Tag: Enceladus

Eksperymenty na Ziemi pomogą w poszukiwaniu życia w kosmosie

Mirosław Dworniczak2 komentarze

Zacznę może od pewnego zastrzeżenia. Gdy piszę tutaj o poszukiwaniu życia poza Ziemią, mam na myśli życie zbliżone do naszego: oparte na związkach węgla, mające zbliżone struktury cząsteczek (choć niekoniecznie organizmów jako takich) oraz metabolizm, wraz z jego produktami. Oczywiście życie może gdzieś indziej wyglądać zupełnie inaczej, być oparte np. na łańcuchach krzemoorganicznych i wcale nie musi tam rządzić DNA czy RNA, ale to są w tym momencie rozważania czysto teoretyczne, modelowe. Jak dotąd poszukujemy tzw. biosygnatur, czyli związków, izotopów czy zjawisk, które mogą świadczyć o istnieniu życia w danym miejscu. Dodajmy – życia obecnego lub wymarłego.
Astrobiolodzy cały czas poszukują śladów życia poza Ziemią. Jak wiadomo, pierwsze eksperymenty były prowadzone już dawno, ale dały one niejednoznaczne wyniki. Obecnie największym zainteresowaniem naukowców cieszą się dwa obiekty w Układzie Słonecznym. Pierwszym z nich jest księżyc Jowisza – Europa, drugim – satelita Saturna o nazwie Enceladus.
Zanim jednak misje kosmiczne wyruszą w podróż do tych dwóch obiektów, trzeba bardzo precyzyjnie przygotować i przetestować aparaturę, która będzie tam musiała przeprowadzać autonomicznie badania, a następnie przesłać ich wyniki na Ziemię.

Europa – księżyc Jowisza
Enceladus – księżyc Saturna

powyższe zdjęcia z Wikipedii, domena publiczna

Co dotychczas znaleziono na księżycach?

Tu trzeba koniecznie podkreślić, że Europa i Enceladus nie zostały wybrane losowo jako obiekty do badań. Zainteresowanie tymi księżycami spowodowało, że zostały odwiedzone przez kilka misji, które dostarczyły nam sporo informacji zarówno o ich powierzchni, jak też prawdopodobnej budowie. Jako pierwsze pojawiły się tam sondy Pioneer, a było to już 50 lat temu. Potem była misja Galileo, w 2023 ESA wystrzeliła Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE), który też ma badać Europę, a także Ganimedesa i Kalisto. a pod koniec 2024 roku poleci tam sonda Europa Clipper, której zadaniem będzie szczegółowe badanie księżyca. Na wyniki będziemy musieli poczekać, bo sonda dotrze tam dopiero w 2030 r. Będzie ona wyposażona w nowoczesną aparaturę, m.in. spektrometry UV/IR oraz spektrometr mas. Pierwotnie rozważano też wysłanie tam lądownika, Europa Lander, ale ta misja została odwołana.
Drugim księżycem, tym razem krążącym wokół Saturna, budzącym zainteresowanie naukowców, jest Enceladus. Jest on stosunkowo niewielki (średnica ok. 500 km), ale niesamowicie interesujący. Jest to księżyc lodowy, ale pod skorupą znajduje się ocean ciekłej wody (z dodatkami!). Był on już badany w 2005 r. przy pomocy sondy Cassini. Badania spektrometryczne materii wydobywającej się z gejzerów wykazały obecność nie tylko soli mineralnych, ale też materii organicznej (głównie węglowodorów). Dlatego też opracowuje się misję, która będzie miała za zadanie bardziej szczegółowe badania, w tym chemiczne. Mowa o projekcie Enceladus Orbilander. Jak sama nazwa wskazuje, będzie ona krążyć wokół Enceladusa, ale też wyląduje na powierzchni i przeprowadzi bezpośrednie badania powierzchni tego księżyca. Według aktualnych danych sonda ma wystartować dopiero pod koniec lat 30. XXI wieku, a lądowanie przewidziano na początek lat 50. XXI w. Sporo czasu…

Astrobiologiczne badania na… Ziemi

Zanim jednak specjalistyczne przyrządy polecą w przestrzeń kosmiczną, trzeba je skonstruować i wypróbować tu, na Ziemi. Założenie jest względnie proste: wszystko, co znajduje się na lodowej powierzchni księżyców, podlega działaniu promieniowania kosmicznego, które bezlitośnie niszczy związki organiczne. Jeśli więc jest tam jakieś życie… no, choćby ślady dzisiejszego lub wcześniejszego życia, to trzeba go szukać w głębi. Opublikowane właśnie wyniki badań trwałości niektórych aminokwasów prowadzono w taki sposób, aby określić, na jakiej głębokości w lodzie promieniowanie kosmiczne będzie na tyle niewielkie, że związki te dadzą radę przetrwać. Do doświadczeń wybrano zarówno chemicznie czyste aminokwasy, jak też próbki pochodzące z martwych mikroorganizmów, takich jak Escherichia coli oraz beztlenowe bakterie Acetobacterium woodii. Próbki umieszczano pod warstwą lodu o grubości 10-20 cm, a następnie naświetlano promieniowaniem gamma, imitując warunki kosmiczne. Wszystkie eksperymenty prowadzono w typowej dla obu księżyców temperaturze ciekłego azotu (77 K). Dawki promieniowania były olbrzymie – sięgały od 1 do 4 MGy (megagrejów). Tu warto dodać, że napromieniowanie człowieka dawką 5 Gy (czyli milion razy mniejszą) powoduje zwykle śmierć w ciągu 14 dni. Przy okazji – podstawową wiedzę o jednostkach promieniowania znajdziecie we wpisie Lucasa.
Analiza próbek była prowadzona za pomocą chromatografii gazowej sprzężonej z kwadrupolową spektrometrią mas. Okazało się, że aminokwasy pochodzące z martwego materiału bakteryjnego rozkładały się wolniej niż te z indywidualnych próbek czysto chemicznych. Nie jest to specjalnie dziwne, ponieważ resztki aminokwasów z martwych bakterii są do pewnego stopnia chronione przez ich ściany komórkowe.
Oszacowano, że na Europie lód będzie musiał być nawiercony na głębokość co najmniej 20 cm, podczas gdy na powierzchni Enceladusa wystarczy wiercenie do głębokości zaledwie 1 mm.

Co nam mówią te wyniki – i co dalej?

Ano, sprawa jest względnie prosta – i do pewnego stopnia spodziewana. Będziemy poszukiwać biomolekuł w lodzie, bo tylko tam mogły się zachować (jeśli w ogóle tam były). Trzeba będzie dokonać wierceń i pobrać próbki, a następnie poddać je w miarę typowej analizie chemicznej. No, w miarę typowej, bo aparatura będzie musiała wykonywać pomiary w ekstremalnych temperaturach, co nie jest takie proste.
No i oczywiście zebrane dane będą musiały zostać przesłane na Ziemię, aby naukowcy mogli mieć z nich pożytek. A wszystko to w warunkach, w których do dyspozycji będzie dość mało energii, więc aparatura musi być unikatowa. Bardzo poważne wyzwanie stoi więc przed zespołami projektującymi cały zestaw aparatury badawczej. Czekamy na kolejne wieści z przygotowań.

Literatura dodatkowa

Czy może istnieć życie na Enceladusie?

Mirosław Dworniczak2 komentarze

Na zajawce powyżej: badanie kriowulkanów – wizja artystyczna (Bing AI)

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

Spektrometria kriowulkanów

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.

A co znaleziono w pyle?

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.

Co dalej

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.

Literatura dodatkowa

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

Czy istnieje życie na Enceladusie

Inne spojrzenie na chemię Enceladusa

Światło w brzuchu giganta, czyli o fosforze na Enceladusie

Mirosław Dworniczak5 komentarzy

W dawnych czasach Ziemię zamieszkiwali giganci. Pochodzili od bogów, ale w przeciwieństwie do nich byli śmiertelni. Wyglądali dość diabolicznie, byli kudłaci, a zamiast nóg mieli węże. Jednym z nich był Enkelados. W czasie gigantomachii, wielkiej bitwy gigantów z bogami o władanie kosmosem, Enkelados walczył z wielką Ateną. Zabity w walce został rzucony na Ziemię i pogrzebany. I tu źródła podają różne miejsca – Sycylia albo Etna. Tak czy inaczej pod wulkanem.

Fontanna Enkeladosa (fragment), park w Wersalu (Paryż), źródło: Wikimedia, licencja: GNU FDL 1.2

Nic więc dziwnego, że jeden ze stu kilkudziesięciu naturalnych satelitów planety Saturn (jego greckim odpowiednikiem jest Kronos, z którego krwi zrodził się wspomniany gigant), zyskał nazwę Enceladus. Jeśli weźmiemy pod uwagę rozmiary, nie należy on do gigantów, jest szósty pod względem wielkości spośród księżyców Saturna, ma średnicę ok. 500 km. Enceladus to księżyc lodowy. Jego powierzchnia jest usiana kraterami, występują tam też gejzery. Zjawisko to jest znane pod nazwą kriowulkanizmu. Widać, że duch pogrzebanego pod którymś z wulkanów Enkeladosa ujawnia swoją prawdziwą naturę.

Gejzery na Enceladusie, źródło: Wikimedia, licencja: CC BY-SA 2.0

Na temat Enceladusa wiemy stosunkowo dużo, a to dzięki badaniom sondy Cassini-Huygens. Wystrzelona w 1997 roku miała za zadanie eksplorację Saturna, jego pierścieni oraz satelitów. Wyniki naukowe misji były wprost rewelacyjne. Sonda Cassini odkryła w pobliżu południowego bieguna Enceladusa gejzery, z których uwalniały się duże ilości materii. Uczeni analizujący wyniki badań uznali, że jest to potwierdzenie hipotezy mówiącej o tym, że pod lodową powierzchnią tego księżyca znajduje się duży ocean zawierający spore ilości ciekłej słonej wody. W wyrzucanych przez gejzery strugach odkryto gazowy wodór, który może powstawać tam w wyniku aktywności hydrotermalnej. Metody spektrometryczne pozwoliły także na odkrycie węglowodorów oraz dwutlenku węgla. Uznano, że obecność całego szeregu związków, zarówno nieorganicznych, jak też organicznych, może być oznaką istnienia pod lodową pokrywą jakichś prostych form życia. Jak dotąd wykryto jony sodu i potasu, węglany i wodorowęglany. Odczyn roztworu jest lekko alkaliczny. W czerwcu br. w czasopiśmie Nature wielonarodowy zespół autorów opublikował bardzo ciekawy artykuł dotyczący wyników badań wykonanych przez analizator pyłu kosmicznego (Cosmic Dust Analyzer, CDA). Urządzenie to jest tak naprawdę zaawansowanym spektrometrem mas. Uzyskane rezultaty zaskoczyły naukowców. Widma mas pokazały, że ocean Enceladusa jest naprawdę solidnie zasolony, a wśród obecnych tam związków znaleziono, o dziwo, fosforany (głównie sodu). Nie znaleziono natomiast związków fosforu(III), co nie dziwi, ponieważ nie są one trwałe w roztworach alkalicznych.

Zważywszy na to, że już jakiś czas temu znaleziono tam związki azotu, można powiedzieć, że odkrycie fosforu dopełniło zestaw pierwiastków ważnych dla życia. Mamy tam bowiem węgiel, wodór, tlen, azot i fosfor. Warte podkreślenia jest to, że rozpuszczalne związki fosforu zostały po raz pierwszy wykryte w oceanie pozaziemskim. Przypomnę tylko, że fosfor wchodzi w skład bardzo ważnych związków spotykanych w organizmach żywych. Pisałem o tym jakiś czas temu. ATP, DNA, RNA, fosfolipidy… wszystkie one zawierają atomy fosforu.

Podsumujmy: mamy tam „zupkę” złożoną z wielu soli, a do tego takie związki organiczne jak proste aminy (dwumetylo- lub dwuetyloamina) oraz związki karbonylowe (kwas i aldehyd octowy). Prawdopodobnie występują tam też proste związki aromatyczne typu aniliny czy kwasu benzoesowego. Zestaw znajdowanych tam związków organicznych jest zadziwiająco zbliżony do tego, który można wykryć w znajdujących się na Ziemi kominach hydrotermalnych. Zjawiska na Ziemi są w sumie wynikiem ogrzewania skorupy ziemskiej m.in. przez rozpad pierwiastków promieniotwórczych. W przypadku Enceladusa brak takiego źródła energii. Przypuszcza się, że tam źródłem ciepła są tzw. siły pływowe. Właśnie stąd mamy na powierzchni tego księżyca tzw. tygrysie paski, ale też ciepło utrzymujące podlodowy ocean w stanie płynnym.

Działalność hydrotermalna na Enceladusie (wizja artystyczna), źródło: NASA-JPL,
licencja: domena publiczna

Z wyników tych analiz nie można w żadnym wypadku wyciągać wniosków co do istnienia jakichkolwiek pozaziemskich form życia, nawet prymitywnego, na Enceladusie.

Co dalej? NASA pracuje już nad projektem badań tego księżyca. Został on umieszczony na liście tzw. programu Flagship, który zaczął się jeszcze w latach 70. XX w., od projektu Voyager. Misja nr 9 na tej liście, wstępnie nazwana Enceladus Orbilander, jest planowana na koniec lat 30., przy czym próbnik miałby rozpocząć badania gejzerów na początku lat 50., a po półtorarocznym orbitowaniu planowane jest lądowanie na powierzchni.

Jednak od tego dzieli nas co najmniej 20 lat. Może do tego czasu Marcin Czerwiński napisze coś o krwi Enkeladosa (w końcu zrodził się z krwi Kronosa), a Piotr Gąsiorowski umieści gigantów w jakimś drzewie filogenetycznym. A tytułowe światło nawiązuje oczywiście do etymologii słowa „fosfor”, o którym pisałem tutaj.

Literatura dodatkowa

Cosmic Dust Analyzer

Związki organiczne na Enceladusie

Przegląd związków odkrytych na Enceladusie

Jak grawitacja ogrzewa wnętrze tego księżyca

Czy na Enceladusie jest życie?