Tuoreessa tiedeartikkelissa, joka julkaistiin Communications Earth and Environment -lehdessä, tarkastellaan Saturnuksen Enceladus-kuun jäisen kuoren alla vellovan vesimassan dynamiikkaa tai pikemminkin sen puutetta.

Mikäli meressä on elämää, sen täytyy saada energiansa kuun sisuksista tihkuvasta lämmöstä ja mineraaleista, sillä auringonvalo ei edes kajasta paksun jääkuoren läpi. Siksi elämää – jos sitä on – esiintyy hyvin syvällä, lähinnä meren pohjassa.  

Suunniteltaessa jäisille kuille suuntautuvia luotainlentoja on ajateltu, että robottikaira voisi porautua jään läpi, ottaa näytteitä vedestä ja palauttaa ne tutkittaviksi kiertolaisluotaimeen, ehkä jopa Maahan saakka.

Readingin yliopistossa tehdyn tutkimuksen mukaan se ei välttämättä anna vastausta kysymykseen elämän esiintymisestä. Tietokonemallinnusten perusteella Enceladuksen vesi nimittäin kerrostuu samaan tapaan kuin öljy ja vesi lasipurkissa. 

Hyiseen mereen saattaa muodostua tarkkarajaisia kerroksia, joiden läpi kulkeutuessaan pintaa kohti hyvin verkkaisesti nousevat pieneliöt ja muu orgaaninen aine voi hajota niin, ettei sitä enää pysty tunnistamaan elämän merkeiksi.    

”Elämästä kertovat kemialliset yhdisteet voivat jäädä näihin kerroksiin nalkkiin sadoiksi tai jopa sadoiksituhansiksi vuosiksi, kun niiden aiemmin arveltiin kohoavan pintakerroksiin kuukausien kuluessa”, tutkimusta johtanut Flynn Ames toteaa. 

Enceladuksen tapauksessa toivoa on herättänyt, että sen uumenista suihkuaa pinnan halkeamien kautta vettä ja jäähileitä avaruuteen. Näitä kylmiä suihkuja on jo tutkittu Cassini-luotaimella, joka kiersi Saturnusta vuosina 2004–2017. Nyt näyttää siltä, että näiden jäisten geysirien tutkimisesta ei ollut eikä olisi jatkossakaan elämän etsinnän kannalta ihmeempää hyötyä.

Uuden tutkimuksen mukaan Saturnuksen renkaiden lisäksi myös jättiläisplaneetan jäiset kuut ovat melko tuoreita tulokkaita – siis tähtitieteellisessä mielessä. Niillä on ikää ehkä vain sata miljoonaa vuotta. 

Saturnuksen renkaista on tehty havaintoja jo 1600-luvulta lähtien, mutta niiden iästä ei silti ole päästy vieläkään yksimielisyyteen. Yhden koulukunnan mukaan ne ovat syntyneet pian planeetan itsensä muotoutumisen jälkeen eli yli neljä miljardia vuotta sitten.

Toinen näkemys ajoittaa niiden synnyn paljon myöhäisempään ajankohtaan. Saturnuksen ja sen sisempien kuiden keskinäinen vetovoima ja sen aiheuttama vuorovesi-ilmiö saa kuut hitaasti loittonemaan planeetasta. Siitä on päätelty, että sekä kuiden että renkaiden on täytynyt syntyä melko äskettäin, jotta ne voisivat olla yhä kiertämässä Saturnusta.

Ulommat kuut, esimerkiksi suurin niistä eli Titan, ovat todennäköisesti yhtä vanhoja kuin Saturnus, mutta sisempien kiertolaisten ikä olisi tuoreen arvion mukaan vain noin sata miljoonaa vuotta. Silloin dinosaurukset olivat Maan valtiaita.

SETI-instituutin tutkijan Matija Cukin johtama ryhmä mallinsi tietokoneella Saturnuksen sisempien kuiden liikkeitä. Jättiläisplaneetan kuuperheen jäsenet ovat radoilla, jotka vuorovesivoimien ansiosta hiljalleen etääntyvät Saturnuksesta. Etääntymisen tahti kuitenkin vaihtelee kuusta toiseen, joten niiden vaikutukset toistensa ratoihin muuttuvat aikaa myöten.

Se puolestaan saa aikaan kuiden vaeltelun siten, että ne tulevat ajoittain hyvinkin lähelle toisiaan. Seuraukset voivat olla katastrofaaliset.

Kuiden iästä on tehty arvioita tutkimalla Saturnuksen vuorovesivoimien vaikutusta Enceladus-kuuhun. Sen pinnan alta purkautuu vesihöyryä, joten siellä arvellaan olevan nestemäistä vettä. Hyisissä olosuhteissa tarvittava lämpö tulee kuun muodonmuutoksista, joiden taustalla ovat juuri jättiläisplaneetan aiheuttamat vuorovesivoimat. 

Kun tunnetaan niiden voimakkuus ja toisaalta Enceladuksen radassa tapahtuneet muutokset Cukin kumppaneineen tekemän tietokonemallinnuksen perusteella, voidaan laskea, missä ajassa Enceladuksen rata on muuttunut todetulla tavalla. Vastaus on noin 100 miljoonaa vuotta. Tutkijoiden mukaan se kertoo sisempien kuiden syntyajankohdan. 

"Mikä sitten sai aikaan sisempien kuiden myöhäisen synnyn? Paras arvauksemme on, että Saturnuksella oli aiemmin jokseenkin samanlainen kuukatras, mutta niiden radoissa esiintyi voimakkaita häiriöitä, jotka saivat lähekkäisten kuiden radat risteämään ja kuut törmäämään toisiinsa. Hajonneiden kuiden kappaleista muotoutuivat sitten nykyiset kuut sekä Saturnuksen renkaat", arvioi Cuk.

Tutkimuksesta kerrottiin SETI-instituutin uutissivuilla ja se on julkaistu Astrophysical Journal -tiedelehdessä.

Kuva: NASA

NASAn Cassini-luotain on lähettänyt Maahan ensimmäiset kuvat, jotka se otti viime keskiviikkona ohittaessaan Saturnuksen Enceladus-kuun etelänavan 49 kilometrin etäisyydeltä.

"Cassinin huikeat kuvat tarjoavat pikavilkaisun Enceladuksen lähiohituksesta, mutta kaikkein jännittävimmät tutkimustulokset ovat vasta tulossa", toteaa Linda Spiker Jet Propulsion Laboratorysta.

NASAn Cassini-luotain ohittaa huomenna Saturnuksen Enceladus-kuun ainoastaan 48 kilometrin etäisyydeltä. Kiertolaisen etelänapaa hipovan ohilennon aikana luotain kulkee hyisten suihkujen läpi ja tutkii kuun sisuksista purkautuvaa vesihöyryä ja jääkiteitä. 

Elämää ei etsitä, sillä Cassini-luotaimen laitteita ei ole moiseen suunniteltu, mutta tutkijoiden toiveissa on saada entistä enemmän tietoa Enceladuksen sisuksissa vellovasta merestä ja sen olosuhteista – myös elämän kannalta.

Yksi keskeisistä tavoitteista on saada selkoa Enceladuksen hydrotermisestä toiminnasta eli kiviaineksen ja kuuman veden vuorovaikutuksesta. Siitä kertoisivat kuun pinnalta suihkuavan vesihöyryn joukossa olevat vetymolekyylit.

Saturnuksen jäinen kuu Enceladus suihkuttaa avaruuteen vesihöyryä ja jääkiteitä. Sen pinnan alla on oletettu olevan ainakin paikallisia vesiesiintymiä, mutta nyt näyttää siltä, että kuu kätkee sisuksiinsa kokonaisen meren samaan tapaan kuin Jupiterin Europa-kuu.

Tutkijat ovat päätyneet tähän tulokseen tarkkailemalla Enceladuksen pientä huojumista sen kiertäessä renkaiden ympäröimää jättiläisplaneettaa. Havainnot perustuvat Cassini-luotaimen tarkkoihin kuviin, joita se on välittänyt kiertäessään Saturnusta yli kymmenen vuoden ajan.

Peter Thomasin johtama ryhmä mittasi Cassinin lähettämistä Enceladuksen kuvista noin 5 800 pinnanmuodon tarkan sijainnin, ja päätyi siihen, että kuu heilahtelee asteen kymmenyksen verran kierroksensa aikana. 

Enceladuksen huojunta johtuu siitä, että se ei ole täysin pyöreä. Lisäksi se kiertää Saturnusta hieman soikealla radalla, joten sen nopeus vaihtelee. Siksi se ikään kuin vaappuu aavistuksen puolelta toiselle. Libraation perusteella Enceladuksen sisärakenteelle laadittiin erilaisia malleja, jota verrattiin kuviin perustuviin tarkkoihin mittauksiin. 

"Jos pinta ja sisus olisivat kiinni toisissaan, ytimen massa pitäisi huojunnan paljon havaitsemaamme vähäisempänä", sanoo tutkimusryhmään kuulunut Matthew Tiscareno.

Vähäisyydestään huolimatta libraatio on siis paljon suurempaa kuin sen pitäisi olla, jos Endelaksen jäinen kuori olisi lujasti ankkuroitunut sen sisempiin kerroksiin. Johtopäätös on se, että jääkuoren ja sisäosien välissä on kauttaaltaan vettä, ei ainoastaan kuun eteläisten napaseutujen alla, kuten aiemmin arveltiin. 

Tutkijoiden tehtävä ei ollut helppo. Mittauspisteet merkittiin kuviin käsityönä, mutta suuresta urakasta ei olisi ollut hyötyä, ellei Cassinin sijaintia olisi tiedetty tarkasti. Se puolestaan edellytti  luotaimen radiosignaalien seurantaa hyvin suurella tarkkuudella.

Löydöllä on merkitystä myös elämän etsinnän kannalta. Cassini-luotain kuvasi Enceladuksen hyiset suihkulähteet ensimmäisen kerran vuonna 2006. Myöhempien lähiohitusten aikana saatiin selville, että vesi on suolaista ja lopulta viime vuonna kuun gravitaatiovaikutusten perusteella pääteltiin, että eteläisten napa-alueiden alla velloo meri. Nyt siis näyttää siltä, että siinäkään ei ole vielä kaikki.

"Meren laajuus kertoo, että se on todennäköisesti hyvin vanha ja säilynyt koko kuun kattavien ilmiöiden seurauksena. Se on lupaavaa elämälle suotuisten olosuhteiden kannalta", Tiscareno arvioi.

Cassini ohittaa Enceladuksen seuraavan kerran 28. lokakuuta. Silloin se kulkee ennätyksellisen lähellä kuun pintaa, ainoastaan 50 kilometrin etäisyydellä. Luotain lentää todennäköisesti jäisen suihkun läpi ja pystyy tekemään kuun sisuksista tulevasta vedestä entistä tarkempia mittauksia.

Löydöstä kerrottiin Cornellin yliopiston, SETI-instituutin ja NASAn uutissivuilla, ja se julkaistaan Icarus-tiedelehdessä.

Kuva: NASA/JPL-Caltech

Kuten Tiedetuubissa viime viikolla kerrottiin, Cassini-luotain ohitti 17. elokuuta Saturnuksen Dione-kuun viimeisen kerran lähietäisyydeltä. Maanantaisen ohilennon aikana luotaimen ja kuun välimatka oli ainoastaan 474 kilometriä ja kuvien erotuskyky oli sen mukainen, parhaimmillaan vain muutaman metrin.

Cassinin päätehtävä oli tutkia Dionen gravitaatiokenttää, joten luotaimen asento ei ollut kuvien ottamisen kannalta paras mahdollinen. Siitä huolimatta saalis on näyttävä.

Saturnusta kiertävä Cassini-luotain on tehnyt havaintoja, jotka viittaavat hydrotermiseen toimintaan jäisen Enceladus-kuun uumenissa. Jo aiemmin on arveltu, että sellaista voisi esiintyä Jupiterin Europa-kuussa, jonka jääkuoren alla on syvä meri.

Havaintoja ei ole tehty suoraan Enceladuksesta, jonka etelänavan seutuvilta löytyi jo kymmenen vuotta sitten vesihöyryä ja jääkiteitä suihkuttavia geysirejä. Eri olomuodoissa olevan veden mukana avaruuteen kulkeutuu pieniä, alle kymmenen nanometrin läpimittaisia kivensiruja, joita luotaimen kosmisen pölyn mittalaite on tutkinut.

Pitkällisen analyysin, laboratoriokokeiden ja tietokonemallinnusten perusteella tutkijat ovat päätelleet, että piipitoiset kivensirut ovat syntyneet, kun Enceladuksen sisuksista on noussut kuumaa, mineraalipitoista vettä, joka on joutunut kosketuksiin kylmemmän veden kanssa. Hiukkasten ominaisuuksien perusteella vaadittava lämpötila on vähintään 90 celsiusastetta.

Samanlaisia hitusia syntyy Maan valtamerten syvänteissä, kun emäksisen, mineraalipitoisen veden lämpötila laskee äkisti. Tällainen ilmiö esiintyy hydrotermisten purkausaukkojen eli niin sanottujen valkoisten savuttajien, mustien savuttajien "serkkujen" yhteydessä.

Näyttää siis siltä, että Enceladuksen jäisen kuoren alla on meri, jonka pohjassa on samankaltaista hydrotermistä toimintaa kuin maapallon merissä. Ja valkoisten savuttajien arvellaan olleen mahdollisesti merkittävässä osassa, kun Maan elämä muinoin syntyi.

Kivensirujen pieni koko viittaa siihen, että ne kulkeutuvat alkulähteiltään avaruuteen melko nopeasti, muutamassa kuukaudessa tai korkeintaan muutamassa vuodessa. Painovoimamittausten perusteella on päätelty, että Enceladuksella on 30–40 kilometriä paksu jääkuori, jonka alla on kymmenen kilometriä syvä meri. Kivensirut olisivat siis peräisin noin 50 kilometrin syvyydestä.

Hydrotermiseen toimintaan viittaa myös Enceladuksen pinnan alta veden ja jään mukana purkautuva metaani. Kuun sisuksissa olevan meren suuressa paineessa voi syntyä klatraattia, jossa metaanimolekyylejä on sitoutunut vesijään kiderakenteeseen. Sitoutuva metaani olisi peräisin hydrotermisestä toiminnasta, johon myös kivensirujen tutkimus viittaa. 

Kumpikaan havainto ei kerro elämän esiintymisestä – vaikka sensuuntaisia otsikoita aiheesta epäilemättä tulemme näkemään – mutta ne osoittavat, että jättiläisplaneettojen jäisten kuiden sisuksissa olosuhteet voivat olla samankaltaiset kuin maapallolla elämän ilmaantuessa tänne.