Europan hiilidioksidijää ja sen alkuperä
Vajaa vuosi sitten, 23.11.2022, Yhdysvaltain itärannikolta Baltimoresta, James Webb -avaruusteleskoopin ohjaushuoneen eturivistä, lähetettiin NASAn Deep Space Networkin kautta käsky kääntää puolentoista miljoonan kilometrin päässä sijaitseva kymmenen miljardin dollarin kaukoputki kohti Europaa. Webbin infrapunakamera ja -spektrometri havaitsivat tuota Jupiterin neljänneksi suurinta kuuta vain muutaman minuutin. Se kuitenkin kannatti. Lyhyen havaintorupeaman kiehtovat tulokset julkaistiin reilu kuukausi sitten eli 22.9.2023 ilmestyneessä Science-lehdessä.
Europan kuoren ja meren yleispiirteet
Europa on hieman omaa Kuutamme pienempi jääpallo. Sen pinta on geologisessa mielessä hyvin nuori. Siksi Europalla täytyy olla sisäsyntyisiä geologisia prosesseja, jotka uudistavat sen pintaa. Energiaa näihin riittää, sillä Jupiter vatkaa jättimäisillä vuorovesivoimillaan jatkuvasti Europaa, samoin kuin sen lähinaapureita Ioa ja Ganymedestä.
Europaa peittää lähinnä vesijäästä koostuva ja erilaisten tektonisten rakenteiden hallitsema kuori. Sen paksuudesta ei kenelläkään ole tietoa, ja paksuusarviot vaihtelevat villisti riippuen tutkijasta ja hänen edustamastaan tutkimusalasta. Vuosien saatossa esitetyt minimiarviot tarjoavat paksuudeksi vain satakunta metriä, maksimiarvioiden ollessa useita kymmeniä tai jopa lähes sata kilometriä. Kirjoittelin kuitenkin Europan jääkuoresta ja sitä muokkaavasta tektoniikasta ja harvoista törmäyskraattereista hieman enemmän viime vuodenvaihteen molemmin puolin, joten ei siitä tällä kertaa sen enempää.
Europan jääkuoren alla on meri. Sen syvyys on arvoitus, mutta suht helposti muistettava arvio on 100 ± 50 km. Maapallon merien tapaan myös Europan merivesi on suolaista. Tämä on voitu päätellä esimerkiksi tekemällä magneettisia mittauksia. Yksi sähkömagnetismin käteviä ominaisuuksia nimittäin on, että magneettikenttä synnyttää siihen nähden liikkuvaan sähköä johtavaan aineeseen sähkökentän. Kun puolestaan sähkökenttä liikkuu, syntyy magneettikenttä. Jupiterilla on erittäin ärhäkkä magneettikenttä, jonka läpi Europa radallaan kiertää. Magneettiset mittaukset osoittavat, että Europan kohdalla havaitaan Jupiterin vahvan kentän vuoksi myös huomattavasti heikompi Europan kenttä. Yksinkertaisin selitys havainnoille on, että Jupiterin magneettikenttä synnyttää Europan sähköä johtavaan mereen sähkökentän, joka puolestaan aikaansaa Europan magneettikentän.
Meren suolaisuudesta on kuitenkin olemassa suorempiakin havaintoja, jotka myös paljastavat, millaisesta suolasta oikein on kyse, vaihtoehtoja kun on lukuisia. Nelisen vuotta sitten Samantha Trumbo kollegoineen julkaisi Hubble-avaruusteleskoopilla tehtyihin spektroskooppisiin mittauksiin perustuneen artikkelin. Siinä osoitettiin, että Europan pinnalla esiintyy aivan tavallista ruoka- eli vuori- eli merisuolaa. Ruokasuolaa löytyi Europan pinnalta etenkin vajaan parintuhannen kilometrin läpimittaiselta Tara Regiolta, sekä vähäisemmässä määrin Powys Regiolta. Europan suolaisuus on myös ihan silminnähtävää, sillä se värjää esiintymisalueensa hieman kellertäviksi.
Erityisen oleellista suolalöydöissä on, että molemmilla suolaseuduilla, mutta etenkin Tara Regiolla on runsaasti niin sanottuja kaaosalueita. Kaaosalueiden syntyä ei täysin ymmärretä. Vallankin viime vuosituhannella jonkin verran kannatusta sai idea, jonka mukaan ne edustavat paikkoja, joissa Europan pintaan törmännyt kappale on puhkaissut jääkuoren. Törmäysmallin mukaan jäljelle jäänyt avanto kelluvine jäälohkareineen olisi jäätynyt uudelleen umpeen synnyttäen havaitun kaoottisen ja muhkuraisen alueen. Nykyisin törmäysmallia paljon suositumpia ovat kuitenkin ideat, joiden mukaan kaaosalueet on synnyttänyt jokin sisäinen mekanismi. Alempaa kuoresta on voinut kohota pinnalle lämpimämpää jäätä, tai paikalle on syystä tai toisesta muodostunut europalainen versio uveavannosta.
Oli kaaosalueiden syntymekanismi mikä hyvänsä, ne ovat geologisesti nuoria ja niillä on todennäköisesti ainakin jonkinlainen yhteys alla olevaan mereen. Siksi Trumbon ryhmän suolalöydös olikin niin kiinnostava: kun kaaosalueilla esiintyy ruokasuolaa, sitä on melkoisella varmuudella myös meressä. Havainto tarkensi käsityksiä Europan meren koostumuksesta, sillä aiemmin vallalla oli näkemys, jonka mukaan vedessä olisi ruokasuolan sijasta liuenneena pääasiassa sulfaatteja, siis rikkiyhdisteitä.
Hiilidioksidijään jakauma
Samantha Trumbo ei ole unhoittanut Europan spektroskooppista tutkimusta. Ainoastaan kuukausi vuoden takaisten Webb-teleskoopilla tehtyjen havaintojen jälkeen hän lähetti Science-lehteen yhdessä kääpiöplaneetta Eriksen löytäjänä ja Pluton tappajanakin tunnetun Michael E. Brownin kanssa kirjoittamansa artikkelin The distribution of CO2 on Europa indicates an internal source of carbon. Samalla erittäin nopealla aikataululla Sciencelle lähti myös Geronimo Villanuevan johtaman työryhmän aivan samoihin Webbin havaintoihin perustuva artikkeli Endogenous CO2 ice mixture on the surface of Europa and no detection of plume activity. Kummankin artikkelin pääjohtopäätös on sama: Europan pinnalla on hiilidioksidijäätä, jonka esiintyminen keskittyy Tara Region alueelle. Vähäisemmässä määrin sitä on myös Powys Regiolla. Alueet ovat siis samat, joilta oli aiemmin löydetty ruokasuolaa.
Hiilidioksidijäässä tai hiiliyhdisteissä ei sinänsä ole mitään erityisen ihmeellistä. Niitä esiintyy monin paikoin aurinkokunnassamme. Oleellista oli, että Trumbon ja Villanuevan johtamissa tutkimuksissa pystyttiin osoittamaan, ettei Europan hiilidioksidijää ole peräisin esimerkiksi Europan pintaan törmänneistä hiilipitoisista asteroideista, eikä se ole syntynyt myöskään säteilyn muokatessa hiiltä sisältäviä planeettainvälisiä pölyhiukkasia. Europan pinnalla nähtävä hiilidioksidijää on siis sisäsyntyistä. Hiilidioksidijää ei kuitenkaan ole pysyvää Europan pinnan olosuhteissa, joten sen täytyy esiintyä johonkin toiseen, pinnan oloja paremmin kestävään aineeseen sekoittuneena.
Suojaavasta, toistaiseksi tuntemattomasta aineesta huolimatta tutkijat olettavat, että jatkuvan hiukkaspommituksen vuoksi hiilidioksijäätä irtoaa pinnasta koko ajan. Näin ollen sitä täytyy tulla koko ajan lisää tai vähintään sen on täytynyt purkautua pinnalle geologisessa mielessä melko äskettäin. Tämä sopii hyvin yhteen kaaosalueiden havaitun nuorekkuuden kanssa. Hiilidioksidijään keskittyminen lämpimästä ja pinnalle tai ainakin sen läheisyyteen purkautuneesta vedestä kielivien kaaosalueiden yhteyteen on siis hyvin vahva viite sen puolesta, että hiilidioksidia on Europan meressä ja että meri on ainakin vielä viime aikoina ollut yhteydessä Europan pintaan.
Häilyvät geysirit
Yksi kiinnostavimmista Europan geologiaa viimeisen vuosikymmenen aikana käsitelleistä tieteellisistä väittelyistä on koskenut sen mahdollisia geysirejä. Muilla jäisillä kappaleilla geysirejä tunnetaan, sillä Neptunuksen Triton-kuun geysireistä suihkuaa typpeä. Saturnuksen kuu Enceladus taas syöksee vähän väliä tiikerinraidoistaan vettä ympäröivään avaruuteen. Myös kääpiöplaneetta Ceres saattaa, omituista kyllä, hönkiä vettä avaruuteen jonkinlaisina geysirejä muistuttavina purkauksina. Useissa Hubble-avaruusteleskoopin havainnoissa on oltu näkevinään myös Europan sylkevän toistuvasti vettä samalta, Galileo-luotaimen lämpimäksi toteamalta alueelta. Nämä havainnot ovat kuitenkin saaneet innostuksen lisäksi osakseen rapsakkaa kritiikkiäkin, sillä ne olivat aivan Hubblen erotuskyvyn kynnyksellä.
Villanuevan ryhmän artikkelissa paneuduttiin hiilidioksidijään esiintymisen lisäksi myös Webbin havaintoihin, joilla yritettiin saada parempi selko Europan mahdollisten geysirien esiintymisestä. Webbin datasta etsittiin veden lisäksi merkkejä metaanista, etaanista, metanolista ja hiilimonoksidista. Valitettavasti mitään näistä ei kuitenkaan löydetty.
Vaikkei geysirejä havaittukaan, ei sitä voida pitää kuoliniskuna Europan tämänhetkiselle geologiselle aktiivisuudelle. Negatiiviset tulokset osoittavat vain sen, että mikäli geysirejä nykyisin Europalla on, niiden täytyy olla paikallisia, heikkoja ja kohtalaisen harvinaisia, tai että ne eivät tuota Webbin etsimiä yhdisteitä. Varmaa on, että niiden muutaman minuutin aikana, kun Webb vuosi sitten Europaa havaitsi, sen läntisellä pallonpuoliskolla ei ollut käynnissä sellaista geologista aktiivisuutta, joka olisi nostanut avaruuteen merkittäviä määriä vettä. Vaikuttaakin vahvasti siltä, että lopullisen selvyyden saamiseksi Europan mahdollisista geysireistä on odotettava 2030-lukua ja NASAn Europa Clipper -luotaimen havaintoja paikan päältä.
Uudet tulokset ovat geysirien puutteesta huolimatta erittäin kiinnostavia. Ensinnäkin ne osoittavat, että Webb pystyy tekemään merkittäviä havaintoja myös Jupiterin kuista. Toisekseen havainnot hiilidioksidijäästä, jonka alkuperä mitä suurimmalla todennäköisyydellä on meri, ovat Europan geokemiallisen kehityksen ymmärtämisen kannalta tärkeitä.
Sitten on tietenkin asian astrobiologinen aspekti. Hiili on tuntemamme kaltaisen elämän kannalta aivan keskeinen alkuaine. Villanuevan ryhmän artikkelissakin todettiin, ettei nykyisillä havainnoilla pystytä erottelemaan eloperäisiä hiiliyhdisteitä täysin ilman elämää syntyvistä hiiliyhdisteistä. Muutaman vuoden takainen ruokasuolahavainto ja nyt löytynyt hiilidioksidijää kuitenkin tekevät Europan valtamerestä koostumukseltaan yhä enemmän maapallon merivettä muistuttavaa. Meillä meret ovat olleet tulvillaan elämää viimeiset kolme tai jopa reilut neljä miljardia vuotta. Olisiko tuona aikana myös Europan suolaisessa ja hiilipitoisessa vedessä onnistuttu ratkaisemaan elämän mysteeri?
Käsittääkseni nestemäinen hiilidioksidi on vettä tiheämpää, ja vesi ei liukene siihen juurikaan. Olisikohan siellä siis hiilidioksidimeren päällä vesikerros ja sen päällä vesijää. Vai onko kysymys niin pienestä määrästä hiilidioksidia että se voi olla liuenneena veteen. Vai onko siellä kenties nesetemäistä vettä ollenkaan, vaan vain vesijäätä joka kelluu hiilidioksidimeren päällä. Paljon mahdollisuuksia, mutta voisikohan näistä joitakin karsia pois.
Näppituntumalta sanoisin, että hiilidioksidimeri on mahdottomuus. Se tuottaisi niin isoja geokemiallisia ongelmia, että en millään jaksa uskoa sellaiseen. Sciencen jutuissa ei otettu kantaa meren hiilidioksidipitoisuuteen, mutta ihan varmasti niin geokemistit kuin astrobiologitkin (mielellään yhdessä) ovat jo artikkeleja aiheesta kirjoittamassa. Loogiselta tuntuisi, että Europan meren hiilidioksidipitoisuus olisi suuruusluokaltaan samassa sarjassa kuin maapallon valtamerissä. Itselläni ei tosin ole haisuakaan, miten esimerkiksi hiilidioksidin liukoisuus veteen käyttäytyy, jos Europan meri on vaikkapa sen 150 km syvä. Toki alhainen painovoima kompensoi, mutta paine vastannee silti noin kahden Mariaanien haudan syvyyttä. No, joka tapauksessa oma veikkaukseni on, että aika ”normaali” se meren koostumus on. Kun kymmenen vuotta jaksetaan odotella, on Europa Clipperin myötä tuosta sisärakenteestakin luultavasti merkittävästi nykyistä tarkempi käsitys.