پیش به سوی اروپا | آغاز

Europa is a global system with different interacting regions and processes. Europa Clipper will provide an unprecedented view into those processes, providing clues to the overturning of the ice and ocean, and the chemistry of the deeper interior. Artist credit: D. Hinkle
Europa is a global system with different interacting regions and processes. Europa Clipper will provide an unprecedented view into those processes, providing clues to the overturning of the ice and ocean, and the chemistry of the deeper interior. Artist credit: D. Hinkle دانش آگاهی پلی به سوی دانایی
اروپا، یکی از 4 قمر گالیله ایی بزرگ مشتری، مقصد یکی از جذاب‌ترین ماموریت‌های ناسا در منظومه شمسی است. این قمر، سردمدار گروهی از جذاب‌ترین اقمار در منظومه شمسی (انسلادوس، گانیمد، تیتان، تریتون و به تازگی میماس) به حساب می‌آید که همگی دارای یک ویژگی منحصر به فرد هستند: لایه ایی چند کیلومتری از یخ در حالیکه در زیر این لایه، اقیانوسی عظیم از آب مایع قرار دارد. قطر این لایه یخ در قمر اروپا به طور متوسط 10 کیلومتر تخمین زده می‌شود (برای مقایسه، قطر متوسط یخ درزمین در ضخیم‌ترین نقاط به حدود 4 کیلومتر می‌رسد).

 

کمتر از یک سال دیگر مدارگرد اروپا کلیپر ناسا (Europa Clipper ) سفر خود را به سمت قمر اروپا آغاز خواهد کرد. در این مدت ما تلاش خواهیم نمود تا آخرین یافته‌های مهمی را که از این قمر به دست آورده‌ایم، در غالب سلسله نوشته‌هایی با شما به اشتراک بگذاریم.

اروپا

اروپا، یکی از 4 قمر گالیله ایی بزرگ مشتری ، مقصد یکی از جذاب‌ترین ماموریت‌های ناسا در منظومه شمسی است. این قمر، سردمدار گروهی از جذاب‌ترین اقمار در منظومه شمسی (انسلادوس، گانیمد،، تیتان، تریتون و به تازگی میماس) به حساب می‌آید که همگی دارای یک ویژگی منحصر به فرد هستند: لایه ایی چند کیلومتری از یخ در حالیکه در زیر این لایه، اقیانوسی عظیم از آب مایع قرار دارد. قطر این لایه یخ در قمر اروپا به طور متوسط 10 کیلومتر تخمین زده می‌شود (برای مقایسه، قطر متوسط یخ در زمین در ضخیم‌ترین نقاط به حدود 4 کیلومتر می‌رسد).

اروپا و یافته‌های مدار گرد گالیله

برای آشنایی با اروپا شاید بهتر باشد کمی به عقب‌تر برگردیم. به دهه 90 میلادی، که ناسا، با فرستادن مدارگرد گالیله به سمت مشتری و چهار قمر بزرگ آن (آیو، اروپا، گانیمد و کالیستو)، توانست به یافته‌های مهمی دست یابد.

کمی پیش از ارسال مدارگرد گالیله و به کمک رصدهای متناوب مشتری و 4 قمر بزرگ آن (اقمار گالیله ایی)، ما پی به نکته مهمی برده بودیم. مدار این 4 قمر به دور مشتری به بیضی نزدیک است (قمر آیو بیشترین خروج از مرکز را در بین این 4 قمر دارد). در نتیجه، هر یک از این 4 قمر در زمانی که در نزدیکی مشتری هستند (حضیض مداری)، به شدت تحت تاثیر گرانش بالای مشتری قرار گرفته و زمانی که از مشتری دور هستند (اوج مداری) میزان بسیار کمتری از گرانش مشتری را بر خود احساس می‌کنند. این اختلاف گرانشی برای هر قمر که به آن اختلاف در نیروی کشندی هم می‌گویند سبب می‌شود هسته اقمار آیو، اروپا و گانیمد به شدت گرم شود. برای مثال، این گرمایش هسته در آیو به میزانی است که در این قمر، فوران‌های آتشفشانی سهمگینی وجود دارد (آیو، نزدیک‌ترین قمر به مشتری است و در نتیجه اختلاف نیروی کشندی به حداکثر می‌رسد). برای اروپا و گانیمد اگر چه فعالیت‌های آتشفشانی در سطح موجود نیست اما هسته‌های این اقمار به میزان قابل توجهی گرم می‌باشند. در اروپا، این گرما باعث شکل‌گیری احتمالی مخروط‌های گرمایی(Hydrothermal Vents) در بستر اقیانوس آبی می‌شود. در مورد این مخروط‌ها باز خواهیم نوشت(در مورد کالیستو، اطلاعات ما کافی نیست)


شکل 2. اقمار گالیله ایی مشتری به ترتیب از چپ به راست: آیو، اروپا، گنیمید و کالیستو

میدان مغناطیسی مشتری و قمر اروپا

به سیاره مادر بازگردیم. مشتری سیاره ایی گازی با لایه‌هایی از هیدروژن است. زمانی که از بیرونی‌ترین لایه گازی این سیاره به لایه‌های درونی‌تر حرکت می‌کنیم، دما و فشار به شدت افزایش می‌یابد. در لایه‌های درونی‌تر این سیاره، افزایش همزمان دما و فشار به میزانی می‌رسد که مولکول‌های گازی هیدروژن تبدیل به هیدروژن مایع فلزی می‌شوند (الکترون هر اتم هیدروژن، همانند فلزات، آزادانه از اتمی به اتم دیگر منتقل می‌شود-دریایی از الکترون‌های آزاد). سرعت گردش بسیار بالای مشتری به دور خود باعث می‌شود این هیدروژن مایع فلزی، عامل به وجود آمدن میدان مغناطیسی بسیار قدرتمندی در مشتری شود.

   

شکل 3: تصویری خیالی از میدان مغناطیسی مشتری

نکته جالب در مورد میدان مغناطیسی مشتری، زاویه انحراف (تمایل) 10 ده درجه ایی محور این میدان با محور چرخش سیاره است. (به شکل 4 دقت کنید).


 شکل4. انحراف 10 درجه ایی میدان مغناطیسی مشتری (خطوط سبز) نسبت محور چرخش آن (خطوط قرمز)

این انحراف 10 درجه ایی باعث می‌شود تا تاثیر میدان مغناطیسی بر 4 قمر گالیله ایی در یک بازه 10 ساعته به طور ثابت تغییر کند. (مدت زمان گردش مشتری به دور خود 10 ساعت است، برای زمین این مدت 24 ساعت می‌باشد) به زبان ساده‌تر، مثلا قمر اروپا، در زمان چرخش به دور مشتری، قطب شمال مغناطیسی مشتری را به خود نزدیک‌تر و بعد دورتر احساس می‌کند.

19 دسامبر 1996، زمانیکه مدارگرد گالیله اولین گذر خود را از نزدیکی اروپا انجام داد، مغناط سنج سوار بر مدارگرد، آشفتگی را مشاهده نمود که دانشمندان را شوک زده کرد. مغناطیس سنج سوار بر گالیله همانند گیت امنیتی در فرودگاه‌ها عمل می‌کند. هر گیت امنیتی از دو حلقه سیم پیچ فلزی تشکیل شده است که میدان مغناطیسی متغیری در بین آن‌ها وجود دارد. زمان عبور شما از هر گیت، این میدان مغناطیسی متغیر، باعث شکل‌گیری یک جریان الکتریکی با هر رسانایی که در جیب شما (مثلا سکه) قرار دارد می‌شود. این "میدان الکتریکی القایی"، خود باعث شکل‌گیری میدان مغناطیسی بسیار ضعیف دیگری می‌شود که به وسیله حس گرهای موجود در گیت قابل شناسایی است (بصورت آژیر یا بوق ممتد به نگهبان گیت اعلام می‌شود).

در مورد مدار گرد گالیله، مغناطیس سنج سوار بر آن در نقش حسگر و میدان مغناطیسی متغییر مشتری نقش گیت امنیتی را دارا می‌باشند. بدیهی است که نقش سکه در جیب شما را هم قمر اروپا به عهده دارد. زمانی که گالیله اولین گذر را از نزدیکی اروپا انجام داد، آژیر آن (مغناطیس سنج) به شدت صدا کرد. آشفتگی که در مغناط سنج ثبت شده بود، نشانگر آن بود که در قمر یخ زده اروپا پدیده ایی ناشناخته در جریان است که باعث به وجود آمدن میدان القایی در آن شده است. اگرچه تا پیش از دسامبر 1996، با رصد اروپا در طول موج‌های مختلف (فروسرخ و ماورا بنفش) پی برده بودیم که در زیر لایه یخ اروپا می‌بایست اقیانوس جهانی از آب مایع موجود باشد ( در این باره بیشتر خواهیم نوشت)، اما آژیر ثبت شده، به "تنهایی" با آب مایع قابل توضیح نبود (بخشی از این میدان القایی ثبت شده مهم‌ترین دلیل بر وجود آب مایع در زیر لایه یخ اروپاست). چه چیزی باعث به وجود آمدن چنین میدان القایی قوی در قمر اروپا شده بود که گالیله آن را ثبت کرده بود؟ اروپا در جیب خود چه چیزی اضافه داشت داشت که حسگرها را فعال کرده بود؟

 آشفتگی در مغناطیس سنج گالیله در گذر از اقمار آیو و گانیمد هم رویت شده بود (به این موارد در مقاله‌های بعدی باز می‌گردیم) اما در مورد اروپا توجیه‌ای وجود نداشت.

اندازه گیری‌های گرانشی مشتری/اروپا از قبل برای ما مشخص ساخته بود که اروپا، دارای هسته ایی از جنس آهن است. اما این هسته، بسیار کوچک‌تر از آن است که بتواند مسئول این میدان القایی ثبت شده باشد. همین اندازه گیری‌های گرانشی به ما نشان داده بود که در اروپا و در بستر اقیانوس آب مایع آن می‌بایست لایه ضخیمی از صخره و سنگ وجود داشته باشد. پس می‌شد تصور کرد که در اثر ارتباط آب مایع با این صخره‌ها، لایه رسانایی در اقیانوس اروپا تشکیل شود که مسئول این میدان القایی باشد. اما صخره‌ها، مانند صخر ه‌هایی از جنس سیلیکات که بستر اقیانوس‌های زمین و جبه سیاره ما را تشکیل داده‌اند، رساناهای خوبی برای به وجود آوردن این میدان القایی نیستند. همچنین، محاسبات و مدل سازی‌های ما برای این میدان القایی و مرتبط دانستن آن با تبادل یونی صخره‌ها و آب، با میدان القایی اندازه‌گیری شده به هیچ وجه همخوانی نداشت. پس دلیل چه بود؟

پاسخ: اقیانوس آب مایع در اروپا، حاوی مقادیر قابل توجهی نمک است. این نمک، باعث به وجود آمدن لایه رسانای عظیمی در اقیانوس می‌شود. در نتیجه، حس گرهای مغناطیس سنج گالیله، میدان القایی حاصل از این اقیانوس نمکی را ثبت کرده‌اند. وقتی نمک را در محاسبات و مدل سازی‌های خود لحاظ کردیم، ارقام با واقعیت به شدت همخوانی داشتند. این همخوانی در داده‌های ثبت شده، در گذرهای بعدی گالیله از اروپا هم تایید شدند.

این یافته یکی از هیجان انگیزترین یافته‌ها در منظومه شمسی بود که خود باعث به وجود آمدن بهمن وار پرسش‌های بعدی شد. بررسی‌ها تا جایی پیش رفت که امروزه ما سعی داریم تا دریابیم که آیا شرایط این اقیانوس آب نمک ( به همراه سایر شرایط ) به گونه ایی است که گونه‌های ساده حیات توانایی شکل‌گیری و دگرگشت را دارا باشند؟ این پرسشی است که ما سعی خواهیم کرد در سلسله مقالاتی به آن جواب دهیم.

اما پیش از پایان، اشاره کوتاه به جنس نمک این اقیانوس خالی از لطف نیست، مخصوصا اگر بدانیم که جنس و غلظت این نمک در متابولیسم احتمالی حیات موثر است

اقیانوسی از آب شور

اگر به تصاویر ثبت شده از اروپا دقت کنید (به شکل 4 نگاه کنید) درمی یابیم که سطح یخی این قمر، تقریبا عاری از هر گونه دهانه برخوردی است. این پدیده نشان دهنده آن است که سطح قمر بسیار جوان است و دهانه‌های برخوردی احتمالی، با یخ‌های جدید پوشانده شده‌اند. به زبان ساده‌تر، پدیده ایی سطح قمر را همواره تازه می‌کند. علاوه بر آن، در سطح قمر، رگه‌های قرمز، قهوه ایی و زرد رنگ فراوانی دیده می‌شوند (اصطلاحا به آن‌ها Chaos Terrain گفته می‌شود).

  

 شکل5 . عوارض سطحی قمر اروپا (سطحی عاری از دهانه های برخوردی با رگه های فراوان)

 این رگه‌ها که در واقع دره‌هایی بر سطح یخ هستند، به علت فعالیت‌های تکتونیکی احتمالی در اروپا و یا ذوب شدن و برخورد لایه‌های عظیم یخ سطحی به وجود آمده‌اند. آیا امکان دارد در محل و زمان شکل‌گیری این دره‌ها، یخ فشان‌های احتمالی (Cryo Volcanism) به وجود آمده باشند که باعث پرتاب و انتقال مولکول‌های آب مایع از لایه‌های زیرین (اقیانوس) به سطح و یخ زدگی مجدد شده باشند؟

 شاید ما تاکنون خوش شانس نبوده‌ایم که این یخ فشان‌ها را در اروپا رصد یا ثبت کنیم، اما مدارگرد کاسینی نه تنها این پدیده را در قمر انسلادوس زحل بارها ثبت کرده است، بلکه در سال 2005، به طور اتفاقی از بالای یکی از آن‌ها عبور و با طیف سنج جرمی خود مولکول‌های جذابی به همراه مولکول‌های آب در آن‌ها رصد کرد. یه تازگی هم جیمز وب موفق به رصد یکی از این یخ فشان‌ها در انسلادوس شد. امید است مدارگرد اروپا کلیپر چنین پدیده ایی را در اروپا رصد کند.

  

 شکل 6 . یخ فشان های رصد شده در انسلادوس قمر زحل.

یخ فشان‌های احتمالی مهمترین عامل در بازسازی سطح قمر اروپا هستند. اما رنگ‌های قرمز، قهوه‌ایی و زرد چه؟ رصد طیف سنجی شیمیایی این رنگ‌ها اطلاعات بسیار جذابی از ماهیت این رنگ‌ها به ما داده است. رنگ‌های قرمز و قهوه ایی نشان دهنده ترکیبات گوگردی است. تقریبا در تمامی نواحی منظومه شمسی، گوگرد و ترکیبات گوگرد‌دار وجود دارند. ترکیبات گوگرد‌دار در سطح اروپا از جنس مولکول‌های منیزیم سولفات (MgSO4، نمک اپسوم که خیلی از ما هنگام استحمام از آن استفاده می‌کنیم!) یا سولفوریک اسید (H2SO4) می‌باشند. این که کدام نمک به قطع در سطح قمر وجود دارد در حال حاضر امکان‌پذیر نیست اما اگر گوگرد به‌ صورت سولفوریک اسید باشد، منبع این گوگرد آتشفشان‌های فعال در قمر آیو است. در این صورت، مولکول‌های گوگرد در یک سفر فضایی از قمر آیو به اروپا سفر کرده و با یخ آب واکنش داده و تولید کریستال‌های سولفوریک اسید کرده‌اند (آتتشفشان‌های آیو مسئول وجود گوگرد در اتمسفر مشتری و دیگر اقمار گالیله مشتری هستند).

 شکل 7 . آیو، قمر فعال مشتری با فوران های آتشفشانی. به دو نمونه از این فوران ها در تصویر سمت راست دقت کنید.

 اما منیزیم سولفات از کجا آمده است؟ پاسخ بسیار جذاب است. اگر گوگرد در سطح اروپا بصورت ترکیب منیزیم سولفات باشد، منبع این رسوب همان اقیانوس شور زیرین است.

آب نمک (آب محتوی سولفات منیزیم) زیرین توسط یخ فشان‌ها از لایه‌های درونی به بیرون پرتاب شده و سطح را پوشانده است. این پدیده بدان معناست که نه تنها مولکولهای شیمیایی توانایی مهاجرت از اقیانوس زیرین به سطح یخی قمر را دارند بلکه شرایط بالعکس آن هم امکان‌پذیر است. این یکی از جذاب‌ترین پدیده‌ها در اروپا است که می‌تواند غلظت شیمایی اقیانوس زیرین را برای رشد حیات ساده احتمالی متنوع‌تر کند3 (عاملی مهم در تبدیل شیمی به بیوشیمی. در این باره در مقاله بعد بیشتر خواهیم نوشت).

در پایان جالب است بدانیم که در سال 2015، گروهی از دانشمندان با استفاده از رصد خانه کک در هاوایی و تلسکوپ فضایی هابل و به کمک روش‌های طیف سنجی شیمیایی از سطح یخی قمر، کریستال‌های نمک طعام (NaCl، عامل رنگ زرد در دره ها) را در اروپا شناسایی کردند. منبع این نمک، جایی به جز اقیانوس زیرین نمی‌تواند باشد. این یافته مهم، نه تنها نشانه ایی محکم از وجود یخ فشان‌ها (یا پدیده ایی با مکانیسم مشابه) در اروپا است بلکه نشانی دیگر برای اقیانوس آبی با غلظت نمک است (سولفات و ترکیبات کلر‌دار نظیر سدیم کلراید و ...) که از قضا شیمی متنوعی دارد

یک جمع بندی کوتاه:

اروپا قمری متشکل از یخ آب با اقیانوسی از آب شور مایع در لایه‌های زیرین آن. این اقیانوس در طی گذر چند صد میلیون سال با ساختار سنگی و صخره ایی این قمر تبادل شیمیایی داشته است. همچنین به علت نیروهای کشندی این قمر با مشتر، در بستر این اقیانوس مخروط‌های گرمایی (Hydrothermal Vents) وجود دارد.

 به اطراف خود نگاه کنیم، جای دیگری با این مشخصات می‌شناسیم؟ 

منابع:


تصاویر مربوط به این نوشته