Новое исследование, проведенное исследователями из Калифорнийского университета в Санта-Крузе, предполагает, что жерла с более низкой температурой, которые распространены по морскому дну Земли, могут помочь создать условия для поддержания жизни в «океанических мирах» в нашей Солнечной системе.
Океанские миры — это планеты и спутники, на которых есть (или имелся в прошлом) жидкий океан, часто под ледяной оболочкой или внутри их скалистых недр. В Солнечной системе Земли несколько спутников Юпитера и Сатурна представляют собой океанские миры, и их существование послужило мотивом для всего: от рецензируемых академических исследований и полетов космических кораблей со спутниками до популярных фильмов.
Многие направления исследований показывают, что некоторые океанические миры выделяют достаточно тепла внутри себя, чтобы обеспечить гидротермальную циркуляцию под морским дном. Это тепло генерируется в результате радиоактивного распада, который происходит глубоко в Земле, а дополнительное тепло, возможно, генерируется приливами и отливами.
Системы «камень-тепло-жидкость» были обнаружены на морском дне Земли в 1970-х годах, когда ученые наблюдали выбросы жидкостей, переносящих тепло, частицы и химические вещества. Многие жерла были окружены новыми экосистемами, в том числе специализированными бактериальными матами, красно-белыми трубчатыми червями и чувствительными к теплу креветками.
В этом новом исследовании, опубликованном в Journal of Geophysical Research: Planets, ученые использовали сложную компьютерную модель, основанную на гидротермальной циркуляции, которая происходит на Земле. Изменив такие переменные, как гравитация, тепло, свойства горных пород и глубину циркуляции жидкости, они обнаружили, что гидротермальные жерла могут существовать в широком диапазоне условий. Если такого рода потоки возникают в океанском мире, таком как спутник Юпитера Европа, они могут повысить вероятность существования жизни и там.
«Это исследование предполагает, что низкотемпературные (не слишком горячие для жизни) гидротермальные системы могли существовать в океанских мирах за пределами Земли в течение времени, сравнимого с тем, которое требуется для зарождения жизни на Земле», — сказал ведущий автор исследования Эндрю Фишер из Калифорнийского университета в Санта-Крус.
Система циркуляции морской воды, на которой команда основывала свои компьютерные модели, была обнаружена на морском дне возрастом 3,5 миллиона лет в северо-западной части Тихого океана, к востоку от хребта Хуан-де-Фука. Там прохладная придонная вода поступает через потухший вулкан (подводную гору), проходит под землей около 30 миль, а затем вытекает обратно в океан через другую подводную гору. «Вода накапливает тепло по мере своего течения и выходит теплее, чем когда она втекала, и имеет совсем другой химический состав», — объяснила второй автор статьи Кристин Дикерсон.
Поток с одной подводной горы на другую обусловлен плавучестью, поскольку вода становится менее плотной при нагревании и более плотной при охлаждении. Различия в плотности создают различия в давлении жидкости в породе, и система поддерживается самими потоками — работает до тех пор, пока подается достаточно тепла, а свойства породы обеспечивают достаточную циркуляцию жидкости. «Мы называем это гидротермальным сифоном», — сказал Фишер.
В то время как высокотемпературные жерловые системы возникают в основном из-за вулканической активности под морским дном, Фишер объяснил, что гораздо больший объем жидкости течет в морское дно Земли и из него при более низких температурах, что обусловлено главным образом «фоновым» охлаждением планеты. «Поток воды через низкотемпературные вентиляции эквивалентен по количеству сбрасываемой воды всем рекам и ручьям на Земле и отвечает за около четверти потерь тепла на Земле», — сказал он. «Весь объем океана выкачивается со дна моря примерно каждые полмиллиона лет».
Многие предыдущие исследования гидротермальной циркуляции на Европе и Энцеладе, небольшом спутнике, вращающемся вокруг Сатурна, рассматривали жидкости с более высокой температурой. По словам Донны Блэкман, исследователя EPS и третьего автора новой статьи, на карикатурах и других рисунках на морском дне часто изображены системы, похожие на черных курильщиков на Земле. «Потоки с более низкой температурой, по крайней мере, столь же вероятны, если не более вероятны», — сказала она.
Команда была особенно воодушевлена одним результатом компьютерного моделирования, представленным в новой статье, показавшим, что при очень низкой гравитации — например, на морском дне Энцелада — циркуляция может продолжаться при низких и умеренных температурах в течение миллионов или миллиардов лет. Это могло бы помочь объяснить, как небольшие океанские миры могут иметь долгоживущие системы циркуляции жидкости под морским дном, хотя нагрев ограничен: низкая эффективность отвода тепла может привести к значительному долголетию — по сути, на протяжении всей жизни Солнечной системы.
Ученые-планетологи обращаются к наблюдениям спутниковых миссий, чтобы определить, какие условия существуют или возможны на океанских мирах. Авторы новой статьи планируют присутствовать на запуске космического корабля Europa Clipper позднее этой осенью на мысе Канаверал, штат Флорида, вместе с коллегами, участвующими в проекте Exploring Ocean Worlds .
Исследователи признают неопределенность того, когда на морском дне океанских миров будут непосредственно наблюдать наличие активных гидротермальных систем. Их расстояние от Земли и физические характеристики представляют собой серьезные технические проблемы для миссий космических кораблей. «Таким образом, крайне важно максимально использовать доступные данные, большая часть которых собрана удаленно, и использовать понимание десятилетий детальных исследований аналоговых систем Земли», — заключают они в статье.
