этого было бы достаточно, чтобы экстраполировать и отличить от того, что европейский космический корабль видит на Ганимеде и, возможно, на Каллисто.

«Сравнения между лунами будут чрезвычайно важны», — говорит Бирсон. «Это так здорово, что у нас будут и JUICE, и Europa Clipper примерно в одно и то же время и, возможно, немного перекрываются».