Een onbekend methaanproducerend proces is waarschijnlijk aan het werk in de verborgen oceaan onder de ijzige schil van Saturnusmaan Enceladus, suggereert een nieuwe studie gepubliceerd in Natuurastronomie door wetenschappers van de Universiteit van Arizona en Paris Sciences &Lettres University.

Reusachtige waterpluimen die uit Enceladus uitbarsten, hebben wetenschappers en het publiek al lang gefascineerd, inspirerend onderzoek en speculatie over de uitgestrekte oceaan die wordt verondersteld te zijn ingeklemd tussen de rotsachtige kern van de maan en zijn ijzige schil. Door de pluimen vliegen en hun chemische samenstelling bemonsteren, het Cassini-ruimtevaartuig ontdekte een relatief hoge concentratie van bepaalde moleculen geassocieerd met hydrothermale ventilatieopeningen op de bodem van de oceanen van de aarde, specifiek diwaterstof, methaan en koolstofdioxide. Vooral de hoeveelheid methaan die in de pluimen werd gevonden, was onverwacht.

"We wilden weten:kunnen aardachtige microben die de diwaterstof 'opeten' en methaan produceren de verrassend grote hoeveelheid methaan verklaren die door Cassini is gedetecteerd?" zei Regis Ferrière, een universitair hoofddocent aan de afdeling Ecologie en Evolutionaire Biologie van de Universiteit van Arizona en een van de twee hoofdauteurs van de studie. "Zoeken naar zulke microben, bekend als methanogenen, op de zeebodem van Enceladus zou extreem uitdagende diepduikmissies vereisen die al tientallen jaren niet in zicht zijn."

Ferriere en zijn team namen een andere, eenvoudigere route:ze construeerden wiskundige modellen om de kans te berekenen dat verschillende processen, inclusief biologische methanogenese, zou de Cassini-gegevens kunnen verklaren.

De auteurs pasten nieuwe wiskundige modellen toe die geochemie en microbiële ecologie combineren om Cassini-pluimgegevens te analyseren en de mogelijke processen te modelleren die de waarnemingen het beste zouden verklaren. Ze concluderen dat Cassini's gegevens consistent zijn met microbiële hydrothermale ventilatie-activiteit, of met processen waarbij geen levensvormen betrokken zijn, maar die verschillen van die waarvan bekend is dat ze op aarde voorkomen.

Op aarde, hydrothermische activiteit treedt op wanneer koud zeewater in de oceaanbodem sijpelt, circuleert door de onderliggende rots en passeert dichtbij een warmtebron, zoals een magmakamer, voordat het weer in het water wordt uitgespuugd door hydrothermale ventilatieopeningen. Op aarde, methaan kan worden geproduceerd door hydrothermische activiteit, maar in een langzaam tempo. Het grootste deel van de productie is te danken aan micro-organismen die het chemische onevenwicht van hydrothermisch geproduceerde diwaterstof benutten als energiebron, en methaan produceren uit koolstofdioxide in een proces dat methanogenese wordt genoemd.

Het team keek naar de pluimsamenstelling van Enceladus als het eindresultaat van verschillende chemische en fysische processen die in het binnenste van de maan plaatsvinden. Eerst, de onderzoekers beoordeelden welke hydrothermische productie van diwaterstof het beste zou passen bij Cassini's waarnemingen, en of deze productie voldoende "voedsel" zou kunnen leveren om een ​​populatie van aardachtige hydrogenotrofe methanogenen in stand te houden. Om dat te doen, ontwikkelden ze een model voor de populatiedynamiek van een hypothetisch hydrogenotrofe methanogeen, waarvan de thermische en energetische niche werd gemodelleerd naar bekende stammen van de aarde.

De auteurs hebben vervolgens het model gebruikt om te zien of een bepaalde reeks chemische omstandigheden, zoals de diwaterstofconcentratie in de hydrothermische vloeistof, en temperatuur zou een geschikte omgeving bieden voor deze microben om te groeien. Ze keken ook welk effect een hypothetische microbenpopulatie zou hebben op haar omgeving, bijvoorbeeld, over de ontsnappingssnelheden van diwaterstof en methaan in de pluim.

"Samengevat, niet alleen konden we evalueren of Cassini's waarnemingen verenigbaar zijn met een leefbare omgeving, maar we zouden ook kwantitatieve voorspellingen kunnen doen over te verwachten waarnemingen, mocht methanogenese daadwerkelijk plaatsvinden op de zeebodem van Enceladus, ’ legde Ferrière uit.

De resultaten suggereren dat zelfs de hoogst mogelijke schatting van abiotische methaanproductie - of methaanproductie zonder biologische hulp - op basis van bekende hydrothermische chemie verre van voldoende is om de gemeten methaanconcentratie in de pluimen te verklaren. Biologische methanogenese toevoegen aan de mix, echter, genoeg methaan zou kunnen produceren om de waarnemingen van Cassini te evenaren.

"Blijkbaar, we concluderen niet dat er leven bestaat in de oceaan van Enceladus, zei Ferriere. we wilden begrijpen hoe waarschijnlijk het zou zijn dat de hydrothermale bronnen van Enceladus bewoonbaar zouden kunnen zijn voor aardachtige micro-organismen. Zeer waarschijnlijk, de Cassini-gegevens vertellen ons, volgens onze modellen.

"En biologische methanogenese lijkt verenigbaar met de gegevens. Met andere woorden, we kunnen de 'levenshypothese' niet als hoogst onwaarschijnlijk afdoen. Om de levenshypothese te verwerpen, we hebben meer gegevens nodig van toekomstige missies, " hij voegde toe.

De auteurs hopen dat hun paper richtlijnen biedt voor studies die gericht zijn op een beter begrip van de waarnemingen van Cassini en dat het onderzoek aanmoedigt om de abiotische processen op te helderen die genoeg methaan zouden kunnen produceren om de gegevens te verklaren.

Bijvoorbeeld, methaan kan afkomstig zijn van de chemische afbraak van oerorganisch materiaal dat mogelijk aanwezig is in de kern van Enceladus en dat gedeeltelijk kan worden omgezet in diwaterstof, methaan en koolstofdioxide door het hydrothermische proces. Deze hypothese is zeer aannemelijk als blijkt dat Enceladus is gevormd door de aanwas van organisch rijk materiaal geleverd door kometen, Ferrière uitgelegd.

"Het komt gedeeltelijk neer op hoe waarschijnlijk we geloven dat verschillende hypothesen om mee te beginnen, "zei hij. "Bijvoorbeeld, als we de kans op leven in Enceladus extreem laag achten, dan worden dergelijke alternatieve abiotische mechanismen veel waarschijnlijker, zelfs als ze erg vreemd zijn in vergelijking met wat we hier op aarde weten."

Volgens de auteurs is een veelbelovende vooruitgang van het papier ligt in zijn methodologie, omdat het niet beperkt is tot specifieke systemen, zoals de binnenste oceanen van ijzige manen, en de weg vrijmaakt voor het omgaan met chemische gegevens van planeten buiten het zonnestelsel, zodra deze in de komende decennia beschikbaar komen.