راز اقیانوس‌های پنهان منظومه شمسی

در بیشتر دوران حضور بشر، سیاره زمین تنها جهان پوشیده از اقیانوس شناخته‌شده بود که با تمام دیگر جزایر کیهانی تفاوت داشت. اما در سال ۱۹۷۹، دوقلوهای وویجر ناسا از کنار مشتری پرواز کردند و چشم‌اندازی بی‌سابقه را پیش‌روی ما قرار دادند. مشاهدات وویجرها نشان داد که اروپا، قمر یخ‌زده‌ی مشتری، با شیارها و شکستگی‌های متعددش، احتمالا میزبان محیطی پویا زیر سطح خود است.

فرانسیس نیمو، دانشمند سیاره‌شناس در دانشگاه کالیفرنیا سانتاکروز می‌گوید پس از ماموریت وویجر، پژوهشگران احتمال دادند که اروپا با ظاهر عجیب خود ممکن است دارای اقیانوس باشد.

سپس در سال ۱۹۹۶، فضاپیمای گالیله ناسا از کنار اروپا گذر کرد و توانست میدان مغناطیسی عجیب برآمده از درون این قمر را شناسایی کند. مارگارت کیولسون، فیزیکدان فضایی در دانشگاه کالیفرنیا لس‌آنجلس که مسئول مغناطیس‌سنج فضاپیما بود، می‌گوید: «ما به ماهیت این کشف پی نبردیم.» اما سرانجام، او و تیمش دریافتند که یک سیال رسانای الکتریکی که درون قمر وجود دارد، در واکنش به میدان مغناطیسی مشتری درحال تلاطم است. کیولسون گفت: «تنها توضیح منطقی این بود که پوسته‌ای از مایع زیر سطح یخ ذوب می‌شود.»

در سال ۲۰۰۴، فضاپیمای کاسینی ناسا به زحل رسید. وقتی این کاوشگر انسلادوس، قمر کوچک زحل را مشاهده کرد، دریافت که فواره‌های یخی درخشان از شکاف‌های وسیع در قطب جنوب قمر فوران می‌کنند. سپس وقتی کاسینی از میان این فواره‌ها پرواز کرد، به شواهد انکارناپذیر نهایی دست یافت: اقیانوسی شور زیر قمر وجود دارد که موادش با شدت به درون فضا نشت می‌کند.

اکنون اقیانوس‌ها دیگر منحصر به زمین نبودند. آن‌ها روی سطح آفتابی سیاره‌ی ما تشکیل شده‌اند؛ درحالی‌که در جهان‌های واقع در ناحیه‌ی بیرونی منظومه شمسی، در زیر یخ قرار گرفته و در تاریکی غرق شده‌اند. این اقیانوس‌های مایع زیرزمینی برای منظومه شمسی ما نه استثنا، بلکه قاعده هستند. علاوه‌بر اروپا و انسلادوس، دیگر قمرهای دارای اقیانوس پوشیده از یخ نیز تقریبا به‌طور قطع وجود دارند و ناوگانی از فضاپیماها در دهه‌ی آتی آن‌ها را از نزدیک کاوش خواهند کرد.

تمام این یافته‌ها، پارادوکسی ظاهری را مطرح می‌کنند. قمرهای غول‌های گازی از میلیاردها سال پیش در مناطق یخ‌زده‌ی منظومه شمسی وجود داشته‌اند؛ آن‌قدر طولانی که گرمای به‌جامانده از تشکیل آن‌ها، مدت‌ها پیش به درون فضا نشت کرده است. هر دریای زیرسطحی باید تا به امروز منجمد شده باشد. پس چگونه این قمرها که بسیار فراتر از گرمای خورشید درحال گردش هستند، هنوز اقیانوس دارند؟

شواهد رو به رشد نشان می‌دهد که ممکن است راه‌های متعددی برای حفظ اقیانوس‌های آب مایع در طول میلیاردها سال وجود داشته باشد. رمزگشایی از این روش‌ها می‌تواند تلاش‌های ما را برای تعیین آسودگی یا دشواری ظهور حیات در سرتاسر کیهان تسریع کند. تجزیه‌وتحلیل‌های اخیر از داده‌های فضاپیماهای قدیمی، به همراه مشاهدات اخیر فضاپیمای جونو ناسا و تلسکوپ فضایی جیمز وب، نشان داده‌اند که این اقیانوس‌های گرم حاوی مواد شیمیایی سودمند برای فرایندهای زیستی هستند. ما همچنین اکنون می‌دانیم که منظومه شمسی تنها مکانی نیست که می‌تواند به‌طور بالقوه میزبان حیات باشد.

استیون ونس، اخترزیست‌شناس و ژئوفیزیکدان در آزمایشگاه پیش‌رانش جت ناسا، می‌گوید: «اقیانوس‌ها در زیر قمرهای یخی عجیب و غیرمتحمل به‌نظر می‌آیند.» و بااین‌حال، این دریاهای بیگانه همچنان مایع باقی مانده‌اند.

دانشمندان گمان می‌کنند که تعداد انگشت‌شماری از قمرهای چرخان به دور مشتری و زحل و شاید حتی برخی از آن‌هایی که به دور اورانوس و نپتون می‌چرخند، اقیانوس‌هایی را در دل خود جای داده‌اند. گانیمد بزرگ و کالیستوی ضربه‌خورده، سیگنال‌های مغناطیسی ضعیف شبیه به اروپا تولید می‌کنند. تیتان پوشیده از مه نیز به احتمال زیاد دارای اقیانوس زیرسطحی از آب مایع است. به‌گفته‌ی مایک سوری، دانشمند سیاره‌شناس در دانشگاه پردو، این پنج قمر، اجرامی هستند که اکثر دانشمندان در جامعه‌ی علمی از وجود اقیانوس در آن‌ها کاملا مطمئن هستند.

تا به امروز، تنها یقین مطلق اقیانوس انسلادوس است. کارلی هاوت، دانشمند علوم سیاره‌ای در دانشگاه آکسفورد، می‌گوید هیچ شکی درباره‌ی وجود اقیانوس در انسلادوس وجود ندارد.

مارگارت کیولسون، فیزیکدان فضایی در دانشگاه کالیفرنیا و همکارانش بدین نتیجه رسیدند که اقیانوسی سرتاسری احتمالا در زیر سطح اروپا پنهان شده است.

در دهه‌ی ۱۹۸۰، برخی از دانشمندان گمان می‌کردند که انسلادوس دارای فواره است. حلقه‌ی E‌ زحل به قدری تمیز و براق بود که احتمالا چیزی از یکی از قمرها باید به درون فضا نشت و به‌طور دائم آن را احیا می‌کرد. پس از آنکه کاسینی سرانجام آن جادوی حلقه‌ساز را در عمل مشاهده کرد، دانشمندان به‌‌طور اجمالی این پرسش را مطرح کردند که آیا فواره‌های برآمده از قطب جنوب انسلادوس ممکن است حاصل تبخیر یخ در پوسته‌ی قمر دراثر تابش نور خورشید باشد یا خیر.

نیمو گفت: «برای مدتی این بحث این وجود داشت که آیا اصلا اقیانوسی در کار است یا نه. آنچه واقعا باعث حل معما شد، پرواز کاسینی از میان فواره‌ها و کشف نمک (سدیم کلرید) بود. آنجا واقعا اقیانوس است.» همچنان این احتمال وجود داشت که فواره‌ها از دریایی کوچک‌تر و جداافتاده‌تر فوران کنند. اما مشاهدات بیشتر کاسینی نشان داد که پوسته‌ی انسلادوس آن‌قدر تکان می‌خورد که باید به‌وسیله‌ی اقیانوسی سرتاسری از فضای درونی عمیق‌تر قمر جدا شده باشد.

بااین‌حال، چه چیزی می‌تواند به سامانه‌ای از چاه‌های گرمابی به اندازه‌ی کافی نیرو بدهد تا کل اقیانوس را گرم کنند؟ سرنخ‌های این معما درون یک قمر دیگر نهفته است.

در ژوئن سال ۱۹۷۹، یک ماه قبل از گذر وویجر ۲ از کنار اروپا، دانشمندان اعلام کردند که وویجر ۱ فواره‌های بسیار بزرگ و چترشکلی را رصد کرده است که برفراز آیو به فضا می‌روند؛ مشاهده‌ای که نشانه‌ی فوران چندین آتشفشان بود.

یافته‌ی وویجر ۱ برای دانشمندان گیج‌کننده بود؛ زیرا آتشفشان به منبع گرمای داخلی نیاز دارد و آیو، مانند سایر قمرهای یخی، نباید چیزی جز تکه‌سنگی نیم‌سوز باشد. بااین‌حال، چند ماه قبل، گروهی مستقل از دانشمندان به درستی پیش‌بینی کرده بودند که آیو ممکن است جهانی بیش‌فعال از نظر آتشفشانی باشد.

دانشمندان براساس رقص مداری بزرگ‌ترین قمرهای مشتری، ماهیت آیو را پیش‌بینی کردند. به ازای هر چهار مداری که آیو کامل می‌کند، اروپا دو و گانیمد یک چرخش را به پایان می‌رسانند. این پیکربندی مداری که رزونانس نام دارد، موجب تاب‌خوردن آیو به عقب و جلو و بیضوی‌شدن مدار آن می‌شود. وقتی آیو به مشتری نزدیک‌تر می‌شود، تاثیر گرانش غول گازی بر آن افزایش می‌یابد و وقتی قمر دورتر می‌رود، کشش مشتری تضعیف می‌شود. این کشمکش گرانشی بی‌پایان موجب می‌شود که سطح سنگی آیو به اندازه‌ی ارتفاع ساختمانی ۳۰ طبقه بالا و پایین برود. این حرکات سطحی شبیه همان جزرومدهای زمین هستند؛ اما صرفا در سنگ جامد و نه آب اتفاق می‌افتند.

آن جزومدها، اصطکاکی را در آیو ایجاد می‌کنند که تولیدکننده‌ی گرما است. این گرمایش کشندی به اندازه‌ای قوی است که سنگ را در اعماق قمر ذوب کند. نیمو می‌گوید: «آیو اقیانوس آبی ندارد؛ اما احتمالا دارای اقیانوسی از ماگما است.» فضاپیمای گالیله یک میدان مغناطیسی ثانویه نیز در آنجا پیدا کرد که به‌وسیله‌ی مخزنی زیرزمینی و سرتاسری از سنگ مذاب به‌وجود آمده بود.

فرانسیس نیمو از دانشگاه کالیفرنیا سانتاکروز می‌خواهد اسرار جهان‌های یخی و اقیانوسی منظومه شمسی را حل کند.

اروپا نیز مقداری گرمایش کشندی تجربه می‌کند؛ اما اینکه جزومدها چقدر اقیانوس آن را گرم می‌کنند، به موقعیت وقوع آن‌ها در قمر بستگی دارد. به عبارت دیگر، مقدار کافی از این گرما باید به اقیانوس برسد تا آن را مایع نگه دارد. نیمو گفت: «گرمای کشندی ممکن است در خود پوسته‌ی یخی یا شاید در هسته‌ی سنگی زیر آن اتفاق بیفتد. دانشمندان نمی‌دانند کدام یک صحیح است؛ درنتیجه نمی‌توانند با اطمینان بگویند که گرمایش کشندی تا چه حد در فضای درونی مایع اروپا نقش دارد.

انسلادوس نیز دراثر رقص گرانشی خود با دیونه، قمر همسایه‌اش کشیده و فشرده می‌شود. از نظر تئوری، این اثر گرانشی می‌تواند جزرومدی را شکل دهد که درون قمر را گرم می‌کند؛ اما جزرومد ایجادشده دراثر رزونانس انسلادوس با دیونه، دست‌کم روی کاغذ برای توضیح اقیانوس آن کافی به نظر نمی‌رسد. به‌گفته‌ی سوری، محاسبات هنوز بی‌نتیجه هستند. مقدار گرمای تولیدشده به‌منظور حفظ اقیانوس سرتاسری انسلادوس برای میلیاردها سال پس از تولد منظومه شمسی، کافی نیست. شاید مانند اروپا، دانشمندان به‌طور دقیق نمی‌دانند که جزرومد در کجای انسلادوس گرما تولید می‌کند.

یکی دیگر از عوامل گیج‌کننده این است که مدارها درطول زمان نجومی ثابت نیستند. دیوید روتری، دانشمند سیاره‌شناس در دانشگاه آزاد بریتانیا می‌گوید با تکامل منظومه‌های سیاره‌ای، قمرها مهاجرت می‌کنند. با ورود اجرام به وضعیت رزونانس و خروج از آن، گرمایش کشندی ممکن است خاموش و روشن شود. دانشمندان گمان می‌کنند که این اتفاق در مورد میراندا و آریل، دو قمر اورانوس که احتمالا در گذشته زوج رقصنده بوده‌اند، رخ داده است. ظاهر این قمرها به‌گونه‌ای است که انگار زمانی از نظر زمین‌شناسی فعال بوده؛ اما اکنون احتمالا تا هسته‌ی خود منجمد شده‌اند.

به‌همین ترتیب، انسلادوس ممکن است از ابتدا شریک رقص دیونه نبوده باشد. شاید هماهنگی آن‌ها در چرخش به دور زحل تازه همین اواخر شروع شده و این قمرِ سابقا جامد را گرم کرده باشد. اما توضیح چنین سناریویی دشوار است. سوری می‌گوید: «به‌جای انجماد و ذوب دوباره‌ی اقیانوس، راحت‌تر است که آن را نگهداری و حفظ کنید.» درنتیجه اگر گرمایش کشندی به‌طور انحصاری عامل شکل‌گیری اقیانوس انسلادوس باشد، پس این قمر رقصنده‌ای کهنه‌کار با سابقه‌ی میلیاردها سال است.

درحال‌حاضر، تنها قطعیت در مورد اقیانوس انسلادوس، این است که وجود دارد. سوری می‌گوید اینکه چگونه این اقیانوس به وجود آمد و چگونه هنوز هم وجود دارد، «یکی از پرسش‌های حل‌نشده‌ی واقعا بزرگ محسوب می‌شود.» شناخت انسلادوس سخت است.

خوشبختانه، فضای درونی گرم قمرها منحصرا وابسته به جزرومد نیست.

نیمی از گرمای درونی زمین از تولد آن حاصل شده است. سایر گرما از عناصر رادیواکتیو درحال واپاشی ناشی می‌شود. به‌طور مشابه، اعماق غنی از سنگ قمرهای یخی باید حاوی مقدار مناسبی اورانیوم، توریم و پتاسیم باشد؛ ذخایر رادیواکتیوی که پیش از واپاشی به عناصر پایدار و توقف انتشار گرما، می‌توانند تا میلیون‌ها و چه بسا میلیاردها سال، به محیط اطراف خود گرما ببخشند.

قمرهای بزرگ‌تر با ذخایر فراوان مواد رادیواکتیو به دنیا آمدند و شاید این تمام چیزی باشد که اقیانوس‌هایشان نیاز دارند. به‌گفته‌ی ونس، برای قمرهای بزرگ‌تر مثل گانیمد، کالیستو و تیتان، داشتن گرما به سبب برخورداری از این عامل پرتوزا اجتناب‌ناپذیر است. برخی از دانشمندان حتی استدلال می‌کنند که پلوتو نیز دارای اقیانوس زیرسطحی است. این سیاره کوتوله احتمالا مانند سه قمر یادشده با پوسته‌ای به اندازه‌ی کافی ضخیم که نشت گرمای رادیواکتیو به فضا را کند می‌کند، محافظت شده است.

بااین‌حال، هسته‌های نسبتا کوچک قمرهای کوتوله مانند انسلادوس، از مواد رادیواکتیو کافی که آن‌ها را برای میلیاردها سال برشته نگه دارند، برخوردار نیستند. یک توضیح رضایت‌بخش برای معما این است که شاید انسلادوس به‌تازگی خوش‌شانس بوده است: پرتوزایی می‌تواند بخش اولیه‌ی گذشته‌ی اقیانوسی این قمر و رقص آن با دیونه، قسمت جدیدتر را توضیح دهد. پستبرگ گفت: شاید «اکنون در نقطه‌ی تقاطع هستیم؛ جایی که [گرمایش] رادیواکتیو آن‌قدر پایین می‌آید که گرمایش کشندی جای آن را می‌گیرد.»

اگر چنین توضیحی را بپذیریم، شاید انسلادوس با ترکیب تصادفی از گرمایش کشندی و پرتوزایی خود، نماینده‌ی قمرهای کیهان باشد؛ بدین معنا که قمرهای اقیانوسی ممکن است در همه جا وجود داشته باشند یا برعکس، تقریبا در هیچ کجا یافت نشوند.

توضیح جایگزین و بحث‌برانگیز برخی از دانشمندان این است که انسلادوس ممکن است بسیار جوان باشد.

بررسی عمیق انبوه داده‌های جمع‌آوری‌شده با فضاپیمای کاسینی، نشان داده که زحل با حلقه‌های نمادین خود متولد نشده است. درحال‌حاضر، بسیاری از دانشمندان متقاعد شده‌اند که حلقه‌ها فقط چند صد میلیون سال پیش شکل گرفته‌اند. پژوهش‌های جدید با استفاده از ابررایانه‌ها برای شبیه‌سازی رویارویی‌های خشونت‌بار قمری نشان می‌دهد که حلقه‌های زحل هنگام برخورد دو قمر باستانی در زمان پرسه‌زنی دایناسورها روی زمین شکل گرفتند. این تصادم شدید، مدار زحل را لبریز از انبوه تکه‌های یخی کرد. درحالی‌که اغلب بقایا حلقه‌ها را تشکیل می‌دادند، برخی دیگر قمرهای موجود را درهم شکستند و اقمار جدید به‌وجود آوردند. اگر حلقه‌ها جوان باشند، انسلادوس و تعداد انگشت‌شماری از قمرهای دیگر نیز ممکن است جوان باشند.

جیکوب کگرایس، پژوهشگر در مرکز تحقیقات ایمز ناسا در کالیفرنیا و یکی از نویسندگان مطالعه‌ی جدید درباره‌ی حلقه‌های زحل، می‌گوید به‌نظر می‌آید پژوهشگران به تدریج نسبت به در نظرگرفتن ایده‌ی جوان‌بودن قمرها پذیراتر می‌شوند.

این حقیقت غیرمنتظره که دانشمندان سن برخی از قمرهای زحل را نمی‌دانند، از ایده‌ی تشکیل آن‌ها در دوران اخیر حمایت می‌کند. روتری می‌گوید: «انسلادوس ممکن است فقط چند صد میلیون یا ده‌ها میلیون سال عمر داشته باشد.» اگر چنین باشد، گرمای ناشی از تولد خشونت‌بارش ممکن است همچنان اقیانوس جوانش را مایع نگه دارد.

بااین‌حال، داستان قمرهای جوان به دور از قطعیت است. شمار زیاد دهانه‌های موجود روی سطح آن‌ها، نشان می‌دهد که قمرها به اندازه‌ی کافی عمر داشته‌اند تا محیط آشوبناک اوایل شکل‌گیری منظومه شمسی را تجربه کنند. نیمو می‌گوید: «فکر می‌کنم چند صد میلیون سال پیش اتفاقی عجیب در منظومه‌ی زحل رخ داده؛ اما حدسم این است که تمام قمرها ۴٫۵ میلیارد سال قدمت دارند.»

از آنجایی که از پایان ماموریت‌های گالیله و کاسینی سال‌ها می‌گذرد، دانشمندان اکنون امید خود را به دو فضاپیما بسته‌اند: کاوشگر اقمار یخی مشتری از آژانس فضایی اروپا که به‌تازگی پرتاب شد و اروپا کلیپر از ناسا که هنوز پرتاب نشده است. هر دو فضاپیما در آغاز دهه‌ی آینده به مشتری خواهند رسید.

یکی از اهداف فضاپیمای کلیپر که قرار است در اکتبر ۲۰۲۴ به پرواز درآید، تایید وجود اقیانوس اروپا است. نیمو می‌گوید: «درباره‌ی کلمه‌ی اقیانوس بحث‌های زیادی وجود دارد. کلیپر می‌تواند چیزی به غیر از اقیانوس پیدا کند. آنجا ممکن است دریایی یخ‌زده مملو از حفره‌های آب حاصل از ذوب یخ وجود داشته باشد.» بااین‌حال وی افزود به احتمال ۹۹ درصد در اروپا اقیانوس وجود دارد.

با فرض اینکه کلیپر وجود اقیانوس اروپا را تایید کند، باید برای توصیف ویژگی‌های قمر و دریای زیرسطحی آن دست به کار شود. فضاپیما به‌منظور انجام این کار، شروع به شناسایی مولکول‌های موجود روی سطح اروپا خواهد کرد و اگر دانشمندان خوش‌شانس باشند، کلیپر درحین پرواز برفراز قمر، هرگونه یخ، بخار آب و گردوغبار میکروسکوپی برخاسته از سطح آن را جذب خواهد کرد.

آن ذرات به‌وسیله‌ی دستگاه تحلیلگر گردوغبار سطحی مورد مطالعه قرار خوهند گرفت؛ بدین صورت که وقتی ذرات به صفحه‌ی فلزی دستگاه برخورد می‌کنند، تبخیر و دارای بار الکتریکی می‌شوند و به ابزار امکان می‌دهند تا ماهیت شیمیایی ذره را آشکار کند. امید می‌رود که فواره‌ها، اقیانوس اروپا را به آرامی درون فضا تخلیه و کار کلیپر را برای کاوش قمر به‌طرز چشمگیر راحت‌تر کنند. چنین فواره‌هایی احتمالا وجود دارند؛ اما مانند نمونه‌های موجود در انسلادوس نیستند، بلکه ممکن است دوره‌ای و از نظر جغرافیایی پراکنده باشند. یا حتی امکان دارد اصلا فواره‌ای در کار نباشد. در آن صورت، باید امید داشت که بارش ریزشهاب‌ها روی پوسته‌ی یخی قمر، ریزذرات را از اقیانوس آزاد کند و به سمت کلیپر بپاشاند.

جزرومد، پرتوزایی، فرایندهای شیمیایی و جوانی؛ این عوامل وقتی به روش صحیح ترکیب شوند، می‌توانند اقیانوس‌ها را در قمرهای یخی به‌وجود آورند و حفظ کنند. هاوت گفت: «با این اوصاف، تصور نمی‌کنم عامل گرمایش یک چیز باشد.» دستورالعمل خاص برای هر قمر ممکن است متفاوت باشد. صدها روش برای ساختن قمر یخی انباشته از اقیانوس وجود دارد.

کیولسون گفت: «کشف اقیانوس پنهان اروپا، واقعا طرز فکر پژوهشگران را در مورد قمرها دگرگون کرد و علم را در مسیری قرار داد تا دریابد آیا اشکال حیات بیگانه ممکن است این دریاهای بیگانه را پر کرده باشند یا خیر. یافتن دریاهای بیگانه شاید کشفی را به ارمغان بیاورد که تصور ما را از جایگاهمان در جهان برای همیشه تغییر دهد.