# Плюмы на Европе: как ученые нашли воду на спутнике Юпитера

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=_-a_QdkAlr8
Канал: Event Horizon
Опубликовано: 28.11.2019

---

Спутник Юпитера Европа давно интригует ученых возможностью существования глубокого подледного океана, потенциально пригодного для зарождения жизни. В рамках научно-популярного проекта Event Horizon планетолог Лукас Паганини подробно рассказал о прорывном открытии — прямом обнаружении водяного пара в разреженной атмосфере этого ледяного мира. Наземные наблюдения, проведенные с помощью высокоточной инфракрасной спектроскопии, открывают новую главу в исследовании ледяных лун гигантов и поиске внеземных гидротермальных систем.

## 🌌 Прямое обнаружение водяного пара на Европе
[[JUMP:02:07]]

Исследовательский проект, нацеленный на поиск молекулярной активности в верхних слоях атмосфер ледяных тел, стартовал в 2015 году. Команда ученых под руководством Лукаса Паганини применила метод инфракрасной спектроскопии высокого разрешения, который ранее успешно использовался для изучения химического состава комет. Для реализации этой программы астрономам было выделено в общей сложности 29 наблюдательных ночей в обсерватории Кек (Keck Observatory), расположенной на Гавайях.

Из-за неблагоприятных погодных условий три ночи наблюдений были полностью потеряны. В оставшиеся 17 ночей небо оставалось чистым, что позволило собрать массив качественных данных. Результаты распределились следующим образом:

* В течение 16 ночей ученые фиксировали лишь так называемые верхние пределы чувствительности — водяной пар обнаружить не удавалось, но были четко очерчены границы погрешности приборов.
* Лишь в одну конкретную ночь из 17 приборы зафиксировали мощный и неоспоримый сигнал, подтверждающий присутствие молекул воды в атмосфере Европы.

## 🔍 Плюмы или радиация Юпитера: природа явления
[[JUMP:04:44]]

Столь редкая фиксация водяного пара (всего один раз за всю наблюдательную кампанию) ставит перед планетологами важные вопросы о механизмах его выделения. Как объясняет Лукас Паганини, это указывает на выраженный транзитный, то есть непостоянный характер явлений на спутнике. 

Специалисты рассматривают две основные гипотезы. Первое объяснение носит технический характер: базовый уровень содержания воды на Европе может быть стабильным, но он находится чуть ниже порога чувствительности наземных приборов, ведь наблюдения ведутся со значительного расстояния — около 5–6 астрономических единиц от Земли.

Вторая, более интригующая гипотеза связана с эндогенной активностью спутника. По мнению Паганини, одиночный мощный всплеск указывает на локальный точечный источник — извержение гигантского водяного гейзера (плюма) из подледного океана. Ученый подчеркивает принципиальное различие: если бы водяной пар фиксировался телескопами постоянно, это свидетельствовало бы об экзогенных эффектах. В таком сценарии молекулы воды непрерывно выбивались бы с ледяной поверхности Европы под воздействием жесткой бомбардировки заряженными частицами из мощного радиационного пояса Юпитера. Обнаружение изолированного водяного облака говорит в пользу гипотезы кратковременного извержения. При этом следов других летучих соединений, таких как метанол или этан, в ходе данной сессии обнаружить не удалось — по ним были установлены строгие верхние пределы.

## 🧪 Методология: как заглянуть сквозь атмосферу Земли
[[JUMP:26:54]]

Главная фундаментальная сложность при поиске воды на других астрономических объектах с Земли заключается в том, что атмосфера нашей собственной планеты перенасыщена водяным паром. Выделение слабого космического сигнала из мощного земного фона требует сложнейших алгоритмов фильтрации.

Команда Паганини обошла это препятствие благодаря двум ключевым факторам:

1.  **Высокое спектральное разрешение приборов.** Современная аппаратура обсерватории Кек позволяет с ювелирной точностью характеризовать профиль земной атмосферы и математически вычитать ее вклад из финального спектра.
2.  **Использование геоцентрической скорости.** Из-за постоянного орбитального движения Европы относительно Земли возникает доплеровский сдвиг частот. Спектральные линии водяного пара Европы смещаются относительно неподвижных линий земной атмосферы, что позволяет астрономам физически разделить эти сигналы.

Паганини особо отмечает, что инфракрасная спектроскопия дает возможность регистрировать непосредственно саму молекулу $H_2O$. В этом заключается главное преимущество перед более ранними исследованиями телескопа «Хаббл» (Hubble) 2012 года. Тогда наблюдения велись в ультрафиолетовом диапазоне и фиксировали не воду, а лишь побочные продукты ее распада под действием солнечной радиации — атомы водорода и кислорода, что оставляло пространство для альтернативных трактовок.

## ☄️ От комет до межзвездных странников: проверка концепции
[[JUMP:09:47]]

Методика инфракрасного поиска воды изначально зародилась и была отработана при изучении комет, которые Паганини называет важнейшими реликтовыми объектами Солнечной системы. Физика процесса основана на явлении флуоресценции: солнечные фотоны взаимодействуют с молекулами газа в коме кометы, переводя их в возбужденное состояние. Последующий радиационный распад сопровождается испусканием квантов света в инфракрасном диапазоне, которые и улавливают наземные телескопы. В 2013 году с помощью этой технологии группа зафиксировала газовую активность на аномально далекой комете 29P, находившейся на расстоянии более 6 астрономических единиц от Солнца.

Изучение кометного вещества имеет фундаментальное значение для понимания происхождения земной гидросферы. Согласно существующим моделям, которые разделяет Паганини, именно кометная бомбардировка на ранних этапах эволюции могла доставить воду в океаны Земли и занести пребиотические (органические) соединения. 

Аналогичный аналитический подход сегодня применяется ко второму в истории открытому межзвездному объекту — комете Борисова ($2I/Borisov$). Поскольку эта межзвездная комета в момент наблюдений проходила ближе к Земле, чем Юпитер, чувствительности приборов оказалось достаточно для детального сканирования ее состава. Астрономы со всего мира пришли к выводу, что комета Борисова по своим химическим характеристикам удивительно похожа на кометы нашей собственной Солнечной системы, что указывает на фундаментальное единообразие процессов формирования планетных систем в Галактике.

## 🪐 Сравнение с Энцеладом и другими лунами Юпитера
[[JUMP:14:08]]

В ходе дискуссии ведущий Джон Майкл Годье поднял закономерный вопрос: почему плюмы на спутнике Сатурна Энцеладе фиксируются регулярно и без таких титанических усилий, как на Европе? Лукас Паганини призвал к осторожности при сравнении этих объектов, указав на жесткие технические ограничения. Постоянная фиксация водяных фонтанов Энцелада стала возможной исключительно благодаря работе космического аппарата «Кассини» (Cassini), который находился в непосредственной близости от объекта. С Земли же зафиксировать выбросы Энцелада методом инфракрасной спектроскопии невозможно: Сатурн находится значительно дальше Юпитера, а абсолютные объемы выделения воды на Энцеладе составляют лишь десятую часть от минимального порога чувствительности телескопа Кек.

Что касается других крупных лун Юпитера — Ганимеда и Каллисто — они, несмотря на общую принадлежность к одной системе, развивались по совершенно разным сценариям. Паганини отмечает, что Ганимед и Каллисто покрыты куда более старой, толстой и покрытой кратерами ледяной корой. Их гипотетические океаны заперты на огромной глубине, что минимизирует вероятность масштабного сантехнического взаимодействия с открытым космосом. Попытки искать водяной пар в их атмосферах пока приводят лишь к фиксации фоновых верхних пределов.

## 🚀 Перспективы: Джеймс Уэбб и миссия Europa Clipper
[[JUMP:15:57]]

Дальнейший прогресс в изучении Европы Паганини связывает как с новыми орбитальными обсерваториями, так и с автоматическими межпланетными станциями. Космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) обладает колоссальным преимуществом — он работает в космосе и полностью избавлен от помех со стороны земной атмосферы, а его общая чувствительность примерно в 10 раз выше, чем у комплекса Кек. Однако у JWST ниже спектральное разрешение, что меняет саму физику наблюдаемых процессов. Кроме того, распределение времени на этом телескопе сопряжено с жесточайшей конкуренцией между учеными со всего мира.

> «Это похоже на поиск туннеля во внутренние части Европы», — описывает Лукас Паганини потенциал будущих исследований.

Окончательную точку в споре о природе водяного пара должны поставить специализированные космические миссии. Аппарат Europa Clipper, запуск которого планировался на 2025 год, оснащен высокоточными масс-спектрометрами и магнетомерами. Пролетая непосредственно сквозь разреженную атмосферу Европы и зоны предполагаемых плюмов, станция сможет собрать прямые образцы внутренней материи спутника без посадки на поверхность. 

Анализ соотношения дейтерия к водороду (D/H ratio) в этих выбросах позволит точно сопоставить воду Европы с земной и кометной. Если датчики зафиксируют корреляцию выбросов с изменениями в радиационном торе Юпитера, подтвердится экзогенная теория выбивания льда радиацией. Если же корреляция будет отсутствовать, а масс-спектрометрия покажет наличие солей и сложных соединений, это станет неопровержимым доказательством существования обитаемого подледного океана.