Saturnuksen Mimas-kuulla onkin valtameri jäisen pinnan alla

Tutkimustyö, jota johti tohtori Valéry Lainey Observatoire de Paris-PSL:stä ja julkaistiin Naturessa (maksumuuri), paljastaa "nuoren" valtameren, joka muodostui vain 5–15 miljoonaa vuotta sitten.

Cassini-luotain valokuvasi Mimasin myös infrapunaisen valon aallonpituuksilla. Kuvaukset paljastivat, että kuun lämpöjakauma on hyvin erikoinen. Oletuksena on vasemmassa yläkulmassa oleva kaavio lämpöjakaumasta mutta oikealla ylhäällä on se mitä todellisuudessa havaittiin. Alarivissä on vasemmalla Mimas näkyvässä valossa ja oikealla näkyvän valon ja infrapunaisen valon yhdistelmäkuva. Selittyykö lämpöjakauma valtameren olemassaololla, vai täytyykö siihen etsiä aivan uudenlainen selitys? Vastausta emme vielä tiedä. Kuva NASA/JPL.

"Mimas on pieni kuu, vain noin 396 kilometriä halkaisijaltaan, ja sen voimakkaasti kraatteroitunut pinta ei antanut minkäänlaista vihjettä alla olevasta merestä", sanoo tohtori Nick Cooper, tutkimuksen toinen kirjoittaja ja kunniatutkija tähtitieteen yksikössä Lontoon Queen Mary -yliopiston fysikaalisten ja kemiallisten tieteiden korkeakoulussa. "Tämä löytö lisää Mimasin eksklusiiviseen kuiden kerhoon, joilla on sisäiset valtameret, mukaan lukien Enceladus ja Europa, mutta ainutlaatuisella erolla: sen valtameri on huomattavan nuori, ja sen arvioidaan olevan vain 5-15 miljoonaa vuotta vanha."

Nuori ikä, joka on määritetty yksityiskohtaisella analyysillä Mimasin vuorovesivuorovaikutuksista Saturnuksen kanssa, viittaa äskettäin muodostuneeseen valtamereen, joka perustuu odottamattoman epäsäännöllisyyden löytämiseen sen kiertoradalla. Tämän seurauksena Mimas tarjoaa ainutlaatuisen ikkunan valtamerten muodostumisen alkuvaiheisiin.

Havainto tehtiin analysoimalla NASAn Cassini-avaruusaluksen tietoja, joka havaitsi Saturnusta ja sen kuita yli vuosikymmenen ajan. Tutkimalla tarkasti Mimasin kiertoradan vähäisiä ​​muutoksia tutkijat pystyivät päättelemään piilotetun valtameren olemassaolon ja arvioimaan sen koon ja syvyyden.

Havainto viittaa siihen, että jopa pienet, näennäisesti passiiviset kuut voivat sisältää piilotettuja valtameriä, jotka pystyvät ylläpitämään elämän kannalta välttämättömiä olosuhteita.

Miksi sitten valtameri on nuori, sillä itse kuu on paljon vanhempi, joten valtamerenkin pitäisi olla muutamaa kymmentä miljoonaa vuotta vanhempi? Vastaus liittyy Mimasin rataan. Sen on ajateltu olleen lähes pyöreä mutta Saturnuksen kahden muun kuun, Enceladuksen ja Tethysin kanssa kieroaikaresonanssiin joutuneen Mimasin rata muuttui enemmän elliptiseksi. Pyöreällä radalla vuorovesivoiman vaikutus kuuhun oli vähäinen ja se pysyi kylmänä, jäisenä kappaleena.

Elliptisellä radalla oleva Mimas alkoi lämmetä vuorovesivoiman muuttaessa kuun ytimen muotoa jatkuvasti. Rata muutos tapahtui arviolta 50 miljoona vuotta sitten. Lämmennyt ydin sulatti sen ympärillä olevaa jäätä ja vasta muutama miljoona vuotta sitten, sula meri saavutti noin 20 – 30 km syvyyden.

Mimasin pyöriminen itsensä ympäri on synkronista sen kiertoaikaan Saturnuksen ympäri. Toisin sanoen, se kääntää aina saman puolen kohti Saturnusta, siis samaan tapaan kuin Kuu kääntää aina saman puolen kohti Maata. Mimas ei kuitenkaan aivan täydellisesti noudata suuntaustaan kohti Saturnusta, vaan sillä on sen verran suuri libraatio (asennon huojahtelu), että se ei noudata kiinteän kappaleen käyttäytymistä, vaan se selittyy nestemäisellä merellä jääpeitteen alla.

Tutkijat tekivät toisenkin simulaation Mimasin rakenteesta. Sen mukaan nykyiset ratamuutokset selittyisivät sillä, että kuun kivinen ydin olisi muodoltaan hyvin litistynyt munamainen tai lähes pannukakkumainen. Tämä ei tunnu kovinkaan järkevältä oletukselta, joten paljon parempi selitys kuun ratamuutoksille on sula valtameri jääkuoren alla.

Pimeä aine voi siirtyä galaksista toiseen

Kaksi galaksia sijaitsee noin 44 miljoonan valovuoden etäisyydellä meistä. Toinen niistä on hyvin himmeä ja vaikeasti havaittavissa oleva NGC 1052-DF4 ja siinä on vain hyvin vähän (< 1%) pimeää ainetta. Toinen on hyvin paljon massiivisempi galaksi NGC 1052-DF2, ja siinä on hyvin paljon (> 99 %) pimeää ainetta.

Galaksi NGC 1052-DF4 on keskiosiltaan symmetrinen mutta ulkoreunaltaan se on kehittämässä gravitaatiohäntää massiivisemman naapurigalaksin vaikutuksesta. Kuva Montes et al., ApJ, 2020.

Alkuun näiden kahden galaksin välillä ei näyttänyt olevan mitään yhteyttä, tutkimukset paljastivat DF4n olevan paljon lähempänä kuin mitä ensin ajateltiin. Jokin kuitenkaan ei sopinut kuvaan ja tarkempi analyysi paljasti pimeän aineen puuttumisen galaksista lähes kokonaan. Tulos vaikuttui hyvin oudolta, sillä pimeää ainetta pidetään välttämättömänä, jotta galakseja ylipäätään voisi muodostua.

Tutkijat^[1] saivat havaintoaikaa La Palmalla (Kanariansaaret) sijaitsevalta Gran Telescopio Canarias’ista ja Hubble avaruuskaukoputkesta. Havainnot näillä riittävän suurilla ja herkillä teleskoopeilla paljasti, että suurempi galaksi (DF2) olisi riistänyt pienemmältä (DF4) tähtiä. Pienemmän ydinalueet näyttivät olevan koskemattomia ja tähdet olivat symmetrisesti ytimen ympärillä. Uloimpana kuitenkin oli havaittavissa vuorovesivoiman synnyttäneen jo ”gravitaatiohännän” kohti massiivisempaan galaksia.

Tähdistä muodostunut vuorovesihäntä syntyy sen jälkeen, kun galaksin pimeä aine on ensin siirtynyt suurempimassaiseen galaksiin. Näin on selitettävissä, miksi pienemmästä galaksista pimeä aine puuttuu lähes täysin ja massiivisemmassa sitä taas on ylimäärin. Pimeän aineen poistuttua galaksin gravitaatio on heikentynyt niin paljon, että tähtien siirtyminen massiiviseen galaksiin mahdollistuu. Tämä näyttää alkaneen aivan hiljattain.

Mitä sitten tulee tapahtumaan pimenemälle DF4-galaksille? Luultavasti se tulee liittymään kokonaisuudessaan massiivisempaan galaksiin. Kuinka kauan tähän menee riippuu hyvin monesta tekijästä ja siihen ei nyt julkaistu tutkimus vastaa.

Huomautus

[1] The Astrophysical Journal, 904, osa 2. The Galaxy "Missing Dark Matter" NGC 1052-DF4 is Undergoing Tidal Disruption