Телескоп Hubble обнаружил водяной пар в атмосфере двух спутников Юпитера

Данные телескопа Hubble указали на постоянное присутствие водяного пара в атмосфере спутников Юпитера Европы и Ганимеда. Правда, на Европе вода в атмосфере присутствует только на одном полушарии.

Европа и Ганимед — два из четырёх наиболее крупных спутников Юпитера («Галилеевых лун»), которые можно рассмотреть в любительский телескоп и открытых ещё в 1610-м году Галилеем во время самых первых наблюдений за звёздами в телескоп. Европа имеет океан, расположенный глубоко под ледяной поверхностью, и, возможно, занимающий всю или значительную часть площади спутника. До этого водяной пар на Европе находили только в выбросах из-подо льда, вызванных деятельностью вулканов. Эти источники похожи на земные гейзеры, но из-за низкой силы притяжения высота подъёма такой «водяной струи» над поверхностью спутника достигает 100 километров. Разумеется, в условиях сверхнизкого давления и низких температур эта вода моментально превращается в пар. Подробнее про обнаружение воды в выбросах криовулканов Европы можно прочитать в другой статье на нашем сайте.

Новые результаты обработки архивных данных «Хаббла» с 1999 по 2015 год показывают, что сопоставимые концентрации водяного пара присутствуют над гораздо более обширными площадями и такое его распределение в атмосфере Европы уже не может объясняться работой гейзеров. Более того, водяной пар обнаруживается и на другом спутнике Юпитера — Ганимеде, на котором тоже подозревают существование обширного океана под ледовой поверхностью.

Для анализа выбрали наборы данных «Хаббла» разных лет, которые включали наблюдения за спутниками Юпитера в ультрафиолетовом диапазоне. Для прямого обнаружения молекулярных газов в атмосфере необходимы наблюдения в инфракрасном спектре, на длинах волн, которые соответствуют колебаниям атомов внутри молекулы. Такие наблюдения выполняются на специально предназначенных для этого диапазона наземных и космических телескопах, в частности, недавно завершившем работу космическом инструменте Spitzer. Доступный для камер Hubble видимый и ультрафиолетовый диапазон отвечает атомным спектрам. По таким данным можно сделать вывод о наличии в атмосфере атомов тех или иных элементов, но неизвестно, образуют ли они какие-либо молекулярные соединения.

Новый способ обработки как раз и позволил использовать для молекулярного анализа атмосферы доступные данные ультрафиолетового диапазона. Эту часть спектра для непосредственного обнаружения молекул использовать нельзя, но присутствие молекулярных соединений оказывается возможным показать косвенными методами, по «балансу» излучения отдельных линий атомных спектров.

Так, основной инструмент для исследования атмосфер на спутниках Юпитера — две особые линии в спектре атомного кислорода на длинах волн 1356 и 1304 Å, доступные для спектрометра «Хаббла». Эти длины волн соответствуют глубокому ультрафиолетовому диапазону (напомним, что видимый диапазон начинается с длин волн порядка 4000 Å = 400 нм, соответствующих фиолетовому и синему цвету). Отношение интенсивностей излучения на этих длинах позволяет судить о молекулярном составе атмосферы и поэтому стало одним из главных диагностических средств. Вкратце, методика исследования атмосферы исходит из того, что линия 1356 Å (в соответствии с номенклатурой спектров её обозначают OI 1356) оказывается при всех измерениях более интенсивной по сравнению с линией 1304 Å. Такой дисбаланс можно объяснить только наличием источника в виде молекулярного кислорода O₂ — его диссоциация под ударным воздействием электронов космического излучения и даёт дополнительный вклад именно в интенсивность линии OI 1356 Å. Отклонение отношения интенсивностей линий от некоторого «эталонного» значения, которое должна бы давать атмосфера, содержащая молекулярный кислород, предположительно, объясняется вкладом ещё и атомарного кислорода (отдельных атомов O), соответственно можно изучать соотношение в атмосферах юпитерианских спутников молекулярного и атомарного кислорода (O/O₂) при разных условиях. Далее, такое отношение можно исследовать не только для всей атмосферы, но и для отдельных её частей — например, в зависимости от высоты над поверхностью или на различных полушариях спутника.

Оказывается, что по интенсивностям двух кислородных линий в сочетании с дополнительными данными спектрографов «Хаббла» можно сделать вывод не только о кислородной составляющей атмосферы, но и собственно об искомом водяном паре. Летом 2021 года таким образом удалось установить присутствие H₂O в атмосфере спутника Юпитера Ганимеда (статья с результатами исследований вышла в Nature Astronomy). Источником дополнительной информации для Ганимеда стали недавние снимки другого спектрометра «Хаббла», COS (Cosmic Origins Spectrograph), сделанные для разных фаз спутника, то есть при разных его положениях по отношению к освещению Солнцем. В зависимости от того, находится ли спутник в тени Юпитера или на солнечной стороне, должен меняться вклад от солнечного ветра в ионизацию атомов кислорода и интенсивность соответствующих линий. Особенности спектра в разных условиях наблюдения позволили заключить, что различия интенсивностей двух линий только за счёт избытка атомарного кислорода объяснить нельзя: его образуется значительно меньше, чем нужно и чем предполагалось раньше. Зато наблюдаемые профили интенсивностей как раз предполагают нужный баланс за счёт наличия в атмосфере водяного пара. Более того, в зависимости от локации на поверхности спутника (вблизи экватора в солнечный полдень, вблизи полюсов или когда на спутнике ночь) такая косвенно определённая концентрация H₂O ожидаемо изменяется — при разных температурах интенсивность испарения водяного льда в атмосферу будет разной.

Этот же подход астрофизики применили к исследованию атмосферы Европы (соответствующая статья — продолжение вышла в сентябре 2021 г. в Geophysical Research Letters). Поверхность Европы лучше отражает солнечный свет по сравнению с Ганимедом, и температура на ней поэтому ниже: на её дневной стороне она составляет −160 °C, но лёд с поверхности под действием Солнца так же сублимируется в водяной пар, не переходя в жидкую фазу. Интересно, что, в отличие от Ганимеда, «водяная» атмосфера в сопоставимых концентрациях наблюдалась только на одном её полушарии — ведомом, или обращённом в сторону, обратную движению Европы по орбите. Подобный дисбаланс распределения наблюдается и на Ганимеде: водяного пара в атмосфере меньше на стороне по направлению движения и больше — на тыльной, но он так или иначе присутствует. Откуда такая асимметрия в распределении водяного пара на разных полушариях спутников — пока что непонятно.

JUICE (JUpiter ICy moons Explorer) — будущий проект Европейского космического агентства (ESA) по исследованию системы Юпитера в рамках третьей программы ESA фундаментальных космических исследований Cosmic Vision 2015—2025 гг. Запуск аппарата запланирован на 2022 год с прибытием к Юпитеру в 2029. Он проведёт на орбите Юпитера не менее трёх лет, изучая планету и три её крупнейших спутника; особое внимание планируется уделить Ганимеду и Европе как небесным телам с  потенциально благоприятными условиями для развития жизни под поверхностным ледяным покровом. Аналогичный проект NASA Europa Clipper, как следует из названия, сосредоточится на исследовании Европы; аппарат планируется к запуску в конце 2024 года.