Enceladus

Enceladus je šestým největším měsícem planety Saturn. Enceladus obíhá planetu mezi měsíci Mimas a Tethys v nejhustší části neohraničeného širokého prstence Saturnu, který se nazývá prstenec E. Tento prstenec se rozkládá od oběžné dráhy Mimase až téměř po oběžnou dráhu měsíce Rhea. Enceladus dostal své jméno podle Titána Enkelada z řecké mytologie, má průměr pouhých 504 km a byl objeven roku 1789 Williamem Herschelem. První sondou prolétnuvší v roce 1981 kolem Enceladu ve vzdálenosti 90 000 km byl Voyager 2, bohužel však o tomto tělese příliš informací nepřinesl. Základní charakteristikou Enceladu je jeho vysoká odrazivost, odráží téměř 100 % dopadajícího světla, což z něj dělá po Slunci nejjasnější těleso v naší Sluneční soustavě. Spektrální analýzou bylo zjištěno, že povrch je pokryt převážně vodním ledem. Na povrchu je možno nalézt místa jak pokrytá krátery, tak i hladké pláně bez kráterů. Prvotní otázkou, která vyvstala mezi planetárními geology, bylo tedy nalézt vysvětlení tohoto stavu. Kromě kráterových a hladkých oblastí jsou na Enceladu navíc pozorovány také oblasti zvrásněné úzkými hřebeny nebo křižujícími se zlomy.

Poloha měsíce Enceladus v systému Saturnových prstenců. Zdroj NASA.

První studie se tedy zabývaly vysvětlením rozsáhlých změn na povrchu, pozorovaných na snímcích z Voyageru . Oblasti bez kráterů se nabízely jako mladé s nedávnou geologickou aktivitou. Nebylo jasné, zda Enceladus byl schopen utvářet povrchovou morfologii jen díky svým vnitřním procesům, jako je například vulkanická činnost, nebo zda byl povrch formován nějakým vnějšími meziplanetárními vlivy. Planetární geologové prověřovali modely umožňující viskózní relaxaci, zlomové vrásnění a kryovulkanismus . Bylo odhadnuto, že potřebné množství tepla pro tyto projevy by byla schopna vygenerovat rezonance mezi rotační periodou měsíce a jeho oběžnou periodou v poměru 1:3, a to za předpokladu, že Enceladus prochází nucenými libracemi o amplitudě několika stupňů. Enceladus ale obíhá kolem Saturnu stejně, jako obíhá Měsíc kolem Země , jeho rotace je vázaná s oběžnou dobou, rezonanční poměr je 1:1. Pozdější měření prováděná sondou Cassini žádnou libraci požadovaného měřítka neodhalila, ačkoli probíhala po více než polovinu oběžné dráhy Enceladu a zaznamenala i nejbližší a nejvzdálenější bod dráhy od Saturnu. Současný pohybový stav Enceladu tedy nenabízí vlastní zdroj vnitřní energie, která by umožnila vytvarovat povrch do pozorovaných útvarů. Výše uvedené platí za předpokladu povrchu tvořeného převážně vodním ledem. Pokud by však součástí povrchu byl ve větší míře i amoniak, který by spolu s vodním ledem tvořil eutektickou směs , byla by potřebná teplota tání povrchu mnohem nižší. Pak by bylo možné povrchovou morfologii vysvětlit jako projevy kryovulkanismu. V úvahu byla brána také orbitální evoluce měsíce, která může být provázena intenzivním zahříváním nitra obíhajícího tělesa vyvolaným slapovými silami .

Fotografie Enceladu. Na snímku je zřetelně ohraničená jižní polární oblast přibližně ve tvaru šestiúhelníku, praskliny vybíhající z jejích rohů a Tygří pruhy lemované tmavším modrým materiálem. Patrné jsou oblasti plné kráterů a jižní polární oblast zcela bez kráterů. Zdroj: NASA

Sonda Cassini započala v červenci 2004 průzkum Saturnových měsíců a již v únoru 2005 se přiblížila k Enceladu. Prolétla ve vzdálenosti 1 179 km nad rovníkovou oblastí přivrácenou k Saturnu. Pomocí magnetometru bylo zjištěno propojení magnetického pole Saturnu s magnetosférou Enceladu, k čemuž zřejmě napomáhají těžké ionty uvolňované z povrchu Enceladu. Průlet potvrdil, že povrch je složen hlavně z vody, oxidu uhličitého, dusíku a metanu. Amoniak zde však nalezen nebyl. Podrobné snímky ukázaly jemnou síť zlomů v oblastech, které se dříve zdály být zcela hladké. Při dalším průletu 9. března 2005 ve vzdálenosti 497 km nad rovníkovou oblastí tentokrát odvrácené strany Enceladu od Saturnu, byl magnetickým měřením potvrzen zdroj vodních iontů, hromadících se v plazmosféře Enceladu, pravděpodobně pocházejících z jeho jižní části. Třetí průlet Cassini 14. července 2005 byl již cíleně zaměřen na průzkum jižní polární oblasti. Velmi těsný průlet proběhl ve vzdálenosti 175 km. Podrobné snímky (4m/pixel) ukázaly oblast posetou ledovými balvany o velikosti rodinného domu vzniklými pravděpodobně tektonickou aktivitou, téměř zcela bez dopadových kráterů. Nejzajímavější na jižní polární oblasti je skupina rovnoběžných dlouhých zlomů, které byly nazvány „Tygří pruhy“. Pruhy jsou asi 500 m hluboké, 2 km široké a 130 km dlouhé a jsou na obou stranách lemované hřebeny vysokými až 100 m. Rozloženy jsou 35 km paralelně od sebe a mají orientaci 45° ze Saturnova směru. Celá tato oblast je ohraničena hradbou vinoucích se zlomů a hřebenů, převyšujících okolní terén o stovky metrů. Tato oblast ve tvaru přibližně šestiúhelníku se rozkládá na ploše přibližně 70 000 km², což je okolo 9 % povrchu. Rohy šestiúhelníku tvoří jakési prohlubně ve tvaru Y, směřující k rovníku. Jsou to nejmladší geologické útvary této oblasti a z nich vybíhají severojižně orientované praskliny a průrvy.

Snímek jižní polokoule Enceladu z března 2010. Souřadnicová síť je po 30°. Okraj zobrazeného kruhu tvoří rovník. Jižní polární oblast s „tygřími pruhy“ je zřetelná uvnitř nejmenší kružnice – rovnoběžky Enceladovy jižní šířky -60°. Zvláštní je symetrie kolem Tygřích pruhů, které jsou ohraničeny přibližným šestiúhelníkem, tvořeným z hřebenů. To by poukazovalo na globální deformace. Není však jasné, proč se deformovala pouze jižní polokoule a severní zůstala beze změn. Zdroj: NASA/JPL.

Porovnání předpokládaného rozložení teplot oproti naměřeným hodnotám. Data byla získána při průletu dne 14. 7. 2005. Maximální povrchová teplota byla očekávána v centrální části strany přivrácené ke Slunci. Zdroj: NASA/JPL.

Detailní snímek Tygřích pruhů pořízený 10. 10. 2007. Jednotlivé rýhy jsou pojmenovány podle významných měst. Zdroj: NASA JPL.

Zdaleka nejvyšší teploty naměřené na povrchu Enceladu (114÷157 K) vykazuje jižní polární oblast. Povrch měsíce odtud vyzařuje do prostoru 60 Wm^–2. Pro srovnání: v geotermální oblasti v Yellowstonu je to pouhých 2,5 Wm^–2. Vyzařování určitě nějak souvisí s Tygřími pruhy. Byla jasně prokázána přítomnost oblaků vodních par a částic ledu tryskajících z této oblasti, ale opět nebyl nalezen žádný amoniak. Poslední průlet odhalil výtrysky vodních par a jemných ledových částic, které nad povrchem vytvářejí zmíněná oblaka. Většina takto vyvržených částic dopadá zpět na povrch. Dle prozatím vytvořených modelů asi tak 1 % částic unikne a zásobuje materiálem prstenec E. Předmětem dalšího zkoumání bude upřesnění těchto procesů.

Detailní termosnímek jižní polární oblasti. Tygří pruhy jsou výrazně teplejší než okolní terén. V detailu mapy na snímku z listopadu 2009 dosahuje teplota nejsvětlejších míst (žlutá) až 180 K. Zdroj: NASA.

Tygří pruhy lemuje tmavší materiál, který má o 10 % nižší albedo než zbytek povrchu. Kontrast mezi odrazivostí „Tygřích pruhů“ a pláněmi mezi nimi je největší, jaký lze na povrchu pozorovat, v odrazivosti jde o téměř 20 %. Tyto vlastnosti zřejmě přímo souvisejí s vyvrhováním a následným spadem částic zpět na povrch. Zbytek Enceladu je převážně pokryt jemně zrnitým regolitem, který vznikl rozrušováním vysokorychlostními částicemi pocházejícími z prstence E, nebo redistribucí (naprašováním) částic. Jižní oblast regolitem pokryta není, povrch je zde tedy mladý, velmi pravděpodobně v nedávné době prošel termální přeměnou.

Enceladus plující v prstenci E. Snímek pořízený 15. září 2006 ze vzdálenosti
2,1 miliónů km. Zdroj NASA/JPL.

Na Enceladu se nacházejí oblasti s různou hustotou kráterů. To je nejspíše způsobeno přetrvávající geologickou aktivitou. Nejnižší hustota kráterů byla naměřena kolem „Tygřích pruhů“. Lze tam najít pouze několik kráterů, ne větších než 1 km. Dle charakteru a počtu kráterů na celém povrchu bylo odhadnuto, že měsíc prošel spíše několika jednotlivými obdobími geologické aktivity, oddělenými mnohem delšími obdobími klidu, nežli jedním spojitým dějem. Absolutní stáří terénu se odhaduje na cca 4 miliardy roků, avšak jižní oblast je určitě mladší než 500 000 roků.

Nejnovější pozorování a měření umožnila mnohem lépe odhadnout hustotu tělesa, a tím i radiogenní ohřev . Probíhá v mnohem větším rozsahu, než bylo předpokládáno. Vnitřek Enceladu je teplý a pravděpodobně stále geologicky aktivní. Standardní sféricky symetrické termální modely se tak na nitro Enceladu aplikovat nedají. Nedokáží vysvětlit anomální teplotu jižní polární oblasti. Podpovrchová struktura Enceladu je pravděpodobně velmi nerovnoměrná.

Tvar dráhy měsíce by mohl být klíčem k otázce ohřevu, pokud by jeho zdrojem byly slapové síly. V souladu s matematickým modelováním se oběžná dráha Enceladu nemohla v minulosti lišit o více než 5 % od současné dráhy. Tím padl další možný mechanismus jeho zahřívání. Simulace ukazují, že za ohřev by mohla být zodpovědná spin-orbitální librace . Pátrání po současné libraci bylo realizováno 1 375 měřeními 190 kontrolních bodů ve 129 snímcích, které zaznamenaly více jak polovinu oběžné dráhy. Nakonec ale žádná librace detekována nebyla.

Zbývají dva možné slapové mechanismy zahřívání. První možnost je způsobena excentricitou dráhy a rezonancí s měsícem Dione v poměru 2:1. Množství tepla takto získané však není dostatečné k tání povrchového materiálu. I proto se neustále uvažuje o přítomnosti amoniaku, který by snížil teplotu tání, i když dosud detekován nebyl. Druhou možností je ohřev pomocí sekundární rezonance mezi vychylováním osy rotace (librací) a samotnou rotací tělesa, který mohl probíhat alespoň v minulosti. Pokud byl někdy Enceladus v sekundární rezonanci, je potřeba najít způsob, jak se mohl do tohoto stavu dostat a proč v něm není i v současnosti. Nabízí se možnost, že dopad většího tělesa způsobil vychýlení Enceladu a Enceladus se tímto impulzem dostal do potřebné rezonance.

Gejzíry z jižní polární oblasti. Snímek z 23. 2. 2010. Zdroj: NASA/JPL.

Snímky sondy Cassini odhalily mnoho oddělených výtrysků vycházejících z povrchu z různých směrů, dosahujících výšky až 435 km. Zdroj výtrysků odpovídá regionu Tygřích pruhů. Měření jasu a tedy hustoty sloupce částic odtud tryskajících bylo provedeno ze snímků pořízených v listopadu 2009 nad jižní polární oblastí. Cílem bylo určit hustotu částic v závislosti na výšce a také množství unikajících částic. Buď je zdrojem gejzírů sublimace ledu, nebo by se pod povrchem mohl nacházet geotermální rezervoár vody. Výtrysky obsahují velké množství ledových částic. Poměr plynu a ledu v gejzírech je v rozporu s první teorií. Naopak podporuje druhou možnost. Vroucí tekutina může produkovat mrak plynu a ledu, pokud jsou kapičky vody unášeny parami z gejzírů a následnou expanzí zmrznou v ledové částice. To by znamenalo, že na Enceladu existuje pod ledovou krustou voda v tekutém stavu. Jelikož byly v gejzírech detekovány i jednoduché organické sloučeniny, nabízí se možnost vzniku těchto částic biologickou cestou. Při hledání mimozemského života se však opíráme o znalosti životních pochodů na Zemi. A s těmito poznatky se mohou mimozemské formy rozcházet v mnohém.

Enceladus patří mezi pouhá čtyři tělesa ve Sluneční soustavě, o kterých nyní víme, že jsou stále ještě geologicky aktivní. Dalšími jsou naše Země , Jupiterův měsíc Io a Neptunův měsíc Triton. Zároveň se řadí mezi tělesa ve Sluneční soustavě, která jsou žhavými kandidáty pro možnou existenci nezemských forem života. Nejznámějšími jsou, kromě Země, planeta Mars a Jupiterův měsíc Europa. V blízké budoucnosti uskuteční sonda Cassini další průzkum. Určitě se máme ještě hodně na co těšit.

Zdroje:

1. NASA/JPL: Cassini equinox mission

2. C. C. Porco et al.: Cassini Observes the Active South Pole of Enceladus, Science 311, 1393 (2006)

3. B. Giese et al.: Enceladus: An estimate of heat flux and lithospheric thickness from flexurally supported topography, Geophysical Research Letters, vol. 35 (2008)

4. C. P. McKay et al.: The Possible Origin and Persistence of Life on Enceladus and Detection of Biomarkers in the Plume, Astrobiology,Volume 8, Number 5 (2008)

5. C. C. Porco et al.: The Restless Encel – Wrinkled landscapes and spounting jets on Saturn`s sixth-largest moon hint at underground waters, Scientific American (2008)

6. Th. Roatsch et al.: High-resolution Enceladus atlas derived from Cassini-ISS images, Planetary and Space Science 56 (2008)