Поверхность луны Урана Ариэль покрыта значительным количеством льда из углекислого газа, особенно на её «обратном полушарии», которое всегда обращено в сторону, противоположную направлению орбитального движения луны. Этот факт вызывает удивление, поскольку даже в холодных пределах системы Урана — в 20 раз дальше от Солнца, чем Земля — углекислый газ легко превращается в газ и теряется в космосе.
Учёные выдвинули теорию, что что-то поставляет углекислый газ на поверхность спутника. Некоторые поддерживают идею о том, что взаимодействие между поверхностью луны и заряженными частицами в магнитосфере Урана создаёт углекислый газ посредством процесса, называемого радиолизом, в котором молекулы разрушаются ионизирующим излучением.
Однако новое исследование, опубликованное 24 июля в The Astrophysical Journal Letters, склоняет чашу весов в пользу альтернативной теории — о том, что углекислый газ и другие молекулы появляются изнутри, возможно, даже из подповерхностного жидкого океана.
Используя космический телескоп «Джеймс Уэбб» для сбора химических спектров луны, а затем сравнивая их со спектрами моделируемых химических смесей в лаборатории, исследовательская группа под руководством Ричарда Картрайта из Лаборатории прикладной физики Джонса Хопкинса (APL) в Лореле (штат Мэриленд), обнаружила, что Ариэль имеет одни из самых богатых углекислым газом отложений в Солнечной системе, общая толщина которых на «обратном полушарии» луны составляет примерно 10 миллиметров или более. Среди этих отложений было ещё одно загадочное открытие: первые чёткие сигналы окиси углерода.
«Его просто не должно быть там. Нужно опуститься до 30 кельвинов [-405 градусов по Фаренгейту], чтобы оксид углерода стабилизировался», — сказал Картрайт. Температура поверхности спутника, тем временем, в среднем на 65 градусов по Фаренгейту выше. Радиолиз всё ещё может быть ответственным за часть этого пополнения, добавил он. Лабораторные эксперименты показали, что радиационная бомбардировка водяного льда, смешанного с богатым углеродом материалом, может производить как углекислый газ, так и оксид углерода. Таким образом, радиолиз может обеспечить источник пополнения и объяснить богатое изобилие обеих молекул на «обратном полушарии» Ариэля.
Но остаётся много вопросов о магнитосфере Урана и степени её взаимодействия со спутниками планеты. Даже во время пролёта «Вояджера-2» около 40 лет назад учёные подозревали, что такие взаимодействия могут быть ограниченными, поскольку ось магнитного поля Урана и плоскость орбиты его спутников смещены друг относительно друга примерно на 58 градусов. Последние модели подтвердили это предсказание.
Вместо этого основная часть оксидов углерода может образовываться в результате химических процессов, которые происходили (или все еще происходят) в водном океане под ледяной поверхностью Ариэля, высвобождаясь либо через трещины в ледяной оболочке спутника, либо, возможно, даже через извержения.
Более того, новые спектральные наблюдения указывают на то, что поверхность спутника может также содержать карбонатные минералы — соли, которые могут образовываться только при взаимодействии жидкой воды с горными породами.
«Если наша интерпретация этой карбонатной особенности верна, то это довольно значимый результат, поскольку это означает, что она должна была сформироваться внутри. Это то, что нам абсолютно необходимо подтвердить, с помощью будущих наблюдений, моделирования или какой-то комбинации методов», — сказал Картрайт.
Поскольку поверхность Ариэля покрыта каньонами, перекрещивающимися бороздами и гладкими пятнами, которые, как полагают, являются результатом криовулканических разливов, исследователи уже заподозрили, что луна была или всё ещё может быть активной. Исследование 2023 года под руководством Яна Коэна из APL даже предположило, что Ариэль или его сестра-луна Миранда могут выбрасывать материал в магнитосферу Урана, в том числе, возможно, через шлейфы.
«Все эти идеи подчёркивают, насколько привлекательна система Урана. Независимо от того, хотим ли мы разгадать, как образовалась Солнечная система, лучше понять сложную магнитосферу планеты или определить, являются ли эти луны потенциальными океаническими мирами, многие из нас в планетарном научном сообществе с нетерпением ждут будущей миссии по исследованию Урана», — сказал Коэн.
В 2023 году в рамках своего десятилетнего обзора «Планетарная наука и астробиология» планетарное научное сообщество определило приоритетность первой специальной миссии к Урану, вселив надежду на то, что научное путешествие к бирюзовому ледяному гиганту не за горами.
Картрайт рассматривает это как возможность собрать ценные данные о ледяных гигантах Солнечной системы и их потенциально океанских лунах, которые могут быть полезны для изучения новых планет, открываемых в других звёздных системах.
Но это также шанс наконец получить конкретные ответы, которые возможны только при нахождении в системе. Например, большинство наблюдаемых канавок Ариэля находятся на его обратной стороне. Если углекислый газ и окись углерода каким-то образом просачиваются через эти канавки, то это может дать альтернативное объяснение того, почему их гораздо больше именно на обратной стороне.
