Nieve espacial en una luna Saturno

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En 2005, la sonda Cassini nos envió las primeras fotografías detalladas de una luna muy especial llamada Encélado. Esta es la sexta luna más grande de Saturno y la decimonovena más grande del Sistema Solar. Su diámetro es de 500 kilómetros y su superficie está casi totalmente cubierta por hielo de agua extremadamente limpio. En las imágenes de Encélado tomadas por Cassini, los científicos identificaron muchos criovolcanes cerca de su polo sur, que constantemente expulsan enormes cantidades de materia que, entre otras cosas, contiene mucho vapor de agua. Unos 200 kilogramos de este material, cuya velocidad alcanza los 2000 kilómetros por hora, son lanzados a las alturas cada segundo por más de un centenar de criovolcanes. Debido a la temperatura extremadamente baja de Encélado, que en promedio es igual a -200º C, el vapor de agua se congela rápidamente. Parte de este hielo escapa al espacio y queda atrapado en el anillo E de Saturno, mientras que el resto vuelve a caer a la superficie de Encelado en forma de nieve.

Figura 1: Imagen compuesta de Saturno con anillos y algunas lunas tomada por la misión Cassini en 2013. Fuente: NASA/JPL-Caltech/SSI

Pero, ¿de dónde proviene el agua de Encelado? ¿Cómo es posible que exista en estado líquido? ¿Y qué significa su presencia para la posible existencia de vida en esta luna?

El 1 de julio de 2004, la misión Cassini entró en la órbita alrededor de Saturno. Durante los siguientes trece años, nos enviaba bellas imágenes de este segundo planeta más grande del Sistema Solar, así como de algunas de sus lunas, como Titán, Rea, Japeto, Foiba, Encélado y muchas otras. Para los científicos que estudian los planetas del Sistema Solar, estas imágenes no solo tienen un valor estético. Su contenido revela a los investigadores los fenómenos que ocurren tanto en la superficie de estos cuerpos celestes, como en su interior. Y no solo eso. Las fotografías también nos cuentan historias sobre lo que ocurrió en Saturno y sus lunas en el pasado lejano.

En 2005, la nave espacial Cassini sobrevoló de cerca a Encélado tres veces. El sobrevuelo, que tuvo lugar el 14 de julio de 2005, reveló algo completamente inesperado: un área tectónicamente deformada cerca del Polo Sur. Esta área está cubierta de innumerables crestas y enormes grietas. Por otro lado, contiene muy pocos cráteres de impactos, lo que indica que se trata de la parte más joven de la superficie de Encélado, cuya edad en algunos lugares se estima en solo 500,000 años. En medio de esta zona hay cuatro grandes crestas rodeadas por unas grietas de 130 kilómetros de largo, que los científicos denominaron las rayas de tigre. Las imágenes tomadas en luz infrarroja revelaron que estas son regiones relativamente cálidas donde la temperatura sube a -166º C. Esta temperatura es demasiado alta para ser causada por la radiación del Sol. En consecuencia, la fuente de calor responsable de una temperatura tan «alta» debe estar ubicada dentro de Enceladus. Los principales candidatos de este calor son la desintegración radiactiva y las fuerzas de marea.

Figura 2: Huellas de tigre en Encelado. Fuente: Equipo de imágenes de Cassini, SSI, JPL, ESA, NASA.

La radiactividad contribuyó a la temperatura elevada del interior de Encelado principalmente en el pasado lejano. Cuando se formó esta luna, su núcleo fue rico en isótopos radiactivos de corta semivida, como los de aluminio, hierro y manganeso. Debido a la desintegración de estos isótopos se liberó una gran cantidad de energía en el núcleo durante un período de 7 millones de años, lo que permitió que existiera agua líquida a su alrededor, mientras que la superficie de esta luna quedó cubierta por una armadura de hielo.

Las fuerzas de marea también contribuyeron al calentamiento del interior de Encélado, lo que se debe a la fuerte atracción gravitatoria de Saturno. Su órbita es algo alargada. A medida que esta luna se acerca al planeta, el aumento de la atracción gravitacional de Saturno hace que su forma cambie ligeramente, provocando movimiento y fricción en su corteza helada y su núcleo rocoso. Esto libera calor, que durante miles de millones de años ha ayudado a mantener un océano de agua líquida en las profundidades de la superficie de Encélado. Según algunos modelos, el núcleo es muy poroso, lo que permite que el agua del océano penetre casi hasta el mismo centro de esta luna, donde se calienta a 90 grados centígrados. Luego, el agua caliente sube en algunos lugares hasta la base de la corteza helada, donde derrite el hielo, creando los criovolcanes.

Algunas investigaciones puntan a que hoy en día, Encélado emite mucho más calor de lo que pueden producir la desintegración radioactiva y las fuerzas de marea. De ser cierto, la fuente de este calor adicional por ahora sigue siendo un misterio. La mayoría de los científicos también creen que este calor adicional aún no es suficiente para sostener el océano subterráneo. Por lo tanto, la opinión predominante es que el océano actual en Encelado es solo un remanente de un antiguo océano que se está congelando lenta pero constantemente.

Figura 3: Representación del interior de Encélado: el núcleo caliente está rodeado de agua líquida atrapada bajo una gruesa capa de hielo. Fuente: ESA.

La misión Cassini proporcionó la primera evidencia de la existencia de un gran océano en las profundidades de Encélado debajo de la capa de hielo en 2010. Se trataba de mediciones precisas del campo de gravedad de Encélado, que permitieron a los científicos determinar la estructura interna de esta luna. El principio de las medidas es muy interesante. Pequeñas fluctuaciones en la fuerza de la atracción gravitacional, que son el resultado de la distribución no homogénea de la materia dentro de los cuerpos celestes, provocan pequeñas desviaciones en la velocidad de las sondas que los orbitan o pasan cerca de ellos. Estos cambios provocan fluctuaciones en la frecuencia de la señal de radio que las sondas envían de regreso a la Tierra y son captadas por grandes antenas que forman parte de una red llamada Deep Space Network. Con ellos podemos detectar cambios de velocidad, cuya amplitud es de tan solo 30 centímetros por hora o 80 millonésimas de metro por segundo. En realidad, las fluctuaciones de velocidad de Cassini fueron de unos pocos milímetros por segundo. Estos resultados indicaron que hay un océano en Enceladus en la vecindad de su polo sur, que su «superficie» se encuentra debajo de 30 a 40 kilómetros de hielo, y que su profundidad es de 10 kilómetros.

Solo un año después, otro grupo de científicos llegaró a una conclusión ligeramente diferente. Ellos lograron medir la libración de Encelado con la sonda Cassini. Se trata de un modo especial de movimiento en el que el cuerpo celeste en promedio mantiene su orientación en el espacio, pero en realidad oscila ligeramente alrededor de ella. Libración también es el resultado de una distribución no homogénea de la materia dentro de los cuerpos celestes. Las mediciones de Cassini revelaron la existencia de un océano global en Encélado, que separa completamente su núcleo rocoso de su corteza helada. Estos últimos datos sugieren que el océano global comenzó a una profundidad de entre 26 y 31 kilómetros, y su profundidad ahora se estima en 3,7 kilómetros.

Figura 4: Criovolcanes en Encélado. Fuente: NASA/JPL/Instituto de Ciencias Espaciales.

Al igual que los océanos de la Tierra, el agua de las profundidades de Encélado no es precisamente potable. Hay varios estudios sobre la composición química del océano en esta luna, que son importantes desde el punto de vista de la posibilidad de la existencia de vida en esta luna. Actualmente no podemos saber si realmente existen seres vivos en el océano de Encelado, pero sí sabemos que hay ingredientes necesarios para su existencia, que incluyen, además del agua líquida, también una fuente de energía y ciertos elementos químicos.

Una importante fuente de energía para muchos microbios terrestres es el hidrógeno molecular (H₂). Los microbios se «alimentan» de él y producen metano (CH₄). Otros ingredientes necesarios para el desarrollo de la vida son el oxígeno, el nitrógeno, el carbono, etc. La existencia de todos estos componentes en Encélado ha sido confirmada por las observaciones de Cassini y por modelos teóricos. En concreto, estos datos indican concentraciones elevadas de determinadas sales, como el cloruro de sodio (NaCl), el bicarbonato de sodio (NaHCO₃), el carbonato de sodio (Na₂CO₃), así como la presencia de determinados gases, principalmente hidrógeno molecular, metano, dióxido de carbono (CO₂ ), amoníaco (NH₃) y argón (Ar). Si pudiéramos probar la existencia de seres vivos en Encélado, significaría que la vida en el espacio es un fenómeno bastante común. Si la vida no se desarrolló en esta luna, significaría que existen factores aún desconocidos que reducen en gran medida las posibilidades de desarrollo de la flora y la fauna en los cuerpos celestes.

Regresemonos al principio. Un grupo de científicos dirigido por Emily S. Martin del Centro de Estudios Planetarios y de la Tierra de los Estados Unidos anunció recientemente los hallazgos de uno de los últimos estudios sobre el tema de Encélado, que se centra en las mediciones de la capa superior de esta luna, es decir, su capa de nieve. El agua arrojada por los criovolcanes sobre Encelado se congela rápidamente y parte de ella ce a la superficie de esta luna en forma de nieve. Los científicos han descubierto que la capa de nieve que cubre toda la luna tiene un espesor medio de 250 metros, y que en determinadas zonas alcanza hasta 700 metros. También estimaron que la tasa con la que la nieve cae sobre la superficie de Encelado hoy no es suficiente para una capa de nieve tan gruesa, incluso si esta hubiera estado cayendo constantemente desde la formación de la luna hace 4,500 millones de años. Por lo tanto, los investigadores concluyeron que los criovolcanes de Encélado deben haber sido mucho más activos en el pasado distante de lo que son hoy.

Como es habitual, cada nuevo descubrimiento trae más preguntas que respuestas. Ahora los científicos tienen que responder qué impulsaba esta actividad de criovolcánica en Encelado en el pasado lejano y si esta disminuía gradualmente o si hubo varias épocas de más corta duración durante las que la actividad criovolcanica fue mucho más intensa.

Lecturas adicionales para los más curiosos

1. Platt, Jane; Bell, Brian (April 3, 2014). “NASA Space Assets Detect Ocean inside Saturn Moon”. NASA/JPL.
2. Witze, A. (April 3, 2014). “Icy Enceladus hides a watery ocean”. Nature. doi:10.1038/nature.2014.14985
3. Iess, L.; Stevenson, D. J.; Parisi, M.; Hemingway, D.; Jacobson, R.A.; Lunine, Jonathan I.; Nimmo, F.; Armstrong, J. W.; Asmar, S. W.; Ducci, M.; Tortora, P. (April 4, 2014). “The Gravity Field and Interior Structure of Enceladus” (PDF). Science. 344 (6179): 78–80. doi:10.1126/science.1250551
4. Ian (April 3, 2014). “Ocean discovered on Enceladus may be best place to look for alien life”. The Guardian.
5. “Cassini finds global ocean in Saturn’s moon Enceladus”. astronomy.co, https://www.astronomy.com/news/2015/09/cassini-finds-global-ocean-in-saturns-moon-enceladus
6. Thomas, P. C.; Tajeddine, R.; et al. (2016). “Enceladus’s measured physical libration requires a global subsurface ocean”. Icarus. 264: 37–47. doi:10.1016/j.icarus.2015.08.037
7. “Cassini Finds Global Ocean in Saturn’s Moon Enceladus”. NASA. September 15, 2015.
8. Billings, Lee (September 16, 2015). “Cassini Confirms a Global Ocean on Saturn’s Moon Enceladus”. Scientific American.
9. “Under Saturnian moon’s icy crust lies a ‘global’ ocean | Cornell Chronicle”. Cornell University.
10. Libración, Wikipedia, https://es.wikipedia.org/wiki/Libración
11. Porco, C. C.; Helfenstein, P.; Thomas, P. C.; Ingersoll, A. P.; Wisdom, J.; West, R.; Neukum, G.; Denk, T.; Wagner, R. (10 March 2006). “Cassini Observes the Active South Pole of Enceladus”. Science. 311 (5766): 1393–1401. doi:10.1126/science.1123013.
12. Heating ocean moon Enceladus for billions of years, European Space Agency, https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Cassini-Huygens/Heating_ocean_moon_Enceladus_for_billions_of_years
13. Toner, J. D. ; Catling, D. C. ; Fifer, L., The Chemistry of Enceladus’ Ocean, Ocean Worlds 4, held 21-22 May, 2019 in Columbia, Maryland. LPI Contribution No. 2168, id.6005, doi:http://www.hou.usra.edu/meetings/ocenworlds2019/pdf/6005.pdf
14. Fifer, L. M. ; Toner, J. D. ; Catling, D. C., The Composition and Habitability of Enceladus’ Ocean, 51st Lunar and Planetary Science Conference, held 16-20 March, 2020 at The Woodlands, Texas. LPI Contribution No. 2326, 2020, id.2727
15. Fifer, L. M., Catling, D. C., Toner, J. D. )2022), “Chemical Fractionation Modeling of Plumes Indicates a Gas-rich, Moderately Alkaline Enceladus Ocean”m Planet. Sci. J. 3 191, DOI:10.3847/PSJ/ac7a9f
16. Martin, Emily S. ; Whitten, Jennifer L. ; Kattenhorn, Simon A. ; Collins, Geoffrey C. ; Southworth, Ben S. ; Wiser, Lindsey S. ; Prindle, Shannen, “Measurements of regolith thicknesses on Enceladus: Uncovering the record of plume activity”, (2023), Icarus, Volume 392, article id. 115369, DOI:10.1016/j.icarus.2022.115369
17. Ingredients for Life at Enceladus, NASA, https://solarsystem.nasa.gov/resources/17649/ingredients-for-life-at-enceladus/