Пар над Европой оказался редкостью

Астрономы смогли обнаружить заметные количества водяного пара над поверхностью спутника Юпитера Европы лишь в 1 из 17 проведенных сеансов наблюдений. Результаты указывают на внутренние причины события, но говорят о редкости и спорадическом характере подобных сильных выбросов воды, пишут авторы в журнале Nature Astronomy.

Европа — это один из внутренних спутников Юпитера. Как и многие другие небольшие тела на орбитах у планет-гигантов, она в значительной степени состоит из воды. Ее поверхность представляет собой ледяную корку толщиной от 5 до 20 километров, которая покрывает предполагаемый океан жидкой воды, занимающий порядка 10 процентов радиуса. Под океаном располагается силикатная мантия и ядро из металлов, в первую очередь, железа.

В отсутствии источника энергии океан на таком большом удалении от Солнца должен был замерзнуть. Считается, что его существование поддерживается за счет приливного трения в ядре при орбитальном движении вокруг Юпитера. Одно из основных указаний на наличие океана — это гладкость внешней поверхности и практически полное отсутствие кратеров, что говорит о регулярном обновлении.

Наряду с некоторыми другими ледяными спутниками Европа считается одним из самых перспективных мест для поиска внеземной жизни в Солнечной системе. Потенциально ее следы можно зафиксировать, если жидкая вода из океана попадает на поверхность. Большинство информации о теле собрал работавший на рубеже тысячелетий аппарат «Галилео», но его возможности были ограничены, хотя в его данных удалось впоследствии найти свидетельства выбросов воды. В относительно близком будущем этот объект будут внимательно исследовать автоматические зонды, такие как американский Europa Clipper и европейский JUICE. Сегодня исследованиями Европы занимаются наземные обсерватории.

Американские астрономы под руководством Лукаса Паганини (Lucas Paganini) из Центра космических полетов Годдарда провели в 2016 и 2017 годах серию наблюдений спутника с помощью одного из самых крупных наземных телескопов в Обсерватории Кека. Всего было проведено 17 сеансов, которые должны были прояснить содержание воды в зафиксированных ранее локальных повышениях плотности в атмосфере объекта. В большинстве случаев заметного сигнала не было зарегистрировано, но в один день авторам удалось наблюдать инфракрасное излучение 2095±658 тонн воды суммарно над всем ведущим полушарием Европы, то есть обращенным в сторону орбитального движения.

Существовавшие теоретические оценки говорили о двух способах появления вещества в атмосфере спутника — внешних и внутренних. Первые связаны с действием плазмы магнитосферы Юпитера, солнечного ветра и излучения, а также метеоритов. Второй источник — выбросы из-под поверхности. Считалось, что внутренние причины приводят к выделению большего количества вещества, но они происходят нерегулярно, причем их частота плохо известна.

Ключевой особенностью проведенных наблюдений авторы называют работу в инфракрасном диапазоне, куда попадают линии излучения молекул воды. Механизм этого излучения связан с возбуждением молекул солнечным светом и последующим переходом в основное состояние. В то же время предыдущие исследования опирались на косвенные факторы, такие как модельно зависимые оценки концентрации воды на основе данных по атомарному водороду и кислороду. Таким образом, результаты стали первым прямым подтверждением наличия водяного пара над Европой.

Авторы сделали оценку скорости истечения воды в модели простого одиночного выброса. Оказалось, что для соответствия наблюдениям в атмосферу спутника должно попадать 2360 ± 748 килограмм воды в секунду. Это на несколько порядков больше, чем ожидается для всех возможных внешних факторов.

От 42 до 86 процентов выброшенных молекул вернутся на поверхность и превратятся в лед. Небольшая доля сможет преодолеть гравитацию и покинуть окрестности спутника, а около 1 процента диссоциирует. Характерное время присутствия воды над поверхностью определяется временем полета по баллистической траектории, составляющим в данном случае порядка 900 секунд.

Ученые пока не могут однозначно связать наблюдающийся в атмосфере тела водяной пар с подледным океаном. Возможно, что газ содержался в пустотах ледяной коры, расположенных ближе к поверхности, и был высвобожден в результате деформации льда. Если же вода была выброшена сквозь простейшее цилиндрическое отверстие в коре, то для этого его диаметр должен составлять от 120 до 480 метров.

Недавно ученые смогли объяснить характерный узор на поверхности другого ледяного спутника, Энцелада. На этом теле наблюдается гораздо более высокий темп активности, что позволило зонду «Кассини» пролететь сквозь бьющие из-под поверхности гейзеры. Также астрономы показали, что темные пятна на Европе, скорее всего, связаны с морской солью.