یک بررسی جدید از دادههای فضایی که بیش از ده سال پیش جمعآوری شدهاند، نشان میدهد که بزرگترین ماه زحل، تیتان، احتمالاً همانطور که پیشتر دانشمندان معتقد بودند، اقیانوس عظیمی در زیر سطح یخزدهاش ندارد. بهجای آن، عبور به سمت داخل لایهی یخی تیتان احتمالاً لایههای اضافی از یخ را آشکار میکند که بهتدریج به مسیرهای شلّی و حفرههای جداگانهی آب مایع نزدیک به هسته سنگی ماه تبدیل میشوند.
تفسیرهای اولیه از دادههای مأموریت کاسینی ناسا به دانشمندان این تصور را دادند که یک اقیانوس عمیق از آب مایع زیر یخ تیتان مخفی است. اما وقتی پژوهشگران این ایده را با مدلهای کامپیوتری آزمون کردند، نتایج با ویژگیهای فیزیکی دادهها همخوانی نداشت. بازنگری دقیقتر به نتایج جدیدی – بهصورت شلّیتر – منجر شد. این نتایج ممکن است دانشمندان را به بازنگری فرضیات دربارهٔ دیگر جهانهای یخی و بهبود روشهای جستجوی حیات در تیتان ترغیب کند.
«بهجای یک اقیانوس باز مانند آنچه روی زمین داریم، احتمالاً به چیزی شبیه به یخهای دریای قطبی یا آبخوانها نگاه میکنیم؛ این امر برای نوع حیات ممکن تأثیر دارد، اما همچنین برای دسترسپذیری مواد مغذی، انرژی و غیره نیز مهم است»، بهقول بپتیست ژرنو، استدیواردار مساعد دانشگاه واشنگتن در علوم زمین و فضا گفت.
این مطالعه که در ۱۷ دسامبر در Nature منتشر شد، توسط ناسا رهبری شد و با مشارکت ژرنو و یولا جونز، دانشجوی تحصیلات تکمیلی علوم زمین و فضا در دانشگاه واشنگتن، در آزمایشگاه او انجام شد.
ارثیهٔ کاسینی و سطح غیرعادی تیتان
مأموریت کاسینی در سال ۱۹۹۷ آغاز شد و تقریباً به مدت دو دهه ادامه یافت و اطلاعات گستردهای دربارهٔ زحل و ۲۷۴ ماه آن جمعآوری کرد. تیتان — که توسط اتمسفر مهآلودی احاطه شده — به عنوان تنها مکانی علاوه بر زمین که مایع بر روی سطح آن وجود دارد، برجسته میشود. با دمایی حدود ‑۲۹۷ درجه فارنهایت، این مایع متان است، نه آب. متان در تیتان دریاچهها را تشکیل میدهد و حتی بهصورت باران از آسمان میبارد.
با حرکت تیتان به دور زحل در یک مدار کشیده، دانشمندان متوجه شدند که این ماه بسته به موقعیتش نسبت به سیاره، کشیده و فشرده میشود. در سال ۲۰۰۸، پژوهشگران ادعا کردند که این انعطاف واضح تنها در صورتی ممکن است که یک اقیانوس بزرگ زیر پوستهٔ تیتان وجود داشته باشد.
«سطح انعطافپذیری بستگی به ساختار داخلی تیتان دارد. اقیانوس عمیق به پوسته اجازه میدهد تا تحت گرانش زحل بیشتر خم شود، اما اگر تیتان کاملاً یخزده باشد، اینقدر خم نمیشود»، ژرنو گفت. «تغییری که در طول تجزیهوتحلیل اولیهٔ دادههای مأموریت کاسینی شناسایی کردیم میتوانست با یک اقیانوس جهانی همخوانی داشته باشد، اما اکنون میدانیم این داستان کامل نیست.»
تاخیر زمانی ظریف نشانگر درون شلّی است
تحقیق جدید فاکتور مهمی را اضافه میکند که مطالعات قبلی بهطور کامل به آن نپرداخته بودند: زمانبندی. تغییرات شکل تیتان تقریباً ۱۵ ساعت پس از قویترین کشش گرانشی زحل رخ میدهد. جابهجایی مادهای ضخیم و چسبناک انرژی بیشتری نسبت به جابهجایی مایع آزاد میطلبد، همچون اینکه هم زدن عسل نسبت به همزدن آب نیاز به تلاش بیشتری دارد. با اندازهگیری این تاخیر، دانشمندان میتوانند مقدار انرژی جذبشده توسط تیتان در هنگام تغییر شکل را برآورد کنند و به درک ضخامت یا چسبندگی درون آن پی ببرند.
مقدار انرژی از دسترفته یا پراکندهشده در داخل تیتان، بسیار بیشتر از آنچه در صورت وجود یک اقیانوس مایع جهانی انتظار میرفت، بود.
«هیچکس انتظار نداشت که انرژی بهشدت در داخل تیتان پراکنده شود. این نکته کلیدی نشان میداد که درون تیتان متفاوت از آنچه در تحلیلهای قبلی استنتاج شده بود، است»، گفت فلافیو پتریکا، پژوهشگر پسادکترا در آزمایشگاه پرواز جت ناسا و نویسندهٔ اصلی این مطالعه.
بر پایه این نتایج، پژوهشگران پیشنهاد میکنند که درون تیتان عمدتاً از لایهای شلّی تشکیل شده است، که مقدار آب مایع بهمراتب کمتر از آنچه قبلاً فرض میشد، دارد. این ماده شلّی به اندازهای ضخیم است که تاخیر در واکنش به گرانش زحل را توضیح میدهد، در حالی که هنوز آب کافی برای تغییر شکل تیتان در اختیار دارد.
امواج رادیویی و فیزیکهای افراطی حمایتکنندهٔ مدل
پتریکا این نتایج را با تحلیل فرکانسهای امواج رادیویی ارسالی از فضاپیمای کاسینی در طول پروازهای نزدیک به تیتان بهدست آورد. ژرنو با بهرهگیری از ترمودینامیک به تفسیر نتایج کمک کرد. کار او بر روی رفتار آب و مواد معدنی تحت فشارهای شدید متمرکز است؛ دانشی که برای درک امکان حمایت از حیات در دیگر محیطهای سیارهای حیاتی است.
«لایهآب در تیتان آنقدر ضخیم است که فشار آن بهاندازهای عظیم است که فیزیک آب تغییر میکند. آب و یخ رفتار متفاوتی نسبت به آب دریا در زمین دارند»، ژرنو گفت.
در آزمایشگاه فیزیک کریو-معدنی سیارهای خود در دانشگاه واشنگتن، پژوهشگران سالهاست روشهایی را برای بازآفرینی شرایط سختی که در دیگر جهانها وجود دارد، توسعه میدهند. با استفاده از این پژوهش، ژرنو به پتریکا و همکارانش دادههایی ارائه کرد که توصیف میکند آب و یخ در عمق تیتان چگونه رفتار میکنند.
«ما میتوانستیم به آنها کمک کنیم تا بر اساس آزمایشهای انجامشده در دانشگاه واشنگتن، سیگنال گرانشی مورد انتظارشان را تعیین کنند»، ژرنو گفت. «این کار بسیار رضایتبخش بود».
اهمیت شلّی برای حیات در تیتان
«کشف لایهای شلّی در تیتان پیامدهای هیجانانگیزی برای جستجو به دنبال حیات فراتر از سامانهٔ خورشیدی ما دارد»، جونز گفت. «این امر دامنهٔ محیطهای قابل سکونت که ممکن است بررسی کنیم، گسترش میدهد».
در حالیکه تصور وجود یک اقیانوس وسیع once به امید حیات در تیتان نیرو میداد، پژوهشگران پیشنهاد میکنند که تصویر بهروز شده ممکن است در واقع شانسها را افزایش دهد. تحلیلهایشان نشان میدهد که حفرههای آب شیرین تیتان میتوانند به دمایی تا ۶۸ درجه فارنهایت برسند. در این حجمهای کوچکتر آب، مواد مغذی غلیظتر از اقیانوس بزرگاند، که میتواند بقا و تکثیر اشکال ساده حیات را آسانتر سازد.
اگرچه دانشمندان انتظار ندارند ماهیهایی در کانالهای شلّی تیتان ببینند، هر گونه حیات که در آن کشف شود میتواند شبیه به موجوداتی باشد که در مناطق قطبی زمین یافت میشوند.
ژرنو همچنین در مأموریت آیندهٔ دراگونفلاي ناسا به تیتان مشارکت دارد که برای پرتاب در سال ۲۰۲۸ برنامهریزی شده است. نتایج این مطالعه بهسازماندهی این مأموریت کمک میکند و ژرنو امیدوار است که دادههای آینده هم شواهدی از حیات و هم پاسخی قطعی دربارهٔ وجود اقیانوس زیر یخ تیتان ارائه دهند.
همکاران مشترک شامل استیون دی. وانس، مارزیا پاریزی، داستین بوشینو، گائل کاسچولی، جولی کاستیلو-روژ، مارک پنینگ و جنتن آی. لونیون از ناسا؛ بریننا جی. داونی از مؤسسه پژوهش جنوب غربی؛ فرانسیس نیمو و گابریل توبی از دانشگاه نانت؛ آندره ماگنانینی از دانشگاه بولونیا؛ امیرحسین باقری از مؤسسه فناوری کالیفرنیا و آنتونیو جنوا از دانشگاه ساپینزا رم میباشند.
این پژوهش توسط ناسا، بنیاد ملی علم سوئیس و آژانس فضایی ایتالیا بودجهگذاری شد.