Жизни на Европе, скорее всего, нет: отсутствие землетрясений делает океан спутника стерильным

Спутник Юпитера Европа в современных программах по поиску внеземной жизни рассматривается в первую очередь. Основанием для научного интереса служит наличие подтвержденного глобального подледного океана, находящегося в прямом контакте с каменистой мантией спутника. Согласно преобладающей в последние десятилетия научной гипотезе, на границе раздела «вода — горная порода» должны протекать активные геохимические процессы, обеспечивающие гипотетическую биосферу энергией и необходимыми химическими элементами.

Однако новое исследование, опубликованное в научном журнале Nature Communications коллективом авторов под руководством Пола К. Бирна, ставит под сомнение возможность существования активной геологической системы на дне океана Европы в современную эпоху. Используя методы численного моделирования, ученые проанализировали механическое состояние литосферы (твердой оболочки) спутника. Их вывод состоит в том, что внешние и внутренние физические силы недостаточны для поддержания тектонической активности. Отсутствие разломов и обновления поверхности дна может означать, что океан Европы находится в состоянии химического равновесия, что критически ограничивает его потенциал для поддержания жизни.

Роль геологии в поддержании жизни

Оценка потенциальной обитаемости небесных тел базируется на наличии трех компонентов: жидкой воды, химических строительных блоков (углерод, азот и др.) и источника энергии. Для подледных океанов, изолированных от солнечного света ледяным панцирем толщиной в десятки километров, единственным доступным источником энергии являются химические реакции.

В условиях Земли основным механизмом генерации такой энергии выступает взаимодействие морской воды с горячими породами мантии. Этот процесс, известный как серпентинизация, представляет собой реакцию воды с богатыми железом и магнием минералами. В ходе реакции выделяется тепло, а также молекулярный водород и метан. Эти соединения служат основой метаболизма для микроорганизмов, не зависящих от солнечного света.

Очень важным условием для поддержания этого процесса на протяжении миллиардов лет является постоянное обновление поверхности морского дна. Вода должна иметь доступ к неизмененным, «свежим» породам. На Земле это обеспечивается тектоникой плит и вулканической активностью: кора постоянно раскалывается, образуются новые разломы, и свежие слои мантии вступают в контакт с водой. В отсутствие механического обновления породы быстро покрываются слоем продуктов реакции, доступ воды к реагентам прекращается, и выделение энергии останавливается.

Анализ механических напряжений

Группа исследователей поставила задачу определить, способны ли действующие на Европу физические силы разрушить горные породы морского дна и создать условия для циркуляции воды. Для этого была построена геомеханическая модель, учитывающая свойства горных пород, глубину океана (около 100 км), толщину ледяного панциря и гравитационные параметры спутника.

В расчетах использовались критерии механики разрушения твердых тел. Ученые вычислили предел прочности пород дна на разной глубине и сравнили его с величиной напряжений, возникающих под действием трех основных факторов:

1. Приливное воздействие. Гравитация Юпитера деформирует спутник при его движении по орбите, создавая внутреннее трение и напряжения.
2. Глобальное сжатие. Постепенное остывание недр спутника приводит к уменьшению его объема, что теоретически должно вызывать сжатие коры.
3. Мантийная конвекция. Движение вязкого вещества в недрах мантии, которое может передавать механическое напряжение на поверхность дна.

Результаты моделирования: дефицит силы

Результаты анализа показали существенное расхождение между прочностью литосферы Европы и величиной действующих на нее сил.

С увеличением глубины под дном океана возрастает литостатическое давление — давление веса вышележащих пород. Это давление уплотняет породу, закрывая трещины и увеличивая силу трения. Следовательно, для образования нового разлома или сдвига по старой трещине требуется приложить значительное усилие.

Согласно расчетам, для инициирования сдвига горных пород на глубине всего 100 метров под уровнем дна требуется дифференциальное (сдвиговое) напряжение около 2,1 мегапаскалей (МПа). На глубине 1000 метров это значение возрастает до 2,6-3,5 МПа.

В то же время, расчеты показали, что максимальное напряжение, генерируемое приливными силами Юпитера на уровне дна океана, составляет всего около 0,054 МПа (54 килопаскаля). Это значение в 40-50 раз ниже порога, необходимого для разрушения пород.

Это означает, что гравитационное воздействие Юпитера, которое успешно деформирует ледяную кору на поверхности Европы (образуя видимые трещины и хребты), практически не оказывает влияния на каменное дно океана. Глубокий океан действует как буфер, механически развязывающий ледяную оболочку и твердое ядро.

Невозможность тектоники и конвекции

Исследователи также оценили возможность разрушения коры за счет внутренних процессов мантии.

На Земле существует тектоника плит — движение крупных блоков литосферы. Моделирование для Европы показывает, что ее мантия, вероятнее всего, функционирует в режиме так называемой «застойной крышки». В этом режиме внешняя твердая оболочка планеты остается неподвижной и не участвует в циркуляции вещества.

Расчеты демонстрируют, что даже при оптимистичных сценариях конвекция (движение тепла и вещества) в мантии Европы создает напряжения не более 0,15 МПа. Этого также недостаточно для преодоления прочности литосферы. Таким образом, механизм, аналогичный земным срединно-океаническим хребтам, на Европе функционировать не может.

Ограничение проницаемости пород

В отсутствие активных разломов взаимодействие воды и породы определяется проницаемостью дна — способностью воды просачиваться через поры и микротрещины. Здесь ключевую роль играет гравитация.

Авторы исследования проводят сравнение с Энцеладом, спутником Сатурна, где достоверно зафиксирована гидротермальная активность. Энцелад имеет малую массу и низкую гравитацию. Это позволяет породам его ядра оставаться рыхлыми и пористыми на большую глубину, обеспечивая сквозную циркуляцию воды.

Европа значительно массивнее, и сила тяжести на ней выше. Под действием собственного веса поры и трещины в породах дна эффективно закрываются на глубине уже нескольких сотен метров. Это ограничивает зону возможного проникновения воды очень тонким поверхностным слоем. Учитывая возраст спутника (более 4 миллиардов лет), этот слой, вероятнее всего, уже полностью прореагировал с водой. Химический потенциал реакции исчерпан, а доступ к глубинным, неизмененным породам заблокирован высоким давлением.

Альтернативные источники и выводы

Единственным постоянным источником энергии в таких условиях остается радиолиз. Это процесс расщепления молекул воды под действием ионизирующего излучения, возникающего при распаде радиоактивных изотопов (калия, урана, тория) в породах дна. Радиолиз способен генерировать водород и кислород, но плотность потока энергии от этого процесса несопоставимо ниже, чем от вулканической или тектонической активности. Биосфера, основанная исключительно на радиолизе, была бы крайне ограничена в ресурсах.

Итоговые выводы исследования:

1. Механическая стабильность: литосфера дна океана Европы в настоящее время слишком прочна, чтобы разрушаться под действием приливов или внутренней конвекции.
2. Отсутствие обновления: без тектонических разломов не происходит обнажения свежих пород, что останавливает ключевые химические реакции (серпентинизацию).
3. Химическое равновесие: океан Европы, вероятно, находится в состоянии термодинамического равновесия с породами дна. Это означает отсутствие свободной химической энергии, необходимой для возникновения и поддержания жизни.

Эти результаты важны для планирования будущих миссий, таких как Europa Clipper (NASA). Если инструменты аппарата не обнаружат в выбросах спутника признаков активной геохимии (например, определенных концентраций водорода или частиц кремнезема), это станет подтверждением модели геологически мертвого дна. Исследование Пола Бирна показывает, что наличие жидкой воды является необходимым, но не достаточным условием обитаемости: критически важным фактором остается геологическая активность небесного тела.

Источник:Nature Communications