Księżyc Zatoką Perską przyszłości (2)? Chang’e-6 wylądował 

Jak informuje Chińska Narodowa Administracja Przestrzeni Kosmicznej (CNSA) bezzałogowy pojazd misji Chang’e-6 wylądował pomyślnie na „ciemnej” stronie Księżyca. Nie byłoby w tym nic sensacyjnego gdyby nie fakt, że misja ma za zadanie pobranie i dostarczenie na Ziemię próbek skał księżycowych z jego „ciemnej” strony. To ważne, bo niewidoczna strona Księżyca znacznie różni się od tej, którą widzimy. Różnice w wyglądzie przekładają się na różnice geologiczne, a te z kolei wynikają z historii tego globu. O Księżycu i jego tajemnicach pisałem w tekstach Janusowe oblicze Księżyca i Księżyc Zatoką Perską przyszłości? Chiny konsekwentnie i, jak na razie, bez wpadek realizują ambitny program „kolonizacji” Księżyca. 

Ryc. 1. Start rakiety z misją Chang’e-6. Źródło: Getty Images via https://www.bbc.com/news/articles/cxeejp0y2pjo

Powodzenie misji (informacja na razie niepotwierdzona przez inne źródła niż chińskie) Chang’e-6 to ważny etap, dlatego piszę o tym w dedykowanym tekście. Tajemnica odmienności ciemnej strony Księżyca kryje się w jego historii, a tę możemy poznać tylko poprzez badanie skał księżycowych. Jeśli chińska misja powiedzie się do końca, będziemy mieli (a właściwie Chińczycy, może się podzielą) najstarsze księżycowe skały z Basenu Bieguna Południowego – Aitken, krateru uderzeniowego, jednego z największych znanych w Układzie Słonecznym. I najstarszych. 

Ryc. 2. Lądownik księżycowy Chang’e-6 po wylądowaniu 2 czerwca 2024 r.(Zdjęcie: CCTV)

Badania mogą odpowiedzieć nie tylko na pytania związane z Księżycem. Z uwagi na wiek i położenie pobranych skał będzie można wyciągać wnioski i weryfikować hipotezy dotyczące historii całego Układu Słonecznego, zwłaszcza planet. Wybór miejsca lądowania nie był przypadkowy. Krater Aitken może dostarczyć próbki skał z płaszcza księżycowego, co oznacza, że będzie można określić, czy i ile wody (oczywiście zestalonej) na Księżycu się znajduje. To podstawowa kwestia w planowaniu przyszłych stałych baz księżycowych.

Innym, równie ekscytującym tematem badań jest poszukiwanie helu-3, świętego Graala przyszłej energetyki jądrowej. Mocarstwa kosmiczne od dawna ostrzą sobie zęby na pozyskiwanie tego „mitycznego” izotopu. Po raz pierwszy misje kosmiczne mają szansę być nie tylko eksploracyjne i kosztowne, ale mogą stać się opłacalne. 

Ryc. 3. Plan misji. Żródło: https://x.com/CNSAWatcher/status/1785556675895697602

Data i czas lądowania: niedziela 2 czerwca 2024, godzina 6:23 czasu pekińskiego (22:23 GMT, sobota).

Miejsce lądowania:  basen Bieguna Południowego-Aitken 

Miejsce startu: Wenchang Space Launch Center

Czas lotu: 4 dni

Ciekawostka: Podczas opadania zastosowano autonomiczny system wizualnego omijania przeszkód, który automatycznie wykrywał przeszkody, a kamera w świetle widzialnym wybierała stosunkowo bezpieczne miejsce do lądowania.

Plan misji: Lądownik spędzi kilka następnych dni badając otoczenie i zbierając materiał skalny (2 kg). Część próbek zostanie pobrana z powierzchni, część z odwiertów o głębokości do 2 metrów.

Z dużą większą przyjemnością napisałbym o tak ważnym etapie badań Księżyca w wykonaniu NASA lub ESA. Niestety, misje amerykańskie zawodzą. Zaplanowana na wczoraj misja Starliner (Boeing) została po raz kolejny przerwana. Misję Artemis 2 przełożono z listopada 2024 na wrzesień 2025. Załogowa wyprawa Artemis 3 planowana na końcówkę 2025 roku została (konsekwentnie) przełożona na wrzesień 2026. 

Ile księżyców ma Ziemia?

Ile księżyców ma Ziemia? Jeden, w dodatku pisany przez duże „K”, żeby nie było wątpliwości. No bo co to jest księżyc? Jest to, cytując Wikipedię naturalny satelita, ciało niebieskie pochodzenia naturalnego, obiegające planetę, planetę karłowatą lub planetoidę. Czy ta definicja jest precyzyjna? Wydawałoby się, że tak, ale diabeł, jak zwykle, kryje się w szczegółach. Wystarczy zadać kilka podstępnych pytań, aby nabrać wątpliwości.

Co to znaczy „obiega”? Każdy układ dwóch krążących wokół siebie ciał posiada środek ciężkości, centrum wzajemnego obiegu, a w szczególnym przypadku dwóch ciał o zbliżonych masach trudno mówić, że jedno ciało obiega drugie. Jest to tak zwany układ podwójny. Oba ciała krążą wokół wspólnego środka ciężkości. Nawet tak oczywisty układ jak Ziemia-Księżyc posiada środek masy (barycentrum) w odległości około 4670 km od środka Ziemi. 

Czy księżyc (satelita) musi być sztywną bryłą? Definicja tego nie precyzuje, więc korzystając z zasady domniemania niewinności możemy uznać, że nie musi, może być przecież obiektem pyłowym utrzymującym spójność dzięki swojej własnej mikrograwitacji i szczególnemu położeniu w tzw. stabilnych punktach Lagrange’a. 

Co z nieruchomym względem siebie układem dwóch ciał? Może się zdarzyć, że satelita znajduje się w punkcie Lagrange’a, gdzie siły grawitacyjne dwóch ciał (np. planety i gwiazdy) równoważą się, pozwalając satelicie na pozostanie na stałej pozycji względem tych ciał. 

Czy wielkość ma znaczenie? Definicja milczy. Dlaczego to jest ważne, okaże się w dalszej części tekstu.

Krakowski astronom Kazimierz Kordylewski (1903-1981) dysponował wiedzą o punktach libracyjnych (Lagrange’a). Pisałem o nich w tekście Euclid, czyli kolejny teleskop w punkcie Lagrange’a. Wiedział też o zagęszczeniach materii odkrytych w punktach Lagrange’a L4 i L5 układów Słońce-Jowisz, Słońce-Mars i Słońce-Ziemia. Zadał więc pytanie: czy istnieją takie skupiska masy w układzie Ziemia-Księżyc? Prowadząc obserwacje nieba odkrył lokalne pojaśnienia nieba w miejscu odpowiadającym punktowi L5. Pochodziły one z rozproszenia światła słonecznego na obłokach międzyplanetarnego pyłu. Obserwacje prowadził w obserwatorium meteorologicznym na szczycie Kasprowego Wierchu, gdzie zakłócenia pochodzące od sztucznego światła były najmniejsze. Odkryte w 1961 roku obiekty zostały nazwane pyłowymi Księżycami Kordylewskiego, a astronom został uhonorowany wieloma nagrodami, w tym Brązowym Medalem NASA (1972).

Ryc. 1. Diagram przedstawiający punkty Lagrange’a układu Ziemia-Księżyc. Księżyce Kordylewskiego występują w rejonach punktów L4 i L5. Wikipedia, autor Vulpecula, domena publiczna.

Istnienie Księżyców Kordylewskiego próbowano wielokrotnie potwierdzić, początkowo z miernym skutkiem. Doszło nawet do próby zakwestionowania odkrycia, argumentując to wpływem wiatru słonecznego i oddziaływaniem grawitacyjnym innych planet na stabilność domniemanych obiektów. Dopiero uporczywe obserwacje astronoma-amatora J. W. Simpsona (1964), a później także zawodowych astronomów potwierdziły słuszność obserwacji Kordylewskiego. Między innymi J. R. Roach odkrył obłoki pyłowe w danych orbitalnego obserwatorium Słońca OSO-6. Pośrednim dowodem było też zaobserwowane osłabienie światła gwiazd. Dokonał tego Maciej Winiarski, naukowiec z Uniwersytetu Jagiellońskiego w obserwatorium astronomicznym w Roztokach Górnych. 

Najnowsze badania Księżyców Kordylewskiego wykorzystywały zmianę polaryzacji światła słonecznego przechodzącego przez te obiekty. Zostały one przeprowadzone przez naukowców węgierskich (2018). Przeprowadzono też symulacje, z których wynika pulsowanie i ciągła zmiana kształtu obłoku oraz potwierdzenie, że obłoki są w punktach Lagrange’a stabilne. Zaprzecza to twierdzeniom sceptyków kwestionujących istnienie takich obłoków.

Ryc. 2. Schematyczne przedstawienie pyłowego Księżyca Kordylewskiego w punkcie L5 układu Ziemia – Księżyc w płaszczyźnie orbity Księżyca (19.08.2017, godz. 01:14:15 UT). Skala odległości nie jest zachowana. Źródło: J. Slíz-Balogh, A. Barta, G. Horváth (2018). https://fais.uj.edu.pl/wydzial/ogloszenia/-/journal_content/56_INSTANCE_8AfLQeBmM1sp/41628/141195640

Księżyce Kordylewskiego mają średnicę kątową około 6 stopni i mogą dryfować względem punktów L4 i L5 ok. 10 stopni kątowych. 

Inne niż Księżyc księżyce Ziemi zawsze budziły emocje i były źródłem wielu spekulacji i niepotwierdzonych obserwacji, a także inspiracją dla autorów naukowej fantastyki. Juliusz Verne w powieści Z Ziemi na Księżyc wykorzystał hipotezę (oczywiście obaloną) Frédérica Petita, dyrektora obserwatorium w Tuluzie. Tenże Petit ogłosił w 1846 roku, że odkrył drugi księżyc krążący wokół Ziemi. Sprawa była o tyle poważna, że doniesienie Petita potwierdziło dwóch innych astronomów francuskich, Lebon I Dassier. Petit poszedł więc za ciosem i ogłosił, że nowy księżyc charakteryzuje się orbitą o apogeum 3570 km i perigeum 11,4 km (!). Ale przecież tak niskie perigeum to przecież jeszcze ziemska atmosfera i każdy obiekt dłużej krążący po takiej orbicie po prostu spadłby na Ziemię.

Końcówka XIX wieku obfitowała w doniesienia tego typu (Wattelmah, Stone Wiggins), wiadomo – fin de siècle, dekadentyzm. 

Ryc. 3. Jedna z oryginalnych ilustracji powieści Z Ziemi na Księżyc Juliusza Verne’a; sztych autorstwa Henriego de Montauta z 1865. Licencja: domena publiczna

Skoro już wiemy, że Ziemia posiada tylko jednego satelitę z prawdziwego zdarzenia, należy wspomnieć o tzw. „drugich księżycach”. Co to takiego? Istnieje wiele obiektów w Układzie Słonecznym, tak zwanych obiektów bliskich Ziemi (ang. near-Earth objects, NEO), które znajdują się w rezonansie orbitalnym z Ziemią. Obiekt krążący wokół Słońca znajduje się z Ziemią w rezonansie, kiedy okres obiegu wokółsłonecznego jednego z nich jest niewielką całkowitą wielokrotnością okresu drugiego obiektu. Wtedy następuje cykliczny wpływ tych obiektów na siebie (wymiana pędu) skutkujący wzajemną zmianą orbit. Zdarza się, że po pewnym czasie układ dochodzi do stanu stabilnego. Rezonans orbitalny nie jest zjawiskiem odosobnionym, występuje w naszym Układzie Słonecznym. Przykładem jest rezonans trzech księżyców Jowisza: Ganimedesa, Europy i Io w stosunku 1:2:4 oraz rezonans Plutona z Neptunem. Rezonans między księżycami Saturna jest przyczyną powstania luk w jego pierścieniach. 

Wróćmy jednak na Ziemię. „Drugich” księżyców Ziemi jest wiele, a 469219 Kamo’oalewa, asteroida o średnicy 40-100 metrów odkryta w 2016 roku jest prawdopodobnie najbardziej stabilna. Quasi-satelitą (NEO) Ziemi stała się około 100 lat temu, i prawdopodobnie pozostanie nią jeszcze przez kilka stuleci. 

Nazwa Kamoʻoalewa jest tłumaczeniem na język hawajski określenia „fragment, który oscyluje”, co odnosi się do jego ruchu na niebie widzianym z Ziemi. 

Chińska Narodowa Administracja Kosmiczna planuje wysłać do Kamo’oalewy sondę Zhenghe, która okrąży asteroidę, wyląduje na jej powierzchni, pobierze próbki i przeniesie je na Ziemię w module powrotnym. Następnie sama sonda uda się w stronę komety 133P/Elst-Pizarro.

Czy może istnieć życie na Enceladusie?

Enceladus, satelita Saturna, jest stosunkowo niewielkim, ale jednym z najbardziej interesujących księżyców w Układzie Słonecznym. Już od dłuższego czasu naukowcy uważają, że może on być on, a dokładniej jego podlodowy ocean, potencjalnym siedliskiem życia.

Enceladus sfotografowany przez sondę Cassini
źródło: NASA, domena publiczna

Dyskusja na ten temat rozgorzała na nowo, gdy na światło dzienne wypłynęły dane nadsyłane z sondy Cassini. Misja Cassini-Huygens rozpoczęła się jeszcze w 1997 roku, ale dopiero w 2004 sonda weszła na orbitę Saturna. Jej celem było zbadanie samej planety, ale też jej pierścieni i księżyców. Sonda jedenaście razy przeleciała obok Enceladusa, zbierając olbrzymią ilość danych na temat gejzerów tego ciała niebieskiego. Jeden z przelotów miał miejsce zaledwie 50 km nad powierzchnią księżyca. W jego trakcie sonda przeleciała przez gejzer w okolicach południowego bieguna, dokonując analizy jego zawartości.

Kriowulkany na biegunie południowym
źródło: NASA, licencja: CC SA 2.0

W 2023 roku ukazała się w „Nature Astronomy” niesamowicie ciekawa praca, będąca pierwszym większym podsumowaniem badań chemicznych Enceladusa. Badacze skupili się na wynikach uzyskanych przy użyciu spektrometru INMS, który analizuje zarówno jony, jak też cząsteczki obojętne. Jest to niesamowite urządzenie. Waży tylko nieco ponad 9 kg, zużywa niecałe 30 watów. Komunikuje się z „zawrotną” szybkością 1,5 kbps, ale w sumie nie chodziło tu o szybkość. Jego podstawowym zadaniem jest „obwąchiwanie” okolicy. Spektrometr wykrywa jony i cząsteczki obojętne o stosunkowo niskich masach (tylko do 60 jednostek masy atomowej). Dane przesyłane powoli, ale cierpliwie na Ziemię, zachwyciły badaczy. Stwierdzono, że w gejzerach aktywnych w rejonie biegunowym Enceladusa znajdują się takie substancje, jak woda (dość oczywista w przypadku gejzerów), ale też dwutlenek węgla, metan, amoniak i wodór cząsteczkowy. Akurat obecności tych związków się spodziewano. Ale dalej było tylko ciekawiej. Kolejnymi niskocząsteczkowymi związkami, które wykrył INMS, były: cyjanowodór (HCN), acetylen (C2H2), propylen (C3H6) i etan (C2H6).

Jeśli dodamy do tego oddziaływanie Słońca, które może powodować radiolizę (rozkład pod wpływem promieniowania jonizującego) oraz inne, wtórne procesy chemiczne, nietrudno jest wyciągnąć wnioski, że mamy tu całkiem bogaty zestaw „klocków życia”. Oczywiście nie jest to żaden bezpośredni, a nawet pośredni dowód, że pod białą lodową powierzchnią tego księżyca istnieje jakiekolwiek życie. Możemy jednak spekulować, że właśnie tego typu koktajl chemiczny jest swoistym zaczynem. Szczególną uwagę zwraca obecność HCN. Ten toksyczny dla ludzi gaz stanowi kluczową cząsteczkę w procesach tworzenia aminokwasów. Ciekawość wzbudza też obecność metanu. Tu, na Ziemi, jest on produktem metanogenezy, procesu beztlenowego rozkładu substancji organicznych. Skąd on się wziął na Enceladusie? Nie wiemy. Jeszcze nie wiemy. Jego obecność dowodzi jednak tego, że muszą tam przebiegać reakcje redoks (redukcji i utleniania), które są typowe dla znanego nam metabolizmu. Tu trzeba zwrócić uwagę, że związki węgla odkryte na Enceladusie obejmują szeroki zakres stopni utlenienia – od +4 (dwutlenek węgla) aż do -4 (metan). Zauważmy też, że w mieszaninie mamy również substancję redukującą (wodór) oraz utleniającą (tlen), tak więc możemy przypuszczać, że w tym kosmicznym tyglu może dziać się bardzo dużo interesujących procesów chemicznych.

Trzeba tu jeszcze wspomnieć, że sonda Cassini (konkretnie Cosmic Dust Analyzer) wcześniej wykryła w drobnych ziarnach pyłu wyrzucanego z gejzerów księżyca całkiem sporą ilość związków nieorganicznych. Znaleziono tam typowe jony, takie jak sód i potas, a także wodorowęglan i węglan. Ot, skład podobny do naszej wody mineralnej (rzućcie okiem na dowolną etykietę). Co ważne, odkryto też fosforany, bardzo istotny składnik życia (wspomnijmy tylko ATP czy DNA). Analiza zawartości tych ważnych jonów wykazała, że w podpowierzchniowym oceanie jest ich prawdopodobnie nawet 100 razy więcej niż w oceanach ziemskich. W jonach tych fosfor występuje na +5 stopniu utlenienia. Podejrzewano też, że może tam się znaleźć fosfor +3, czyli pochodne H2PO3. Są to jony silnie redukujące, ale nie zostały one znalezione, co raczej nie jest dziwne, zważywszy na to, że środowisko oceanu Enceladusa jest alkaliczne. Badacze podejrzewają, że źródłem fosforu jest głównie fosforek żelaza (FeP). W środowisku kwaśnym związek ten rozkłada się z wytworzeniem fosfiny (fosforowodoru – PH3). Przypominam, że afera z fosfiną wybuchła jakiś czas temu, gdy analizowano wyniki badań Wenus. Pisałem o tym jakiś czas temu.

Dodam tutaj dla porządku, że odkrycia związane z jonami nieorganicznymi było pośrednie – znaleziono je w materii pierścienia E wokół Saturna, wykorzystując aparaturę CDA (Cosmic Dust Analyzer). Pierścień ten jest tworzony właśnie przez gejzery (kriowulkany) Enceladusa i jest najbardziej zewnętrznym z pierścieni. Znajduje się on w odległości 180-480 tys. km od planety, przy czym orbita Enceladusa to ok. 230 tys. km.

Wyniki najnowszych badań Enceladusa mogą być impulsem do dalszej eksploracji tego księżyca. Co prawda już jakiś czas temu NASA umieściła w swoim programie flagowym misję Enceladus Orbilander, ale jest ona w bardzo wczesnej fazie projektowania. W ramach tego projektu sonda wyposażona w różnorodną aparaturę badawczą miałaby pod koniec lat 30. wystartować z Ziemi, przy czym planowana data dotarcia na Enceladusa to wczesne lata 50. Sonda miałaby 1,5 roku orbitować wokół księżyca, badając zdalnie m.in. kriowulkany, a następnie wylądować i przez kolejne pół roku prowadzić eksplorację powierzchni. Innym projektem jest ELF – Enceladus Life Finder, ale tutaj mamy nadal niewiele szczegółów, nie znamy też nawet przybliżonych dat misji. Wiemy tylko, że mają być badane gejzery. Ale zaraz – przecież te były zbadane przez sondę Cassini. Ha, tyle że przy użyciu starych instrumentów. Pierwszy z brzegu przykład: znaleziono obojętne cząsteczki o masie 28 u (jednostek masy atomowej). Nie dało się jednak rozstrzygnąć, czy mamy tu cząsteczki CO (bardzo interesujące), czy też N2 (mało ciekawe). Nowe instrumenty będą co najmniej 80x bardziej dokładne i pozwolą nam to rozstrzygnąć jednoznacznie. Co więcej, aparatura będzie też nastawiona na analizę obecności aminokwasów, ale też, jeśli zostaną wykryte, będzie można sprawdzić, czy są one (mówiąc popularnie) lewoskrętne, czy prawoskrętne.

Obiecuję, że jak tylko napłyną wyniki, podzielę się z wami, jeśli nie zapomnę. Będę miał niecałe sto lat. A jeśli ja tego nie zrobię, zobowiążę do tego mojego wnuka Wiktora, który będzie miał wtedy mniej więcej tyle lat, ile Lucas teraz.

Projekt ELF – Enceladus Life Finder (plik PDF, j. ang.)

Czy istnieje życie na Enceladusie

Inne spojrzenie na chemię Enceladusa