شواهد جدید از گرمایش جهانی انسلادوس و قابلیت زیستی

تحلیل تازه‌ای از داده‌های مأموریت ناسا کاسینی نشان می‌دهد که ماه یخی زحل، انسلادوس، گرمای بیشتری از آنچه پیش‌بینی می‌شد آزاد می‌کند — و نکتهٔ مهم‌تر اینکه این گرما تنها از فواره‌های فعال قطب جنوب نشأت نمی‌گیرد بلکه از شمالی که پیش‌تر آرام به نظر می‌رسید نیز جریان دارد. این توزیع متوازنِ گرمایی، احتمال وجود یک اقیانوس زیرسطحی شور و سرتاسری را که می‌تواند برای میلیون‌ها تا میلیاردها سال به صورت مایع باقی بماند تقویت می‌کند؛ موضوعی محوری در ارزیابی قابلیت سکونت (قابلیت زیستی) این جرم برای میزبانی حیات فرازمینی.

گرما از هر دو قطب — بازنگری در فرضیات

برای سال‌ها، تصویر انسلادوس با جلوهٔ نمایشی‌اش شناخته می‌شد: جت‌های بلند بخار آب و دانه‌های یخ که از شکستگی‌های قطب جنوب، معروف به «خطوط ببر» (tiger stripes)، فوران می‌کردند. آن فواره‌ها نشانه‌ای آشکار از فرآیندهای فعال داخلی بودند و این ایده را پدید آوردند که گرمایش داخلی عمدتاً در جنوب متمرکز است. اما مطالعه‌ای که در 7 نوامبر در نشریه Science Advances منتشر شد و توسط محققانی از دانشگاه آکسفورد، موسسه پژوهش جنوب غربی (Southwest Research Institute) و مؤسسه علوم سیاره‌ای رهبری شد، این دیدگاه را با تصویری متقارن‌تر جایگزین می‌کند و نشان می‌دهد که گرما در مقیاس جهانی توزیع شده است.

با استفاده از مشاهدات فروسرخ بلندمدتِ مأخوذ از کاسینی، تیم پژوهشی افزون بر مقدار قابل‌توجهی از گرما در منطقهٔ قطب شمال را شناسایی کرد. این شار گرمایی در قطب شمال اگرچه محلی و نسبتاً ملایم است، اما وقتی در بودجهٔ انرژی کل انسلادوس لحاظ شود با برآوردهای نظری گرمایش کشندی (tidal heating) ناشی از کشش گرانشی زحل همخوانی دارد. این پذیرشِ نقش مهم گرمایش کشندی و گرمایش هدایتی (conductive heat flow) موجب می‌شود که مدل‌های ساختار درونی انسلادوس اصلاح شوند و معیارهای جدیدی برای سنجش ثبات حرارتی اقیانوس زیرسطحی ارائه گردد.

چگونه کاسینی گرمای پنهان زیر شب قطبی را فاش کرد

طیف‌سنج ترکیبی فروسرخ کاسینی (CIRS) نقشه‌های حرارتی انسلادوس را در فصول مختلف ثبت کرد. محققان اندازه‌گیری‌ها را از یک زمستان قطبی شمالی بسیار سرد در سال 2005 با مشاهداتی از تابستان شمالی در سال 2015 مقایسه کردند. با مدل‌سازیِ انتظارِ سرد شدنِ پوستهٔ یخی در طول شبِ قطبی و سپس مقایسهٔ آن پیش‌بینی‌ها با دماهای اندازه‌گیری‌شده، پژوهشگران دریافتند که سطح قطب شمال تقریباً 7 کلوین گرم‌تر از آن چیزی است که مدل‌های فاقد منبع گرمایش داخلی پیش‌بینی می‌کردند.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

شواهد نوین تولید مولکول های آلی پیچیده در انسلادوس

دانشمندان با بازتحلیل داده‌های آرشیوی فضاپیمای کاسینی سازمان فضایی آمریکا (ناسا) شواهد تازه و قانع‌کننده‌ای یافتند...

این ناهمان‌سازی کوچک — که حدود 46 ± 4 میلی‌‌وات بر متر مربع در قطب شمال اندازه‌گیری شده است — ممکن است در نگاه اول جزئی به‌نظر برسد، اما در صورت میانگین‌گیری روی کل سطح انسلادوس به یک جریان گرمای هدایتی جهانی در حدود 35 گیگاوات تبدیل می‌شود. اگر خروجی شناخته‌شدهٔ دهانه‌ها و فواره‌های قطب جنوب را نیز به این مقدار اضافه کنیم، مجموع نزدیک به 54 گیگاوات می‌شود که تقریباً با برآوردهای گرمایش کشندی بین 50 تا 55 گیگاوات همخوانی دارد. این تطابق بین مشاهدات و مدل‌های گرمایش کشندی می‌تواند نشان دهد که منابع انرژی لازم برای نگه داشتن اقیانوس زیرسطحی به صورت بلندمدت فراهم است.

چرا این ارقام اهمیت دارند

• 46 ± 4 mW/m2 در قطب شمال تقریباً معادل دوسوم شار گرمایی قشر قاره‌ای زمین است، معیاری که کمک می‌کند مقایسه‌ای بین فرآیندهای داخلی این دو جرم انجام شود.
• خروجی جهانی نزدیک به 54 گیگاوات معادل تولید برق میلیون‌ها پنل خورشیدی یا چند هزار توربین بادی بزرگ است — تا حدی که مقیاس انرژی آزادشده را برای مخاطبان غیرمتخصص قابل تصور می‌سازد.
• تطابق بین ورودی گرمایی (گرمایش کشندی) و اتلاف گرمایی (خروجی هدایتی و فواره‌ای) نشان می‌دهد که اقیانوس زیرسطحی احتمالاً از نظر حرارتی در مقیاس‌های زمانی بلند پایدار است؛ شرایطی که به حفظ آب به صورت مایع و ادامهٔ واکنش‌های ژئوشیمیایی موردنیاز برای زندگی کمک می‌کند.

پایداری حیاتی است. اگر گرمایش کشندی کمتر از اتلاف حرارت بود، اقیانوس ممکن بود به‌تدریج منجمد شود؛ و اگر گرمایش بسیار زیاد می‌بود، فعالیت‌های شدید می‌توانست شیب‌های شیمیایی حیاتی برای اکوسیستم‌ها را مختل کند. داده‌های جدید نشانهٔ یک تعادل بلندمدت را ارائه می‌دهند که می‌تواند آب را به‌صورت مایع نگه دارد و فرصت‌های بیشتری برای فرآیندهای زیست‌محیطی مناسب فراهم آورد.

برای تقویت وزن علمی این اعداد، نویسندهٔ اصلی، دکتر جورجینا مایلز (موسسه پژوهش جنوب غربی و پژوهشگر مهمان در آکسفورد) توضیح می‌دهد: «انسلادوس یکی از اهداف کلیدی در جستجوی حیات فرازمینی است و درک در دسترس بودن بلندمدت انرژی در آن، کلید تعیین توانایی‌اش در پشتیبانی از حیات است.» این بیانات، نه ادعای یافتن حیات، بلکه ارزیابی‌ای آگاهانه از پایداری محیطی ارائه می‌دهند؛ شرط مرزی مهمی برای سناریوهای اخترزیستی.

استفاده از سیگنال‌های حرارتی فصلی برای برآورد جریان گرمای هدایتی مستلزم تصحیحات دقیق برای نوسانات روزانه و فصلی دما در سطح بود، کاری که تنها به‌لطف ماموریت طولانی‌مدت کاسینی و کیفیت بالای اندازه‌گیری‌های فروسرخ ممکن شد. تحلیل این داده‌ها شامل حذف اثرات آشکارِ گرمایشِ خورشیدی فصلی، مدل‌سازی رسانایی گرمایی اسکلت یخی و برآورد خطاها و عدم‌قطعیت‌های آماری بود تا بتوان به یک نتیجهٔ قابل‌اتکا رسید.

اضافه‌شدن به سوابق بصری:

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

تایتان: بزرگ ترین قمر زحل و مقصد اصلی برای مطالعات زیست شناسی فرازمینی

تایتان؛ بزرگ‌ترین قمر زحل و یکی از بهترین اهداف زیست‌شناسی فرازمینی تایتان، بزرگ‌ترین قمر زحل، مدت‌هاست...

یک مطالعهٔ جدید جریان گرمای هدایتی جهانی انسلادوس را با مطالعهٔ تغییرات دمای فصلی در قطب شمال آن (نقاط زرد در این نمودار) محدود کرده است. هنگامی که این نتایج با داده‌های موجود از ناحیهٔ بسیار فعال قطب جنوب (نقاط قرمز) ترکیب شوند، اولین محدودیت رصدی بودجهٔ اتلاف انرژی انسلادوس (<54 گیگاوات) بدست می‌آید — که با ورودی انرژی پیش‌بینی‌شده (50 تا 55 گیگاوات) از گرمایش کشندی سازگار است. این نتیجه دلالت دارد بر اینکه فعالیت کنونی انسلادوس در بلندمدت پایدار است — پیش‌نیازی مهم برای تکامل احتمالی حیات، که تصور می‌شود در اقیانوس شور زیرسطحی آن وجود داشته باشد. اعتبار تصویر: University of Oxford/NASA/JPL-CalTech/Space Science Institute (PIA19656 and PIA11141)

این موضوع چرا برای حیات و قابلیت سکونت اهمیت دارد

زیست‌شناسی فرازمینی یا استروبایولوژی به دنبال محیط‌هایی است که آب مایع، منابع انرژی شیمیایی و عناصر پایهٔ زندگی را فراهم می‌کنند. انسلادوس بسیاری از این جعبه‌ها را تیک زده است: وجود یک اقیانوس زیرسطحی شور و گسترده، کشف ترکیبات آلی در فواره‌ها، و شواهدی مبنی بر حضور فسفر و دیگر عناصر ضروری حیات در شیمی چینش فواره‌ها. با این حال، قابلیت سکونت بلندمدت بیش از شواهد لحظه‌ایِ شیمیایی نیاز دارد؛ این قابلیت به جریان‌های انرژی پایدار وابسته است که آب را به‌صورت مایع حفظ کرده و واکنش‌های ژئوشیمیایی را که می‌توانند منبع انرژی برای زیستمندی‌ها باشند، هدایت کنند.

آسان‌سازیِ تطابق رصدیِ خروجی گرمایی ماه با ورودی انرژیِ مدل‌شدهٔ کشندی، ارزیابی اینکه آیا اقیانوس انسلادوس می‌تواند برای میلیون‌ها یا حتی میلیاردها سال پا برجا بماند را تقویت می‌کند. چنین پایداری زمانی کافی را برای ظهور و تکامل احتمالی حیات در اختیار قرار می‌دهد، مشروط بر آنکه سایر متغیرها مانند ترکیب شیمیایی، منابع تغذیه‌ای و شرایط فیزیکی نیز مساعد باشند.

نویسندهٔ متناظر، دکتر کارلی هاوت (آکسفورد و مؤسسهٔ علوم سیاره‌ای)، این نتیجه را چنین برجسته می‌کند: «این بسیار هیجان‌انگیز است که این یافتهٔ جدید از پایداری بلندمدت انسلادوس حمایت می‌کند، مؤلفه‌ای حیاتی برای تکامل حیات.» چنین نقل‌قول‌هایی ادعا به وجود حیات را مطرح نمی‌کنند، بلکه ارزیابی‌ای دقیق از شرایط محیطی ارائه می‌دهند — یک شرط مرزی مهم برای هر سنجش علمی دربارهٔ زیست‌پذیری این جهان یخی.

نقشه‌برداری پوستهٔ یخی و آماده‌سازی برای مأموریت‌های آینده

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

کشف ترکیبات آلی پیچیده در انسلادوس از تحلیل کاسینی

یافته‌های اصلی و اهمیت آنها بازتحلیل جدید داده‌های مأموریت کاسینی نشان می‌دهد که مجموعه‌ای متنوع از...

علاوه بر پیامدهای زیستی، تحلیل حرارتی داده‌های کاربردی برای برنامه‌ریزان مأموریت فراهم می‌کند. با مدل‌سازی انتقال گرما از طریق پوستهٔ یخی، تیم ضخامت یخ را برآورد کرد: حدود 20 تا 23 کیلومتر در قطب شمال و تقریباً 25 تا 28 کیلومتر به‌طور میانگین در کل ماه. این مقادیر کمی بیشتر از برآوردهای پیشین حاصل از روش‌های سنجش از دور و مدل‌سازی‌های دیگر است، و می‌تواند نحوهٔ طراحی ابزارها یا فرودگرها برای نفوذ، نمونه‌برداری یا پروب‌های زیرسطحی را تغییر دهد.

دانستن اینکه کدام مناطق یخ نازک‌تر، گرم‌تر یا از نظر ساختاری آسیب‌پذیرتر هستند، به مفاهیم مأموریتی که هدفشان نمونه‌برداری از مواد فواره، حفاری یا فرستادن زیردریایی‌های کوچک است کمک می‌کند. نقشه‌های حرارتی اطلاعات لازم برای انتخاب محل فرود، ارزیابی ریسک سیستم‌های نفوذی به یخ و برآورد بودجهٔ انرژی مورد نیاز برای فناوری‌های دسترسی به زیرسطح را فراهم می‌آورند.

محققان هشدار می‌دهند که استخراج سیگنال‌های ظریف هدایتی از تغییرات دمای فصلی و روزانه نیازمند دقت و مجموعه‌داده‌های بلندمدت بوده است. «بیرون کشیدن تغییرات سطحی دمایی ظریفی که ناشی از جریان گرمای هدایتی انسلادوس است از میان تغییرات روزانه و فصلی آن چالش‌برانگیز بود، و تنها به‌واسطهٔ مأموریت‌های گسترش‌یافتهٔ کاسینی ممکن شد،» دکتر مایلز اشاره می‌کند. «مطالعهٔ ما نیاز به مأموریت‌های بلندمدت به سوی جهان‌های اقیانوسی که ممکن است حیات را در خود داشته باشند نشان می‌دهد، و همچنین این واقعیت که داده‌ها ممکن است تا دهه‌ها پس از جمع‌آوری، هنوز اسرار خود را فاش نکنند.»

دیدگاه کارشناسی

«یافتن جریان گرمای متوازن در هر دو قطب، نحوهٔ تفکر ما دربارهٔ درون انسلادوس را تغییر می‌دهد،» دکتر لنا اورتیز می‌گوید — او یک زمین‌فیزیک‌دان سیاره‌ای و مهندس سامانه‌های خیالی است که روی مفاهیم مأموریتی برای جهان‌های اقیانوسی کار کرده است. «این نشان می‌دهد که فرایندهای حرارتی و مکانیکی در مقیاس جهانی توزیع شده‌اند، نه تنها متمرکز در نواحی نمایان فواره‌ها. برای طراحی مأموریت، این گزینه‌های جدیدی را برای مکان‌های نمونه‌برداری یا فرود باز می‌کند؛ و برای زیست‌شناسی فرازمینی، پنجرهٔ فرصت برای حیات را با افزایش امنیت طول عمر اقیانوس گسترده‌تر می‌کند.» دیدگاه او بازتاب این است که چگونه فیزیک حرارتی مستقیماً با استراتژی‌های اکتشافی و اولویت‌های کشف حیات ارتباط دارد.

با نگاهی رو به آینده در جامعهٔ علوم سیاره‌ای، انسلادوس همچنان در صدر فهرست مأموریت‌های پیگیری قرار دارد. چه این مأموریت‌ها از مدار به فواره‌ها نزدیک شوند، چه از مواد پرتاب‌شده سطح نمونه‌برداری کنند، یا اینکه تلاش کنند به‌صورت مهندسی‌شده به اقیانوس زیرسطحی دسترسی پیدا کنند، محدودیت‌های حرارتی جدید شرایط مرزی مهمی را ارائه می‌دهند که طراحی مأموریت باید در نظر بگیرد.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

شواهد جدید: آریل، ماه اورانوس و اقیانوس زیرسطحی

یافته‌های جدید و کپشن تصویر اصلی پژوهش‌های تازه نشان می‌دهد که آریل، یکی از قمرهای اورانوس،...

در نهایت، میراث کاسینی همچنان شگفتی می‌آفرینَد: داده‌هایی که سال‌ها پیش گرفته شده‌اند هنوز در حال بازتراشیدن فهم ما از اقمار یخی و اصلاح نقشهٔ اکتشافات آینده هستند. برای انسلادوس، پیام هر روز خوشبینانه‌تر می‌شود — یک اقیانوس گرم و شور ممکن است یک زیستگاه پایدار و بلندمدت در منظومهٔ شمسی خودمان باشد، و اکنون سرنخ‌های بهتری داریم برای اینکه چگونه و کجا به دنبال نشانه‌های حیات بگردیم.