Kiedy należąca do NASA sonda Voyager 2 przeleciała obok Urana w 1986 roku, wykonała ziarniste zdjęcia dużych księżyców pokrytych lodem. Prawie 40 lat później NASA planuje wysłać na Urana kolejny statek kosmiczny, tym razem wyposażony w taki sprzęt, który umożliwi sprawdzenie, czy te lodowe księżyce skrywają oceany z ciekłą wodą.
Misja jest wciąż na wczesnym etapie planowania. Jednak naukowcy z Instytutu Geofizyki Uniwersytetu Teksańskiego (UTIG) przygotowują się do tego, budując nowy model komputerowy, który można wykorzystać do wykrywania oceanów pod lodem za pomocą samych kamer statku kosmicznego.
Badania są ważne, ponieważ naukowcy nie wiedzą, która metoda wykrywania oceanów sprawdzi się najlepiej w przypadku Urana. Naukowcy chcą wiedzieć, czy znajduje się tam woda w stanie ciekłym, ponieważ jest to kluczowy składnik życia.
Nowy model komputerowy działa na zasadzie analizy małych oscylacji – czyli wahań – w sposobie, w jaki księżyc obraca się, krążąc wokół swojej macierzystej planety. Na tej podstawie może obliczyć, ile wody, lodu i skał znajduje się w środku. Mniejsze wahania oznaczają, że księżyc jest w większości stały, natomiast duże wahania oznaczają, że lodowa powierzchnia unosi się na oceanie ciekłej wody. W połączeniu z danymi grawitacyjnymi model oblicza głębokość oceanu oraz grubość pokrywającego go lodu.
Uran, wraz z Neptunem, należy do klasy planet zwanych lodowymi gigantami. Astronomowie odkryli poza Układem Słonecznym więcej ciał lodowych olbrzymów niż jakikolwiek inny rodzaj egzoplanety. Jeśli odkryje się, że księżyce Urana mają wewnętrzne oceany, może to oznaczać, że w całej galaktyce istnieje ogromna liczba światów potencjalnie będących siedliskami życia, powiedział Doug Hemingway, planetolog z UTIG, który opracował model.
„Odkrycie oceanów ciekłej wody wewnątrz księżyców Urana zmieniłoby nasze myślenie o zakresie możliwości istnienia życia” – powiedział.
Badania UTIG, które opublikowano w czasopiśmie Geophysical Research Letters, pomogą naukowcom i inżynierom zajmującym się misją zwiększyć ich szanse na wykrywanie oceanów. UTIG jest jednostką badawczą Jackson School of Geosciences na Uniwersytecie Teksasu w Austin.
Wszystkie duże księżyce w Układzie Słonecznym, łącznie z Uranem, są zablokowane pływowo. Oznacza to, że grawitacja dopasowała się do ich obrotu w taki sposób, że podczas orbitowania ta sama strona zawsze jest zwrócona w stronę planety macierzystej. Nie oznacza to jednak, że ich obrót jest całkowicie ustalony i wszystkie księżyce zsynchronizowane pływowo oscylują w tę i z powrotem podczas swojej orbity. Określenie zakresu wahań będzie kluczem do ustalenia, czy księżyce Urana zawierają oceany, a jeśli tak, to jak duże mogą być.
Księżyce z oceanem ciekłej wody przepływającym wewnątrz będą się kołysać bardziej niż te, które są na całej powierzchni stałe. Jednak nawet największe oceany będą generować jedynie niewielkie wahania: obrót księżyca może odbiegać jedynie o kilkaset stóp podczas podróży po swojej orbicie.
To wciąż wystarczy do wykrycia przelatującego statku kosmicznego. W rzeczywistości technikę tę stosowano już wcześniej w celu potwierdzenia, że księżyc Saturna, Enceladus, ma wewnętrzne globalne oceany.
Aby dowiedzieć się, czy ta sama technika sprawdzi się w przypadku Urana, Hemingway przeprowadził obliczenia teoretyczne dla pięciu jego księżyców i przedstawił szereg prawdopodobnych scenariuszy. Na przykład, jeśli księżyc Urana, Ariel, zatacza się na odległość 90 metrów, wówczas prawdopodobnie będzie miał ocean głęboki na 300 km otoczony skorupą lodową o grubości 30 km.
Wykrywanie mniejszych oceanów będzie oznaczać, że statek kosmiczny będzie musiał zbliżyć się lub wyposażyć w wyjątkowo mocne kamery. Jednak model daje projektantom misji suwak logarytmiczny, dzięki któremu wiedzą, co będzie działać, powiedziała profesor nadzwyczajna UTIG Research, Krista Soderlund.
„Może to stanowić różnicę między odkryciem oceanu a stwierdzeniem, że po przybyciu na miejsce nie mamy takich możliwości” – powiedział Soderlund, który nie był zaangażowany w obecne badania.
Soderlund współpracował z NASA nad koncepcjami misji na Urana. Należy także do zespołu naukowego misji Europa Clipper należącej do NASA, która niedawno wystrzeliła i zawiera radarowy radar penetrujący lód opracowany przez UTIG.
Następnym krokiem, powiedział Hemingway, jest rozszerzenie modelu o pomiary wykonane innymi instrumentami, aby zobaczyć, jak poprawiają one obraz wnętrz księżyców.
Współautorem artykułu jest Francis Nimmo z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz. Badania sfinansował UTIG.