Wetenschap
Wat kunnen we leren als we door de pluimen van Enceladus vliegen?
In het komende decennium zullen ruimtevaartorganisaties de zoektocht naar buitenaards leven uitbreiden tot buiten Mars, waar al onze astrobiologische inspanningen momenteel op gericht zijn. Dit omvat de JUpiter ICy moon's Explorer (JUICE) van ESA en de Europa Clipper van NASA, die herhaaldelijk langs Europa en Ganymedes zullen vliegen om hun oppervlakken en interieurs te bestuderen.
Er is ook de door NASA voorgestelde Dragonfly-missie die naar Titan zal vliegen en de atmosfeer, de methaanmeren en de rijke organische chemie op het oppervlak zal bestuderen. Maar misschien wel de meest aantrekkelijke bestemming is Enceladus en de prachtige pluimen die uit het zuidelijke poolgebied komen.
Sinds de Cassini-missie deze pluimen van dichtbij heeft bekeken, willen wetenschappers er graag een robotmissie naartoe sturen om ze te bemonsteren – die alle ingrediënten voor leven lijken te bevatten. Dit is niet zo eenvoudig als het klinkt, en er zijn geen aanwijzingen dat het vliegen door pluimen intacte monsters zal opleveren.
In een recent artikel gepubliceerd in Meteoritics &Planetary Science onderzochten onderzoekers van de Universiteit van Kent hoe de snelheid van een passerend ruimtevaartuig (en de daaruit voortvloeiende impactschok) een aanzienlijke invloed zou kunnen hebben op zijn vermogen om water en ijs in de pluimen te bemonsteren.
Het onderzoek werd uitgevoerd door prof. Mark Burchell en dr. Penny Wozniakiewicz (een emeritus hoogleraar en hoofddocent ruimtewetenschappen) van het Center for Astrophysics and Planetary Science (CAPS), onderdeel van de School of Physics and Astronomy aan de Universiteit van Kent, Verenigd Koninkrijk
Hun werk zou aanzienlijke gevolgen kunnen hebben voor missies naar Icy Ocean Worlds (IOW), lichamen in het buitenste zonnestelsel die voornamelijk bestaan uit bevroren water en vluchtige stoffen met oceanen in het binnenland. Deze lichamen zijn van steeds groter belang geworden voor wetenschappers, omdat het mogelijk is dat sommige ervan het leven in stand kunnen houden.
De term "Ocean Worlds" is de afgelopen jaren gebruikelijk geworden naarmate het aantal potentiële kandidaten voor verkenning is toegenomen. Sinds de Voyager-sondes in 1979 door het systeem trokken, hebben wetenschappers gespeculeerd over de mogelijkheid van een binnenoceaan binnen Europa op basis van de oppervlaktekenmerken ervan. Dit omvatte stukken 'jong terrein' dat naast ouder, kraterachtig terrein lag - wat wijst op regelmatige uitwisselingen tussen het oppervlak en het binnenland. De Voyager-sondes merkten een soortgelijk jeugdig terrein op Enceladus op toen ze in respectievelijk 1980 en 1981 voorbij Saturnus vlogen.
Het was echter de Cassini-Huygens-missie die in 2004 waterdamp en organische moleculen ontdekte die uit het zuidelijke poolgebied van Enceladus ontsnapten. De daaropvolgende dertien jaar voerde de Cassini-orbiter nog een aantal keer langs de maan, wat bijkomend bewijs opleverde van een inwendige ruimtesonde. oceaan en een energiebron op de kern-mantelgrens.
Deze bevindingen plaatsten Enceladus onder de "Oceaanwerelden" die wetenschappers met toekomstige missies nader willen onderzoeken. Maar in tegenstelling tot andere IOW's is Enceladus bijzonder aantrekkelijk vanwege de aard van de pluimen rond de zuidpool.
Terwijl Europa ook pluimactiviteit ervaart, zijn deze sporadischer en moeilijker te detecteren. Vanwege de hogere zwaartekracht van Europa (~13% vs. 1% van die van de aarde) reiken waterdamp en uitgestoten materiaal lang niet zo ver de ruimte in.
Zoals Burchell via e-mail aan Universe Today vertelde, lijkt het verzamelen van monsters van deze pluimen relatief eenvoudig, althans in theorie. "Zoals alle IOW's heeft het een interne oceaan met veel water. Wat zich in dat water bevindt, is het onderwerp van veel speculatie en belangstelling", zei hij. "En Enceladus werpt waterpluimen de ruimte in, waardoor elke ruimtemissie die watermonsters wil nemen veel gemakkelijker wordt:je kunt gewoon door de pluim vliegen."
In de praktijk worden de zaken (zoals altijd) echter iets ingewikkelder. Afhankelijk van hoe snel een missie reist, zal de impact die deze zal hebben op pluimmateriaal aanzienlijk variëren. Zoals Burchell uitlegt, zou dit juist de monsters die een missie probeerde te verkrijgen in gevaar kunnen brengen:
"Het probleem met het verzamelen van monsters op hoge snelheid is dat er veel testen zijn gedaan met metalen en minerale projectielen, maar dat er minder bekend is over de reactie van organische stoffen op de snelle inslagen. De bindingen in de organische stoffen zullen breken, maar op welke manier snelheid? En welke bindingen zijn het eerst? Dus wat je uiteindelijk krijgt voor analyse is misschien niet wat er uit Enceladus kwam. Maar met welke vooroordelen is het essentieel om dit te begrijpen?
Volgens Burchell kan het modelleren van de manier waarop de snelheid van een ruimtevaartuig zijn vermogen om monsters te verzamelen beïnvloedt, op twee manieren worden bereikt. Aan de ene kant is er de computermodelleringsaanpak, waarbij teams vertrouwen op geavanceerde software om de impact te simuleren en de resultaten te meten. De andere is de ‘kinetische’ benadering, die bestaat uit het met de juiste snelheid afvuren van kleine korrels op doelen en vervolgens het meten van de impactkracht. Burchell en zijn team doen het liefst het laatste. "In ons laboratorium schieten we graag dingen op doelen", zei hij.
Hun resultaten lieten duidelijk zien dat de verzamelsnelheid van cruciaal belang is voor het verzamelen van monsters. Ze ontdekten echter ook dat de resultaten van lichaam tot lichaam verschillen. Burchell zei:
"In een baan om een klein lichaam als Enceladus is het vrij laag. Maar voor de grotere IOW's is het groter. En het komt gewoon in het regime terecht waar de schok van het impactproces in de verzameling steeds ernstiger veranderingen aan de monsters veroorzaakt Als je langs de IOW vliegt zonder er in een baan omheen te draaien, ben je weer sneller en ervaren de monsters een grotere schok. Het suggereert dat een orbitale verzameling op lage snelheid het beste is voor niet-geschrokken, minimaal verwerkte monsters ontwerp en beperkt de andere wetenschap die je zou kunnen doen. Het is altijd een afweging."
Zonder het zonnestelsel zijn er verschillende lichamen waar water en andere vluchtige stoffen uit het binnenland worden afgevoerd – een fenomeen dat bekend staat als cryovulkanisme. Deze lichamen variëren aanzienlijk in termen van hun grootte en zwaartekracht, variërend van de microzwaartekracht (minder of iets meer dan 1%) van Mimas en Enceladus tot ongeveer 13% -15% van Europa, Titan en Ganymedes. Als gevolg hiervan zouden deze bevindingen kunnen helpen bij het ontwerp van veel monsterverzamelingsmissies die bestemd zijn voor IOW's.