Лёд Энцелада концентрирует органику сам по себе — это упростит поиск жизни

Спутник Сатурна Энцелад скрывает под толстым ледяным панцирем глобальный океан. Вблизи южного полюса луны трещины в коре выбрасывают водяной пар и ледяные частицы в космос — это даёт учёным уникальную возможность изучать инопланетный океан без необходимости бурить километры льда. Международная команда исследователей, включая учёных из Института науки Токио, разобралась, что происходит с океанской водой во время её пути от подповерхностных слоёв к ледяным зёрнам, обнаруживаемым в космосе.

Загадка химического состава

С 2004 по 2017 год анализатор космической пыли на зонде НАСА «Кассини» измерял состав отдельных ледяных частиц в кольце E Сатурна, которое постоянно пополняется материалом, извергаемым Энцеладом. Команда под руководством профессора Франка Постберга из Свободного университета Берлина изучила 961 массспектр богатых солью частиц, известных как частицы третьего типа.

Если бы эти зёрна были просто маленькими образцами одной и той же океанской воды, учёные ожидали бы найти примерно одинаковые смеси солей. Однако результаты показали совсем другое: одни частицы были особенно богаты хлоридом натрия, другие содержали больше карбонатов, фосфатов или хлорида калия. Самым поразительным было то, что хлорид и карбонат редко появлялись вместе в одной натрий-богатой частице.

Эксперименты с замерзанием

Для разгадки этой загадки профессор Ясухито Секине и его коллеги из Института науки Токио создали лабораторные капли, содержащие основные соли, которые, как предполагается, присутствуют в океане Энцелада. Исследователи замораживали капли разных размеров при различных условиях охлаждения и изучали распределение химических элементов после затвердевания.

Результаты показали, что скорость замерзания играет решающую роль. В каплях размером около 200 микрометров соли разделялись на разные области при относительно медленном замерзании — примерно 10 K в минуту или медленнее. Когда капли замерзали быстрее, их химические компоненты оставались гораздо более равномерно перемешанными.

Путь от океана к космосу

Исследователи предложили новый сценарий происходящего внутри ледяной коры луны. Ранние исследования обычно предполагали, что морской спрей из Энцелада замерзает быстро и быстро движется в космос после выхода из океана. Новые эксперименты указывают на иное: капли могут изначально двигаться намного медленнее через подземную систему вентиляции, следуя сложными путями через трещины во льду перед тем, как приблизиться к поверхности.

По мнению учёных, морской спрей сначала образует капли размером от десятков до сотен микрометров. Когда эти капли медленно движутся через более глубокие участки вентиляционных каналов, они постепенно замерзают, давая солям достаточно времени для разделения на разные области. Ближе к поверхности условия меняются: газ начинает двигаться быстрее, и замёрзшие капли могут с высокой скоростью удариться о стены более узких ледяных каналов. Эти столкновения могут разбить капли на гораздо более мелкие куски, каждый из которых происходит из разных солевых областей внутри исходной замёрзшей капли.

Концентрация органики — естественный процесс

Открытие может быть особенно важно для будущих миссий на Энцелад. По мере замерзания и разрушения капель отдельные соединения могут концентрироваться в определённых зёрнах. Процесс разделяет не только разные соли — более ранние работы также показали, что органические вещества могут разделяться друг от друга и появляться в повышенных концентрациях в определённых частицах.

Соединения, которые сильно разбавлены в океане Энцелада и смешаны со множеством других веществ, могут стать намного легче обнаруживаемыми, когда они сконцентрированы в отдельных ледяных зёрнах. На Земле лаборатории часто затрачивают значительные усилия на разделение и концентрирование химических веществ перед анализом образца. Энцелад, похоже, выполняет оба этих этапа подготовки образца естественным образом.

Когда ледяные кристаллы растут, небольшие карманы жидкого рассола могут оставаться в ловушке между ними. Соли и органические соединения могут становиться высоко сконцентрированными внутри этих карманов. Такая концентрация может иметь значение для предбиотической химии — химических процессов, которые могут предшествовать возникновению жизни. Одна из основных проблем такой химии — приведение молекул, которые обычно очень разбавлены, в тесный контакт друг с другом.

Циклический процесс

Поскольку большая часть материала, извергаемого из Энцелада, в конечном итоге падает обратно на луну, этот процесс замерзания, концентрирования и переработки потенциально может повторяться снова и снова, создавая благоприятные условия для развития химических процессов, связанных с жизнью.