Jupiters fyra största månar - alias. de galileiska månarna, bestående av Io, Europa, Ganymede och Callisto - är ingenting om inte fascinerande. Dessa inkluderar möjligheten till inre oceaner, närvaron av atmosfärer, vulkanisk aktivitet, man har en magnetosfär (Ganymede) och eventuellt har mer vatten än till och med Jorden.
Men utan tvekan är den mest fascinerande av de galileiska månarna Europa: den sjätte närmaste månen till Jupiter, den minsta av de fyra, och den sjätte största månen i solsystemet. Förutom att ha en isig yta och en möjlig varmvatteninredning, anses denna måne vara en av de mest troliga kandidaterna för att ha liv utanför jorden.
Upptäckt och namngivning:
Europa, tillsammans med Io, Ganymede och Callisto, upptäcktes av Galileo Galilei i januari 1610 med hjälp av ett teleskop av sin egen design. Vid den tiden misstog han dessa fyra lysande föremål för ”fasta stjärnor”, men pågående observationer visade att de kretsade om Jupiter på ett sätt som bara kunde förklaras av att det finns satelliter.
Liksom alla galileiska satelliter uppkallades Europa efter en älskare av Zeus, den grekiska motsvarigheten till Jupiter. Europa var en fenicisk adelskvinna och dotter till kungen i Tyrus, som senare blev en älskare av Zeus och drottningen av Kreta. Namnschemat föreslogs av Simon Marius - en tysk astronom som tros ha upptäckt de fyra satelliterna oberoende - som i sin tur tillskrev förslaget till Johannes Kepler.
Dessa namn var ursprungligen inte populära och Galileo vägrade att använda dem och valde istället namnsystemet för Jupiter I - IV - med Europa som Jupiter II eftersom det tros vara det näst närmast Jupiter. I mitten av 1900-talet återupplivades emellertid de namn som föreslogs av Marius och kom in i vanlig användning.
Upptäckten av Amalthea 1892, som är omloppsbana ligger närmare Jupiter än galileerna, drev Europa till den tredje positionen. Med Voyager sonder upptäcktes ytterligare tre inre satelliter runt Jupiter 1979. Sedan dess. Europa har erkänts som den sjätte satelliten när det gäller avstånd från Jupiter.
Storlek, massa och omloppsbana:
Med en medelradius på cirka 1560 km och en massa på 4.7998 × 1022 kg, Europa är 0,245 storleken på jorden och 0,008 gånger så massiv. Det är också något mindre än Jordens måne, vilket gör den till den sjätte största månen och femtonde största föremålet i solsystemet. Det är omloppsbana nästan cirkulär, med en excentricitet på 0,09, och ligger på ett genomsnittligt avstånd på 670 900 km från Jupiter - 664,862 km vid Periapsis (dvs när det är närmast), och 676 938 km vid Apoapsis (längst).
Liksom sina kolleger i Galileen är Europa tidigt låst för Jupiter, med en Europa halvkula ständigt vänd mot gasjätten. Men annan forskning tyder på att tidvattenlåsen kanske inte är full, eftersom en icke-synkron rotation kan vara närvarande.
I grund och botten betyder detta att Europa kan snurra snabbare än det kretsar kring Jupiter (eller gjorde det tidigare) på grund av en asymmetri i sin interna massfördelning där det steniga inre snurrar långsammare än dess isiga skorpa. Denna teori stöder uppfattningen att Europa kan ha ett flytande hav som separerar jordskorpan från kärnan.
Europa tar 3,55 jorddagar för att slutföra en enda bana runt Jupiter och är någonsin så lutande mot Jupiters ekvator (0,470 °) och till ekliptiken (1,791 °). Europa upprätthåller också en 2: 1-resonans med Io, som kretsar en gång runt Jupiter för vartannat kretslopp i det innersta galileiska. Utanför det upprätthåller Ganymede en 4: 1-resonans med Io, som kretsar en gång runt Jupiter för varje två rotationer i Europa.
Denna lilla excentricitet i Europas omloppsbana, bibehållen av gravitationella störningar från de andra galileerna, får Europas position att svänga något. När det närmar sig Jupiter ökar Jupiters gravitationsattraktion, vilket får Europa att förlänga sig mot och bort från den. När Europa flyttar sig bort från Jupiter minskar tyngdkraften, vilket får Europa att koppla av tillbaka till en mer sfärisk form och skapa tidvatten i sitt hav.
Den orbitala excentriciteten i Europa pumpas också kontinuerligt av dess orbitalresonans med Io. Således knäar tidvattenböjning Europas inre och ger den en värmekälla, vilket möjliggör att dess hav förblir flytande medan det driver geologiska processer under jord. Den ultimata källan till denna energi är Jupiters rotation, som tappas av Io genom tidvattnet den lyfter på Jupiter, och överförs till Europa och Ganymede av den orbitalresonans.
Sammansättning och ytfunktioner:
Med en medeldensitet av 3,013 ± 0,005 g / cm3, Europa är betydligt mindre tätt än någon av de andra galileiska månarna. Ändå indikerar densiteten att dess sammansättning liknar de flesta månar i det yttre solsystemet, som skiljer sig mellan en steninre bestående av silikatrock och en eventuell järnkärna.
Ovanför denna steniga inre finns ett skikt med vattenis som beräknas vara cirka 100 km (62 mi) tjockt. Detta lager är troligen differentierat mellan en frusen övre skorpa och alikvatt vatten under. Om det finns, är detta hav troligtvis ett varmt vatten, salt hav som innehåller organiska molekyler, syrgas och värms upp av Europas geologiskt aktiva kärna.
När det gäller ytan är Europa ett av de smidigaste föremålen i solsystemet, med mycket få storskaliga funktioner (dvs berg och kratrar) att tala om. Detta beror till stor del på det faktum att Europas yta är tektoniskt aktiv och ung, med endogen återytnad som leder till periodiska förnyelser. Baserat på uppskattningar av frekvensen av kometärt bombardemang antas ytan vara cirka 20 till 180 miljoner år gammal.
I mindre skala har emellertid Europas ekvator teoretiserats för att täckas av 10 meter höga isiga spikar som kallas penitentes, vilket orsakas av effekten av direkt överliggande solljus på ekvatorn som smälter vertikala sprickor. De framstående markeringarna som korsar Europa (kallas lineae) är en annan viktig funktion, som tros vara huvudsakligen albedo-funktioner.
De större banden är mer än 20 km över, ofta med mörka, diffusa ytterkanter, vanliga strippor och ett centralt band av lättare material. Den mest troliga hypotesen säger att dessa linjer kan ha producerats av en serie utbrott av varm is när Europanskorpan spridit sig öppen för att utsätta varmare lager under - liknande det som sker i jordens oceaniska åsar.
En annan möjlighet är att den isiga jordskorpan roterar något snabbare än dess inre, en effekt som är möjlig på grund av att underjordiska havet separerar Europas yta från dess steniga mantel och effekterna av Jupiters tyngdkraft på Europas yttre isskorpa. Kombinerat med fotografiska bevis som tyder på subduktion på Europas yta, kan detta betyda att Europas isiga yttre lager uppför sig som tektoniska plattor här på jorden.
Andra funktioner inkluderar cirkulär och elliptisk lenticulae (Latin för "fräknar"), som hänvisar till de många kupoler, gropar och släta eller grova texturerade mörka fläckar som genomsyrar ytan. Kuppeltopparna ser ut som bitar av de äldre slättarna runt dem, vilket tyder på att kupolerna bildades när slättarna pressades upp underifrån.
En hypotes för dessa funktioner är att de är resultatet av varm is som skjuts upp genom det yttre iskallt lagret, ungefär på samma sätt som magakammare bryter igenom jordskorpan. Smala funktioner kan bildas av smältvatten som kommer till ytan, medan grova strukturer är resultatet av små fragment av mörkare material som bärs med. En annan förklaring är att dessa funktioner sitter ovanpå stora sjöar flytande vatten som är inneslutna i jordskorpan - skiljer sig från det inre havet.
Sedan Voyager uppdrag flög förbi Europa 1979, forskare har också varit medvetna om de många biffar av rödbrunt material som täcker sprickor och andra geologiskt ungdomliga funktioner på Europas yta. Spektrografiska bevis tyder på att dessa streck och andra liknande särdrag är rika på salter (såsom magnesiumsulfat eller svavelsyrahydrat) och deponerades genom förångning av vatten som kom inifrån.
Europas isiga skorpa ger den en albedo (ljusreflektivitet) på 0,64, en av de högsta av alla månar. Strålningsnivån vid ytan motsvarar en dos på cirka 5400 mSv (540 rem) per dag, en mängd som skulle orsaka allvarlig sjukdom eller död hos människor exponerade under en enda dag. Yttemperaturen är cirka 110 K (-160 ° C; -260 ° F) vid ekvatorn och 50 K (-220 ° C; -370 ° F) vid polerna, vilket håller Europas isiga skorpa lika hård som granit.
Underjordiska havet:
Det vetenskapliga samförståndet är att ett lager flytande vatten finns under Europas yta, och att värme från tidvattenböjning tillåter havets hav att förbli flytande. Närvaron av detta hav stöds av flera bevislinjer, varav den första är modeller där intern uppvärmning orsakas av tidvattenböjning genom interaktion mellan Europa och Jupiters magnetfält och de andra månarna.
De Voyager och Galileo Uppdragen gav också indikationer på ett inre hav, eftersom båda sonderna gav bilder av så kallade "kaosterräng" -funktioner, som tros vara resultatet av att havets underjord smälter genom den iskalla skorpan. Enligt denna "tunnis-modell" kan Europas isskal bara vara några kilometer tjock, eller så tunn som 200 meter, vilket skulle innebära att regelbunden kontakt mellan vätskeinteriören och ytan kan uppstå genom öppna åsar .
Denna tolkning är emellertid kontroversiell, eftersom de flesta geologer som har studerat Europa har gynnat modellen "tjock is", där havet sällan (om någonsin) har interagerat med ytan. Det bästa beviset för denna modell är en studie av Europas stora kratrar, varav den största är omgiven av koncentriska ringar och verkar vara fylld med relativt platt, färsk is.
Baserat på detta och på den beräknade värmemängden som genereras av tidvatten från Europan beräknas det att den yttre skorpan av fast is är ungefär 10–30 km (6–19 mi) tjock, inklusive ett duktilt ”varmt is” -lager, vilket kan betyder att det flytande havet under kan vara cirka 100 km (60 mi) djup.
Detta har lett till volymberäkningar av Europas hav som är så höga som 3 × 1018 m3 - eller tre kvadrilljoner kubik kilometer; 719,7 biljoner kubik miles. Detta är drygt två gånger den sammanlagda volymen av alla jordens hav.
Ytterligare bevis på hav under jorden tillhandahölls av Galileo orbiter, som bestämde att Europa har ett svagt magnetiskt moment som induceras av den varierande delen av det joviska magnetfältet. Fältstyrkan som skapas av detta magnetiska ögonblick är ungefär en sjättedel av styrkan i Ganymedes fält och sex gånger värdet av Callistos. Förekomsten av det inducerade ögonblicket kräver ett lager av ett mycket elektriskt ledande material i Europas inre, och den mest troliga förklaringen är ett stort hav under flytande saltvatten.
Europa kan också ha periodvis förekommande vattenflöden som bryter ytan och når upp till 200 km (120 mi) höjd, vilket är mer än 20 gånger höjden på Mt. Everest. Dessa blommor visas när Europa ligger längst bort från Jupiter och ses inte när Europa är närmast till Jupiter.
Den enda andra månen i solsystemet som uppvisar liknande typer av vattenånga är Enceladus, även om den uppskattade utbrottstakten i Europa är cirka 7000 kg / s jämfört med cirka 200 kg / s för Enceladus.
Atmosfär:
1995, Galileo uppdrag avslöjade att Europa har en tunn atmosfär som huvudsakligen består av molekylärt syre (O2). Yttrycket i Europas atmosfär är 0,1 mikro Pascals, eller 10-12 gånger jordens. Förekomsten av en tunt jonosfär (ett övre-atmosfäriska skikt av laddade partiklar) bekräftades 1997 av Galileo, som tycktes skapas av solstrålning och energiska partiklar från Jupiters magnetosfär.
Till skillnad från syre i jordens atmosfär är inte Europas biologiska ursprung. Istället bildas den genom processen med radiolys, där ultraviolett strålning från den joviska magnetosfären kolliderar med den iskalla ytan och delar upp vatten i syre och väte. Samma strålning skapar också kollisionsutsläpp av dessa produkter från ytan, och balansen mellan dessa två processer bildar en atmosfär.
Observationer av ytan har avslöjat att en del av det molekylära syre som produceras genom radiolys inte kastas ut från ytan och behålls på grund av dess massa och planetens tyngdkraft. Eftersom ytan kan interagera med havets undergrund, kan detta molekylära syre ta sig till havet, där det kan hjälpa till i biologiska processer.
Vätet saknar under tiden den massa som behövs för att behållas som en del av atmosfären och det mesta går förlorat till rymden. Detta slipper väte, tillsammans med delar av atomärt och molekylärt syre som släpps ut, bildar en gastorus i närheten av Europas omloppsbana runt Jupiter.
Detta "neutrala moln" har upptäckts av båda Cassini och Galileo rymdskepp och har ett större innehåll (antal atomer och molekyler) än det neutrala molnet som omger Jupiters inre måne Io. Modeller förutspår att nästan varje atom eller molekyl i Europas torus så småningom joniseras, vilket ger en källa till Jupiters magnetosfäriska plasma.
Utforskning:
Utforskningen av Europa började med Jupiter-flybys från Pioneer 10 och 11 rymdskepp 1973 respektive 1974. De första närbilderna hade låg upplösning jämfört med senare uppdrag. De två Voyager sonder reste genom det joviska systemet 1979 och gav mer detaljerade bilder av Europas isiga yta. Dessa bilder resulterade i att många forskare spekulerade om möjligheten till ett flytande hav under.
1995 inledde rymdproben Galileo sitt åttaåriga uppdrag som skulle se den kring Jupiter och ge den mest detaljerade undersökningen av de galileiska månarna hittills. Det inkluderade Galileo Europa Mission och Galileo Millennium Mission, som utförde många nära flybys från Europa. Dessa var de sista uppdragen till Europa som utförts av någon rymdbyrå hittills.
Men antaganden om ett inre hav och möjligheten att hitta utomjordiskt liv har garanterat en hög profil för Europa och har lett till en stabil lobbyverksamhet för framtida uppdrag. Syftet med dessa uppdrag har sträckt sig från att undersöka Europas kemiska sammansättning till att leta efter utomjordiskt liv i dess hypotiserade underjordiska hav.
2011 rekommenderades ett Europa-uppdrag av U.S. Planetary Science Decadal Survey. Som svar beställde NASA studier för att undersöka möjligheten till Europa lander 2012, tillsammans med koncept för en Europa flyby, och en Europa orbiter. Alternativet för orbiterelementet koncentrerar sig på ”havsvetenskapen”, medan flerfaldiga elementet koncentrerar sig på kemi och energivetenskap.
Den 13 januari 2014 tillkännagav husanslagskommittén en ny tvåpartsförslag som innehöll finansiering till ett värde av 80 miljoner dollar för att fortsätta studierna av Europa-uppdraget. I juli 2013 presenterade NASA: s Jet Propulsion Lab och Applied Physics Laboratory ett uppdaterat koncept för ett flyby Europa-uppdrag (kallat Europa Clipper).
I maj 2015 meddelade NASA officiellt att det hade accepterat Europa Clipper uppdrag och avslöjade instrumenten den kommer att använda. Dessa skulle inkludera en isinträngande radar, kortvågig infraröd spektrometer, en topografisk avbildning och en jon- och neutralmassespektrometer.
Syftet med uppdraget kommer att vara att utforska Europa för att undersöka dess brukbarhet och välja platser för en framtida landare. Den skulle inte kretsa runt Europa, utan istället kretsa Jupiter och genomföra 45 låghöjda flygborrar av Europa under uppdraget.
Planer för ett uppdrag till Europa innehöll också detaljer om en möjlig Europa Orbiter, en robotrymdsundersökning som har som mål att karakterisera havets omfattning och dess relation till det djupare inre. Instrumentens nyttolast för detta uppdrag skulle inkludera ett radioundersystem, laserhöjdmätare, magnetometer, Langmuir-sond och en kartläggningskamera.
Planer gjordes också för en potential Europa Lander, ett robotfordon som liknar Viking, Mars Pathfinder, Anda, Möjlighet och Nyfikenhet rover som har utforskat Mars i flera decennier. Som sina föregångare, Europa Lander skulle undersöka Europas brukbarhet och utvärdera dess astrobiologiska potential genom att bekräfta existensen och bestämma egenskaperna hos vatten i och under Europas isiga skal.
År 2012, Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE) -konceptet valdes av European Space Agency (ESA) som ett planerat uppdrag. Detta uppdrag skulle innehålla några flygbys från Europa, men är mer fokuserad på Ganymede. Många andra förslag har beaktats och stängts på grund av budgetfrågor och förändrade prioriteringar (som att utforska Mars). Emellertid är den pågående efterfrågan på framtida uppdrag en indikation på hur lukrativt det astronomiska samfundet anser utforskningen av Europa vara.
Beboelighet:
Europa har framträtt som en av de främsta platserna i solsystemet när det gäller dess potential för värdliv. Livet skulle kunna existera i havets under-is, kanske förbli i en miljö som liknar jordens hydrotermiska ventiler på djuphavet.
Den 12 maj 2015 meddelade NASA att havssalt från ett hav under jord sannolikt skulle belägga vissa geologiska drag på Europa, vilket tyder på att havet interagerar med havsbotten. Detta kan vara viktigt för att fastställa om Europa kan vara bebörligt för livet, enligt forskarna, eftersom det skulle innebära att det inre havet kan vara syresatt.
Energin som tillhandahålls av tidvattenböjning driver aktiva geologiska processer inom Europas inre. Energin från tidvattenböjning kunde dock aldrig stödja ett ekosystem i Europas hav som är lika stort och mångsidigt som det fotosyntesbaserade ekosystemet på jordens yta. Istället skulle livet på Europa troligen klusteras kring hydrotermiska ventiler på havsbotten eller under havsbotten.
Alternativt kan det förekomma som klamrar fast vid den nedre ytan av Europas islager, ungefär som alger och bakterier i jordens polära regioner, eller flyter fritt i Europas hav. Men om Europas hav var för kallt, kunde biologiska processer liknande de kända på jorden inte äga rum. På samma sätt, om det var för salt, kunde bara extrema livsformer överleva i sin miljö.
Det finns också bevis som stöder förekomsten av flytande vattensjöar i Europas isiga yttre skal som skiljer sig från ett flytande hav som antas befinna sig längre ner. Om sjöarna kan bekräftas kan sjöarna vara en annan livsmiljö. Men återigen skulle detta bero på deras genomsnittliga temperaturer och deras saltinnehåll.
Det finns också bevis som antyder att väteperoxid är rikligt över Europas yta. Eftersom väteperoxid sönderfaller i syre och vatten i kombination med flytande vatten hävdar forskare att det kan vara en viktig energiförsörjning för enkla livsformer.
2013 och baserat på data från Galileo-sonden tillkännagav NASA upptäckten av ”lera-liknande mineraler” - som ofta är associerade med organiska material - på Europas yta. Närvaron av dessa mineraler kan ha varit resultatet av en kollision med en asteroid eller komet enligt, hävdar de, som till och med har kommit från jorden.
Kolonisering:
Möjligheten att människans koloniserande Europa, som också inkluderar planer för att terraformera det, har utforskats i både science fiction och som en vetenskaplig strävan. Förespråkare för att använda månen som en plats för mänsklig bosättning betonar de många fördelarna som Europa har jämfört med andra utomjordiska kroppar i solsystemet (som Mars).
Bland dessa är förekomsten av vatten. Även om det skulle vara svårt att komma åt det och kan kräva borrning till djup på flera kilometer, skulle det stora mängden vatten i Europa vara en välsignelse för kolonisterna. Förutom att tillhandahålla dricksvatten, kan Europas inre hav också användas för att tillverka andningsluft genom processen med radiolys och raketbränsle för ytterligare uppdrag.
Närvaron av detta vatten och vattenis betraktas också som en anledning till terraformering av planeten. Genom att använda kärnkraftsanordningar, kometäriska påverkningar eller andra sätt att öka yttemperaturen kan isen sublimeras och bilda en massiv atmosfär av vattenånga. Denna ånga skulle sedan genomgå radiolys på grund av exponering för Jupiters magnetfält och omvandla den till syregas (som skulle stanna nära planeten) och väte som skulle fly ut i rymden.
Emellertid innebär kolonisering och / eller terraformering av Europa också flera problem. Först och främst är den stora mängden strålning som kommer från Jupiter (540 rems), som räcker för att döda en människa inom en enda dag. Kolonier på Europas yta skulle därför behöva skyddas i stor utsträckning eller måste använda isskölden som skydd genom att gå ner under jordskorpan och leva i livsmiljöer under jord.
Sedan finns Europas låga tyngdkraft - 1,314 m / s eller 0,144 gånger jordens standard (0,144 g) - utgör också utmaningar för mänsklig bosättning. Effekterna av låg tyngdkraft är ett aktivt studierikt, som till stor del baseras på astronauternas långa stag i låg jordbana. Symtom på utökad exponering för mikrogravitet inkluderar förlust av bentäthet, muskelatrofi och ett försvagat immunsystem.
Effektiva motåtgärder för de negativa effekterna av låg vikt är väl etablerade, inklusive en aggressiv regim av daglig fysisk träning. Emellertid har denna forskning genomförts under förhållanden med tyngdkraft. Så effekterna av minskad tyngdkraft på permanenta boende, för att inte tala om utvecklingen av fostervävnad och barndomsutveckling för de kolonister som är födda i Europa, är för närvarande okända.
Det spekuleras också i att främmande organismer kan existera på Europa, eventuellt i vattnet som ligger under månens isskal. Om detta är sant kan mänskliga kolonister komma i konflikt med skadliga mikrober eller aggressiva infödda livsformer. En instabil yta kan representera ett annat problem. Med tanke på att ytisen är utsatt för regelbundna plommor och endogen återuppbyggnad, kan naturkatastrofer vara en vanlig förekomst.
1997 meddelade Artemis-projektet - ett privat rymdföretag som stöder etablering av en permanent närvaro på månen - också planer på att kolonisera Europa. Enligt denna plan skulle utforskare först upprätta en liten bas på ytan och sedan borra ner i Europan-skorpan för att skapa en underjordisk koloni skyddad från strålning. Hittills har detta företag inte mött någon framgång i någon av dessa företag.
2013 samlades ett team av arkitekter, designers, tidigare NASA-specialister och kändisar (som Jacques Cousteau) för att bilda Objekt Europa. Liknande i konceptet som Mars One hoppas denna publik att rekrytera den nödvändiga expertisen att samla in pengarna som behövs för att upprätta ett envägsuppdrag till den joviska månen och etablera en koloni.
Mål Europa inledde fas I av sin satsning - den "teoretiska forsknings- och konceptfasen" - i september 2013. Om och när denna fas är färdig kommer de att påbörja de efterföljande faserna - som kräver detaljerad uppdragsplanering, förberedelse och val av besättning, och själva uppdragets start och ankomst. Deras avsikt är att genomföra allt detta och landa ett uppdrag på Europa mellan 2045 och 2065.
Oavsett om människor någonsin skulle kunna kalla Europa hem eller inte, är det uppenbart för oss att det händer mer där än utåtstående antyder. Under de kommande decennierna kommer vi sannolikt att skicka många sonder, banor och landare till planeten i hopp om att lära sig vilka mysterier det har.
Och om den nuvarande budgetmiljön inte håller på med rymdbyråer är det inte osannolikt att privata företag kommer att komma in för att få sina första. Med tur kan vi kanske bara upptäcka att jorden inte är den enda kroppen i vårt solsystem som kan stödja livet - kanske till och med i komplex form!
Vi har haft många berättelser om Europa på Space Magazine, inklusive en berättelse om en möjlig ubåt som kan användas för att utforska Europa, och en artikel som diskuterar om Europas hav är tjockt eller tunt.
Det finns också artiklarna om Jupiters månar och de galileiska månarna.
För mer information har NASAs Galileo-projekt bra information och bilder om Europa.
Vi har också spelat in en hel show bara på Jupiter för Astronomy Cast. Lyssna på det här, avsnitt 56: Jupiter och avsnitt 57: Jupiters månar.
