تیمی بین‌المللی متشکل از محققان از موسسه علوم حیات زمینی (ELSI) در موسسه علم توکیو، اکنون به بررسی آنچه بر آب اقیانوس می‌افتد، هنگامی که از زیر سطح حرکت کرده و در نهایت به ذرات یخ کوچکی تبدیل می‌شود که در فضا شناسایی شده‌اند، پرداخته است.
یافته‌های شگفت‌انگیز کاوشگر کاسینی درباره ذرات یخ
بین سال‌های 2004 تا 2017، تحلیلگر غبار کیهانی در فضاپیمای کاسینی ناسا، ترکیب ذرات یخ جداگانه در حلقه E زحل را اندازه‌گیری کرد. این حلقه به طور مداوم توسط موادی که از انسلادوس فوران می‌کنند، تامین می‌شود.
تیمی به رهبری پروفسور فرانک پستبرگ از دانشگاه آزاد برلین، 961 طیف جرمی از ذرات غنی از نمک به نام ذرات نوع 3 را بررسی کرد. اگر این ذرات نمونه‌های کوچکی از یک آب اقیانوسی یکسان بودند، دانشمندان انتظار داشتند که مخلوط‌های مشابهی از نمک‌ها را در خود جای دهند.
در عوض، ذرات به طور چشمگیری متفاوت بودند.
برخی به ویژه غنی از کلرید سدیم بودند، در حالی که برخی دیگر حاوی مقادیر بیشتری کربنات، فسفات یا کلرید پتاسیم بودند. یک الگوی به ویژه قابل توجه این بود که کلرید و کربنات به ندرت در یک ذره غنی از سدیم با هم ظاهر می‌شدند.
این موضوع یک معما اساسی را ایجاد کرد. اگر همه این ذرات از یک اقیانوس می‌آمدند، چرا ترکیب شیمیایی آن‌ها تا این حد متفاوت بود؟
بازسازی قطرات اقیانوس انسلادوس در آزمایشگاه
برای بررسی این موضوع، پروفسور یاسوهیتو سکینه و همکارانش در ELSI قطرات آزمایشگاهی حاوی نمک‌های اصلی موجود در اقیانوس انسلادوس را ایجاد کردند.
محققان قطرات با اندازه‌های مختلف را در شرایط خنک‌کننده متفاوت منجمد کردند و سپس نحوه توزیع عناصر شیمیایی را پس از جامد شدن قطرات مورد مطالعه قرار دادند.
نتایج نشان داد که سرعت انجماد نقش مهمی ایفا می‌کند.
در قطرات حدود 200 میکرومتر، نمک‌ها هنگام انجماد نسبتاً آهسته، با سرعت تقریباً 10 کلوین در دقیقه یا کمتر، به مناطق مختلفی جدا می‌شدند. هنگامی که قطرات سریع‌تر منجمد می‌شدند، مواد شیمیایی آن‌ها به طور یکنواخت‌تری مخلوط می‌ماندند.
سکینه گفت: «آنچه ما را شگفت‌زده کرد این بود که تنوع مشاهده شده توسط کاسینی می‌تواند از قطراتی نشأت بگیرد که اساساً از یک آب اقیانوسی یکسان منشاء می‌گیرند. آزمایش‌های ما نشان می‌دهد که وقتی قطرات اقیانوسی بزرگ به آرامی منجمد می‌شوند، نمک‌های مختلف می‌توانند در داخل آن‌ها جدا شوند. اگر آن قطرات منجمد بعداً شکسته شوند، می‌توانند ذرات یخ کوچکتری تولید کنند که هر کدام دارای ترکیب شیمیایی بسیار متفاوتی هستند.»
سفر کندتر در یخ انسلادوس
این یافته‌ها ممکن است چیزی در مورد آنچه در داخل پوسته یخی ماه اتفاق می‌افتد را نیز آشکار کند.
مطالعات قبلی به طور کلی فرض می‌کردند که آب دریای فوران کرده از انسلادوس به سرعت منجمد شده و بلافاصله پس از خروج از اقیانوس به فضا منتقل می‌شود. آزمایش‌های جدید به سناریوی متفاوتی اشاره می‌کنند.
قطرات ممکن است در ابتدا به آرامی از طریق سیستم دریچه زیرزمینی حرکت کنند و مسیرهای پیچیده‌ای را در امتداد شکستگی‌های یخ قبل از رسیدن به سطح طی کنند.
محققان پیشنهاد می‌کنند که آب دریای فوران کرده ابتدا قطراتی به اندازه ده ها تا صدها میکرومتر را تشکیل می‌دهد. همانطور که آن قطرات به آرامی از طریق بخش‌های عمیق‌تر دریچه‌ها حرکت می‌کنند، به تدریج منجمد می‌شوند و به نمک‌ها زمان کافی می‌دهند تا به مناطق مختلفی جدا شوند.
نزدیک به سطح، شرایط تغییر می‌کند. گاز با سرعت بیشتری شروع به حرکت می‌کند و قطرات منجمد می‌توانند با سرعت بالایی به دیواره کانال‌های یخی باریک برخورد کنند. این برخوردها ممکن است قطرات را به قطعات کوچکتری بشکنند.
هر قطعه می‌تواند از یک منطقه غنی از نمک متفاوت در داخل قطره منجمد اصلی منشاء بگیرد و دانه‌هایی با ترکیب شیمیایی بسیار متفاوتی ایجاد کند. سپس آن قطعات می‌توانند به فضا فرار کرده و بخشی از حلقه E زحل شوند.
پستبرگ گفت: «داده‌های کاسینی به ما نشان داد که این ذرات غنی از نمک از نظر شیمیایی بسیار متنوع‌تر از آنچه ترکیب اقیانوسی متوسط نشان می‌دهد، هستند. ترکیب این مشاهدات با آزمایش‌های انجماد، یک توضیح فیزیکی به ما می‌دهد: کاسینی ممکن است قطعاتی از قطرات اقیانوسی بزرگتر را نمونه‌برداری کرده باشد که هر کدام اجزای مختلفی را حفظ می‌کنند که در طول سفرشان به سمت سطح از هم جدا شده‌اند. فراوانی هر جزء فردی در اقیانوس سپس در تعداد قطعاتی که یک جزء خاص در آن یافت می‌شود، منعکس می‌شود.»
انسلادوس ممکن است به طور طبیعی ترکیبات کلیدی را غلیظ کند
این کشف می‌تواند به ویژه برای مأموریت‌های آینده به انسلادوس مهم باشد.
همانطور که قطرات منجمد می‌شوند و می‌شکنند، ترکیبات فردی می‌توانند در ذرات خاصی غلیظ شوند. این فرآیند نه تنها نمک‌های مختلف را جدا می‌کند. مطالعات قبلی همچنین نشان داده‌اند که مواد آلی می‌توانند از یکدیگر جدا شده و با غلظت‌های بالاتری در ذرات خاصی ظاهر شوند.
این موضوع می‌تواند تجزیه و تحلیل آینده را به طور قابل توجهی آسان‌تر کند.
ترکیباتی که در اقیانوس انسلادوس بسیار رقیق شده و با مواد دیگر مخلوط شده‌اند، ممکن است هنگام غلیظ شدن در ذرات یخ جداگانه، راحت‌تر قابل تشخیص شوند.
در زمین، آزمایشگاه‌ها اغلب تلاش قابل توجهی را صرف جدا کردن و غلیظ کردن مواد شیمیایی قبل از تجزیه و تحلیل یک نمونه می‌کنند. انسلادوس به نظر می‌رسد هر دو مرحله «آماده‌سازی نمونه» را به طور طبیعی انجام می‌دهد: اجزای شیمیایی از هم جدا می‌شوند و برخی در کسری از ذرات یخ غلیظ می‌شوند.
پیامدهای احتمالی برای شیمی پیش از زیستی
انجماد آهسته می‌تواند پیامد مهم دیگری نیز داشته باشد.
همانطور که کریستال‌های یخ رشد می‌کنند، جیب‌های کوچکی از آب شور ممکن است بین آن‌ها به دام بیفتند. نمک‌ها و ترکیبات آلی می‌توانند در آن جیب‌ها بسیار غلیظ شوند.
این غلظت می‌تواند برای شیمی پیش از زیستی مهم باشد که شامل فرآیندهای شیمیایی است که ممکن است بر پیدایش حیات مقدم شوند. یکی از چالش‌های اصلی در چنین شیمیایی، نزدیک کردن مولکول‌هایی است که به طور معمول بسیار رقیق هستند.
از آنجایی که بخش زیادی از موادی که از انسلادوس فوران می‌کنند، در نهایت دوباره روی ماه می‌افتند، این فرآیند انجماد، غلیظ شدن و بازیافت می‌تواند بارها و بارها اتفاق بیفتد.
درک اینکه انسلادوس چگونه دانه‌های یخ خود را تشکیل می‌دهد، نه تنها توضیحی برای اندازه‌گیری‌های غیرمعمول کاسینی ارائه می‌دهد. این موضوع سرنخ‌های جدیدی در مورد محیط پنهان زیر سطح ماه ارائه می‌دهد و ممکن است به فضاپیماهای آینده کمک کند تا ذراتی را که در هنگام جستجوی شواهدی از قابلیت سکونت و نشانه‌های احتمالی حیات جمع‌آوری می‌کنند، به درستی تفسیر کنند.