При помощи наземного телескопа с инфракрасным спектрографом в обсерватории на Гавайях астрономы NASA впервые обнаружили водяной пар в атмосфере одного из крупнейших спутников Юпитера — Европы, образовавшийся в результате выброса гейзерного вулкана. Предполагается, что вулкан вынес в космическое пространство столб воды из сверхглубокого подлёдного океана на Европе, прорвав ледяной покров на её поверхности.
Наблюдения производились при помощи спектрографа NIRSPEC в обсерватории Кека на горе Мауна-Кеа на Гавайях на высоте 4 километра, работающего в ближнем инфракрасном диапазоне. Пары воды были обнаружены только в одну из 17 ночей цикла наблюдений 2016—2017 гг. Возможно, такие выбросы на планете — гораздо более редкое событие, чем аналогичные гейзеры на спутнике Сатурна — Энцеладе. Измерения позволили определить и мощность выброса — более двух тонн воды в секунду. Статья коллектива астрономов из NASA Goddard Space Flight Center об этом вышла в ноябре 2019 г. в Nature Astronomy. Это открытие завершает список «трёх необходимых ингредиентов для развития жизни» на спутнике — 1) источники энергии, 2) существенные химические элементы (C, H, O, N, P, S) и, наконец, 3) жидкая вода.
Первый космический манёвр с облётом Юпитера (flyby) совершил 40 лет назад один из «Вояджеров», и он же передал первые фотографии Европы. Впоследствии этот спутник стал одним из приоритетных объектов NASA для исследования возможностей жизни за пределами Земли. Собранная информация позволяла утверждать, что на нём присутствуют основные ингредиенты, необходимые для жизни. В частности, астрономы имели косвенные свидетельства существования океанов солёной воды под внешним ледяным покровом. У Европы есть магнитное поле, которое должно создаваться движущейся проводящей средой подобно магнитному полю планет, обусловленному жидким металлическим ядром. Вероятный кандидат на роль среды-проводника на Европе — солёная вода подо льдом. Благодаря вулканической активности планеты вода периодически может прорывать лёд и извергаться в космическое пространство в виде гейзеров, образуя водяные струи высотой в десятки километров. Зонд «Галилео», с 1995 года исследовавший Юпитер и его окрестности, предположительно пересёк такой гейзер при одном из облётов Европы в 1997 году на высоте 150 км, но обнаружилось это значительно позже, по результатам ретроспективного анализа его данных об изменениях магнитного поля, температуры и состава плазмы. Также такие выбросы вещества из-под ледяной поверхности («криовулканизм») зафиксированы по снимкам с космического телескопа «Хаббл», однако свидетельства об их составе были пока косвенными. Прямого подтверждения наличия молекул воды в атмосфере до сих пор не было.
Ранее в 2013 году при помощи «Хаббла» в атмосфере Европы уже были идентифицированы некоторые химические элементы, включая атомы водорода и кислорода. Обнаружение составленных из них молекул, в частности воды, является задачей другого уровня. Присутствие химических элементов в атмосфере спутника или в выбросах «гейзеров» обнаруживается путём исследования спектров поглощения в периоды, когда спутник проходит на фоне Юпитера. Но атомные и молекулярные спектры принципиально различаются. Спектральные линии атомов могут находиться в области видимого, ультрафиолетового или мягкого рентгеновского излучения. Молекулярные связи намного слабее, и их характерные частоты для молекул лежат в инфракрасном диапазоне. Телескопы, работающие в этих разных диапазонах — совершенно разные устройства, и они редко встречаются вместе: даже предпочтительные условия размещения на Земле этих классов телескопов существенно различаются. Космические телескопы также имеют свою направленность — так, «Хаббл» исследует видимую область спектра, а для инфракрасного диапазона специально предназначен телескоп «Спитцер». Поэтому исследование атмосферы удалённых космических тел на наличие химических элементов и молекул — две разные научные задачи.
При наземных наблюдениях молекулярного состава атмосферы на других планетах или газовых облаков в космосе основное препятствие — то, что пары воды, углекислого газа и других искомых веществ в избытке находятся в атмосфере самой Земли. Поэтому отдельная задача — различение спектрального сигнала от космического тела и от Земли. Такое разделение обеспечивается ресурсоёмкой процедурой компьютерной обработки потока данных и опирается на подробные модели состава земной атмосферы в разных точках планеты. Подобная задача решалась несколько лет назад, когда обнаружение водяного пара с наземной обсерватории стало знаковым открытием в исследовании атмосферы Марса.
Юпитер и его спутники расположены слишком далеко от Солнца, за пределами «обитаемой зоны», и его тепла недостаточно для существования жидкой воды на спутниках. Однако источником энергии здесь выступает сам Юпитер. Период обращения Европы вокруг Юпитера составляет всего 3,5 дня, и на таком маленьком расстоянии приливные силы от него настолько существенны, что обеспечивают умеренную температуру вещества под ледяным покровом, а также достаточную вулканическую активность, производящую такие гейзеры.
Обнаружение выбросов водяного пара на спутнике — прямое подтверждение наличия океана с водой умеренной температуры под ледовым покровом. Существование сверхглубокого (глубиной сотни километров) океана на Европе — это давнее убеждение большинства астрономов, в пользу которого до этого было множество косвенных свидетельств, включая снимки выбросов, сделанные Хабблом. Такие условия даже позволяют рассматривать спутник как объект для поиска внеземной жизни. В середине 2020-х годов NASA планирует запустить космический зонд Europa Clipper с инструментами для обнаружения необходимых компонентов для развития жизни в том виде, как мы её понимаем.
