Queste lune sono buie e ghiacciate. Allora come possono avere oceani?

Le lune che orbitano attorno a Giove e Saturno sembrano avere oceani sotterranei, allettanti per la ricerca di vita oltre la Terra. Ma non è chiaro il motivo per cui questi mari esistano e le ipotesi, che includono l’esistenza delle maree, radioattività, chimica ed età particolarmente giovane, devono essere vagliate dalle missioni in corso e previste nei prossimi anni
di Robin George Andrews/Quanta Magazine
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Per la maggior parte dell’esistenza dell’umanità, la Terra è stata l’unico mondo conosciuto avvolto dall’oceano, apparentemente diverso da qualsiasi altra isola cosmica.

Ma nel 1979, le due sonde Voyager della NASA hanno sorvolato Giove. La sua luna Europa, un regno ghiacciato, era decorata da scanalature e fratture, indizi che potevano indicare la presenza di qualcosa di dinamico sotto la sua superficie.

“Dopo il Voyager, si sospettava che Europa fosse strana e che potesse avere un oceano”, ha dichiarato Francis Nimmo, planetologo dell’Università della California a Santa Cruz.

Poi, nel 1996, la sonda Galileo della NASA è passata vicino a Europa e ha rilevato uno strano campo magnetico proveniente dall’interno. “Non capivamo cosa fosse”, ha dichiarato Margaret Kivelson, fisica spaziale all’Università della California a Los Angeles, responsabile del magnetometro della sonda. Alla fine, lei e il suo gruppo si sono resi conto che un fluido elettricamente conduttivo – qualcosa all’interno della luna – si agitava in risposta all’immenso campo magnetico di Giove. “L’unica cosa che aveva senso – ha detto Kivelson – era che ci fosse un guscio di liquido fuso sotto la superficie del ghiaccio.”

Nel 2004, la sonda Cassini della NASA è arrivata su Saturno. Quando ha osservato la piccola luna di Saturno Encelado, ha trovato scintillanti pennacchi ghiacciati che eruttavano da vaste voragini al Polo Sud della luna. Quando Cassini ha sorvolato queste emissioni, l’evidenza è stata inequivocabile: si trattava di un oceano salato che si stava espandendo vigorosamente nello spazio.

Ora gli oceani della Terra non sono più unici. Sono solo strani. Esistono sulla superficie illuminata dal Sole del nostro pianeta, mentre i mari del sistema solare esterno sono nascosti sotto il ghiaccio e immersi nell’oscurità. E questi oceani liquidi sotterranei sembrano essere la regola del nostro sistema solare, non l’eccezione. Oltre a Europa ed Encelado, quasi certamente esistono anche altre lune con oceani ricoperti di ghiaccio. Una flotta di veicoli spaziali le esplorerà in dettaglio nel prossimo decennio.

Tutto ciò solleva un apparente paradosso. Queste lune esistono da miliardi di anni nella zona gelida del nostro sistema solare, abbastanza a lungo perché il calore residuo della loro creazione sia sfuggito nello spazio eoni fa. Eventuali mari sotterranei dovrebbero essere ormai ghiaccio solido. Come possono dunque queste lune, che orbitano così lontano dal calore del Sole, avere oceani ancora oggi?

Le prove sempre più evidenti indicano che potrebbero esistere diversi modi per sostenere gli oceani di acqua liquida per miliardi di anni. La decodifica di queste ricette potrebbe accelerare la nostra ricerca per determinare quanto sia facile o difficile per la vita emergere nel cosmo. I dati da vecchie navicelle spaziali analizzati di recente, oltre alle recenti osservazioni della sonda Juno della NASA e del telescopio spaziale James Webb, si aggiungono alle prove sempre più evidenti che questi oceani caldi contengono sostanze chimiche utili alla biologia e che il sistema solare interno non è l’unico posto che la vita potrebbe potenzialmente chiamare casa.

Queste lune oceaniche offrono anche un’altra possibilità. Oceani temperati e potenzialmente vivibili potrebbero essere una conseguenza inevitabile della formazione dei pianeti. Potrebbe non essere importante quanto un pianeta e le sue lune siano lontani dal fuoco nucleare della loro stella. E se questo è vero, il numero di paesaggi che potremmo esplorare nella nostra ricerca di vita oltre la Terra è quasi illimitato.

“Gli oceani sotto le lune ghiacciate sembrano strani e improbabili”, ha dichiarato Steven Vance, astrobiologo e geofisico presso al Jet Propulsion Laboratory della NASA.

Eppure, questi mari alieni rimangono liquidi.

Un oceano avvolto da specchi
Gli scienziati sospettano che una manciata di lune in orbita attorno a Giove e Saturno – e forse anche alcune che ruotano attorno a Urano e Nettuno – ospitino oceani. Il massiccio Ganimede e Callisto, scalfita da crateri, producono deboli segnali magnetici simili a quelli di Europa. Anche Titano, coperto di foschia, ha molto probabilmente un oceano sotterraneo di acqua liquida. Queste “sono le cinque su cui la maggior parte degli scienziati della comunità si sente abbastanza sicura”, ha dichiarato Mike Sori, planetologo alla Purdue University.

Finora, l’unica certezza oceanica assoluta è Encelado. “È una certezza assoluta”, ha dichiarato Carly Howett, planetologa dell’Università di Oxford.

Negli anni ottanta, alcuni scienziati sospettavano che Encelado avesse dei pennacchi; l’anello E di Saturno era così pulito e brillante che qualcosa – forse da una delle sue lune – doveva fuoriuscire nello spazio e rinfrescarlo costantemente. Dopo che Cassini ha finalmente assistito a questa magia di pulizia del pianeta in azione, gli scienziati si sono chiesti se i pennacchi sud-polari della luna potessero essere opera della luce solare che vaporizzava il ghiaccio nel guscio della luna, un po’ come il ghiaccio secco che bolle quando viene riscaldato, magari dalla luce solare.

“Per un po’ si è discusso se fosse necessario che ci fosse un oceano”, ha detto Nimmo. “Ciò che ha davvero convinto è stato quando [Cassini] ha volato attraverso il pennacchio e ha trovato del sale, cloruro di sodio. Questo è un oceano”. C’era ancora la possibilità che questi pennacchi potessero eruttare da un mare più piccolo e isolato. Ma ulteriori osservazioni di Cassini hanno rivelato che il guscio di Encelado oscilla talmente tanto avanti e indietro che deve essere separato dall’interno più profondo della luna da un oceano globale.

I pennacchi emettono anche idrogeno e quarzo, segni di un’attività di sfogo idrotermale in profondità, ha dichiarato Frank Postberg, planetologo alla Freie Universität di Berlino. Sulla Terra, tali sfiatatoi producono il calore e la chimica necessari per alimentare ecosistemi che esistono al di fuori della portata della luce solare – comunità di organismi che un tempo gli scienziati pensavano non potessero esistere nel nostro mondo dipendente dalla fotosintesi.

Ma cosa potrebbe alimentare un sistema di ventilazione così forte da riscaldare un intero oceano? Un’altra luna, questa di tipo infuocato, potrebbe fornire degli indizi.

Maree eterne e infernali
Nel giugno 1979, un mese prima del sorvolo ravvicinato di Europa da parte del Voyager 2, gli scienziati annunciarono che il Voyager 1 aveva intravisto dei titanici pennacchi a forma di ombrello che si espandevano nello spazio sopra Io: le impronte eruttive di diversi vulcani.

Questa osservazione avrebbe dovuto lasciare perplessi: il vulcanismo richiede una fonte di calore interna e Io, come le altre lune ghiacciate, non avrebbe dovuto essere altro che brace. Ma pochi mesi prima, un gruppo di scienziati indipendenti aveva correttamente previsto che Io potesse essere un mondo vulcanico iperattivo.

La previsione si basava sulla danza orbitale delle lune più grandi di Giove. Per ogni quattro orbite che Io compie, Europa ne compie due e Ganimede una. Questa configurazione orbitale, nota come risonanza, fa oscillare Io avanti e indietro, rendendo la sua orbita ellittica. Quando Io è più vicino a Giove, la gravità del pianeta lo strattona più intensamente. Quando è più lontano, lo strattone di Giove è più debole. Questo incessante braccio di ferro gravitazionale fa sì che la superficie rocciosa di Io si muova su e giù di 100 metri, la stessa altezza di un edificio di 30 piani. Si tratta di maree, come quelle della Terra, ma nella roccia solida, non nell’acqua.

Queste maree creano un attrito all’interno della luna che genera calore. Il riscaldamento dovuto alle maree è abbastanza forte da fondere la roccia nelle profondità di Io. “Io non ha un oceano d’acqua, ma probabilmente ha un oceano di magma”, ha detto Nimmo. (Galileo ha rilevato un campo magnetico secondario anche lì, generato da un serbatoio sotterraneo globale di roccia fusa.)

Anche Europa subisce un certo riscaldamento dovuto alle maree. Ma la misura in cui queste maree riscaldano un oceano dipende da dove si verificano all’interno della luna; in altre parole, il calore deve arrivare all’oceano in quantità sufficiente a mantenerlo liquido. “Il riscaldamento dovuto alle maree potrebbe avvenire nel guscio di ghiaccio stesso, oppure nel nucleo roccioso sottostante”, ha detto Nimmo. Gli scienziati non sanno quale delle due ipotesi sia corretta, quindi non possono dire con certezza quanto il riscaldamento mareale contribuisca all’interno liquido di Europa.

Anche Encelado è stirato e compresso dal tango gravitazionale con una luna vicina, Dione. In teoria questo potrebbe produrre maree che riscaldano l’interno della luna. Ma le maree create dalla risonanza con Dione, almeno sulla carta, non sembrano sufficienti a spiegare il suo oceano. I numeri non funzionano ancora, ha detto Sori, e la quantità di calore prodotta non è sufficiente a mantenere un oceano globale per i miliardi di anni trascorsi dalla nascita del sistema solare. Forse, come nel caso di Europa, gli scienziati non sanno bene dove le maree creino calore all’interno di Encelado.

Un altro fattore di confusione è che le orbite non sono fisse nel tempo astronomico. Quando i sistemi planetari si evolvono, le lune migrano e “il riscaldamento mareale può attivarsi e disattivarsi quando le cose entrano ed escono da risonanze diverse”, ha detto David Rothery, scienziato planetario della Open University, nel Regno Unito. Gli scienziati sospettano che ciò sia accaduto con Miranda e Ariel, due satelliti uraniani che potrebbero essere ex compagni di ballo; queste lune sembrano essere state un tempo geologicamente attive, ma ora sono probabilmente congelate nel loro nucleo.

In modo simile, Encelado potrebbe non aver sempre avuto Dione come compagno di ballo: forse il loro giro di Saturno è iniziato più di recente e ha riscaldato una luna precedentemente solida. Ma anche questo scenario è difficile da spiegare. “È più facile mantenere un oceano e conservarlo, piuttosto che congelarlo e rifonderlo”, ha detto Sori. Quindi, se il riscaldamento mareale è l’unico responsabile dell’oceano di Encelado, la luna è una ballerina veterana che ha ballato per diversi miliardi di anni.

Per ora, l’unica certezza sull’oceano di questa luna è che esiste. Come sia nato e come sia ancora in circolazione oggi “è una delle grandi domande irrisolte”, ha detto Sori. “Encelado è difficile da capire.”

Rinnegati radioattivi
Fortunatamente, i caldi interni lunari non dipendono esclusivamente dalle maree.

Metà del calore interno della Terra proviene dalla sua nascita. Il resto proviene dal decadimento di elementi radioattivi. Allo stesso modo, le profondità rocciose delle lune ghiacciate dovrebbero contenere una discreta quantità di uranio, torio e potassio, riserve radioattive che possono cuocere l’ambiente circostante per centinaia di milioni, se non miliardi, di anni prima di decadere in elementi stabili e smettere di rilasciare calore.

Le lune più grandi avranno iniziato con riserve più abbondanti di materia radioattiva. E forse i loro oceani non hanno bisogno di altro. “Per le lune più grandi, come Ganimede, Callisto e Titano, è inevitabile che si formino a causa di questo fattore radiogeno”, ha detto Vance. Alcuni scienziati sostengono addirittura che Plutone abbia un oceano sotterraneo. Come le tre lune, questo pianeta nano è probabilmente isolato da una crosta sufficientemente spessa che rallenta la fuoriuscita della sua fornace radioattiva nello spazio.

Tuttavia, i cuori relativamente piccoli di lune lillipuziane come Encelado non contengono abbastanza materia radioattiva per mantenerle caldi per miliardi di anni. Una soluzione insoddisfacente a questo enigma è che forse Encelado è stato solo fortunata: la radioattività potrebbe spiegare una prima parte del suo passato oceanico e la sua danza con Dione un episodio più recente. Forse “siamo ora al punto di incrocio, in cui il [riscaldamento]radiogeno diventa così basso che il riscaldamento mareale prende il sopravvento”, ha detto Postberg.

Se così fosse, forse Encelado è un microcosmo dell’universo: una combinazione serendipica di riscaldamento mareale e radioattività. Ciò significherebbe che le lune oceaniche potrebbero esistere ovunque o, al contrario, quasi da nessuna parte.

Oceani giovani
In alternativa, e in modo controverso, alcuni scienziati sostengono che Encelado potrebbe essere straordinariamente giovane.

Tra i dati raccolti dalla sonda Cassini si nascondono indizi che indicano che Saturno non è nato con i suoi iconici anelli. Al contrario, molti scienziati sono ora convinti che gli anelli si siano formati solo poche centinaia di milioni di anni fa. Una nuova ricerca che usa supercomputer per simulare la violenza tra lune suggerisce che gli anelli di Saturno si siano formati quando due antiche lune si sono scontrate all’epoca in cui gli stegosauri popolavano la Terra. Questo scontro ha disseminato l’orbita di Saturno di legioni di frammenti di ghiaccio; mentre molti hanno formato gli anelli, altri hanno distrutto le lune esistenti e ne hanno create di nuove. E se gli anelli sono giovani, anche Encelado e una manciata di altre lune potrebbero esserlo.

“Sembra che si stia diventando più aperti a considerare che le lune siano giovani”, ha detto Jacob Kegerreis, ricercatore all’Ames Research Center della NASA a Mountain View, in California, e coautore del recente studio sulla formazione degli anelli.

A sostegno di questa idea, è emerso che gli scienziati non sanno quanto siano vecchie alcune lune di Saturno. “Encelado potrebbe avere solo poche centinaia di milioni o decine di milioni di anni”, ha detto Rothery. Se così fosse, il calore della sua nascita frenetica potrebbe ancora mantenere liquido il suo giovane oceano.”

Ma la storia delle lune giovani è tutt’altro che certa: l’enorme numero di crateri che molte di esse mostrano suggerisce che le lune abbiano vissuto il pandemonio del sistema solare per molti eoni. “Penso che nel sistema di Saturno sia successo qualcosa di strano qualche centinaio di milioni di anni fa”, ha detto Nimmo. “Ma la mia ipotesi è che tutti i satelliti abbiano 4,5 miliardi di anni.”

Gli indovini dei satelliti
Con le missioni Galileo e Cassini morte da tempo, gli scienziati e le scienziate ripongono ora le loro speranze in due veicoli spaziali: Jupiter Icy Moons Explorer dell’Agenzia spaziale europea, che è stato lanciato di recente, e Europa Clipper della NASA, che non è stato lanciato. Entrambe arriveranno su Giove all’inizio del prossimo decennio.

E questo ci riporta a Europa, la luna che per prima ha costretto a rivedere il contesto cosmico in cui si trovano i mari della Terra.

Uno degli obiettivi della sonda Clipper – che dovrebbe partire nell’ottobre 2024 – è (secondo le parole della lista degli obiettivi della missione) “confermare” l’esistenza dell’oceano di Europa. “Ci sono state molte discussioni su questa parola”, ha detto Nimmo. Clipper potrebbe trovare qualcosa di diverso da un oceano; potrebbe invece esserci un mare ghiacciato pieno di sacche di acqua di fusione. Oppure “potrebbe essere un sottile strato d’oro”, ha scherzato Nimmo. “Penso che sia certo al 99 per cento che lì ci sia un oceano”

Supponendo che Clipper confermi l’esistenza dell’oceano di Europa, si metterà al lavoro per caratterizzare la luna e il suo mare sotterraneo. Per farlo, la sonda inizierà a capire quali molecole si trovano sulla superficie della luna e, se gli scienziati sono fortunati, nell’oceano sottostante. Mentre vola vicino alla Luna, Clipper ingerirà ogni microscopica polvere, ghiaccio o vapore acqueo che si alza dalla superficie lunare. Queste particelle saranno studiate dal suo strumento di analisi della polvere di superficie: quando i granelli colpiscono la sua piastra metallica, vengono vaporizzati e caricati elettricamente, permettendo allo strumento di svelare l’identità chimica del granello.

La speranza è che i pennacchi stiano delicatamente sfogando l’oceano di Europa nello spazio, il che renderebbe la ricerca di Clipper molto più facile. Tali fuoriuscite potrebbero esistere, ma non saranno come quelle di Encelado; potrebbero essere più intermittenti e geograficamente sporadiche. Oppure potrebbero non essere affatto presenti: in questo caso, la speranza è che gli impatti di micrometeoriti possano intaccare il guscio ghiacciato, liberando frammenti di oceano, spruzzandoli verso Clipper.

E si potrebbe scoprire che, quando si tratta di stare al caldo, Europa e le altre lune si affidano a trucchi chimici che non sono così alieni come ci si potrebbe aspettare. In inverno, “spargiamo sale sulle strade per abbassare la temperatura di fusione”, ha detto Sori. Forse l’oceano di Europa è particolarmente salato, il che abbasserebbe il punto di congelamento. Altri composti, però, sarebbero più efficaci come antigelo: “l’ammoniaca, in particolare”, ha detto Sori, che è più abbondante lontano dal bagliore vaporizzante del Sole.

Maree, radioattività, chimica e gioventù: questi ingredienti, se mescolati nel modo giusto, possono produrre  – e sostenere – gli oceani su queste lune ghiacciate. “Con tutte queste cose, non credo che sia una cosa o l’altra”, ha detto Howett. La ricetta specifica per ogni satellite potrebbe essere diversa. Potrebbero esserci centinaia di modi per creare una luna ghiacciata piena di oceani.

La scoperta dell’oceano segreto di Europa “ha davvero cambiato il modo di pensare alle lune”, ha concluso Kivelson. E ha messo la scienza sulla strada per determinare se forme di vita aliene potrebbero popolare questi mari alieni, e forse porterà a una scoperta che modificherà per sempre la nostra concezione del nostro posto nell’universo.