Enceladus'un gizli okyanusundan kalan su, natron kristallerinin içinde saklanabilir

Satürn'ün buzlu uydusu Enceladus'un yüzeyinde bir gün tuz kristali bulunursa, o kristalin içinde uydunun gizli okyanusundan kalma bir damla su saklı olabilir. Birleşik Krallık'ın ulusal sinkrotron tesisi Diamond Light Source'taki araştırmacılar, Enceladus'a benzetilmiş tuzlu bir çözeltiyi dondururken oluşan natron (sulu sodyum karbonat) kristallerinin içinde küçük sıvı cepleri hapsolduğunu gözlemledi. Communications Earth & Environment dergisinde yayımlanan çalışmayı Diamond 17 Ekim'de duyurdu.

Ekibe göre bu, donma sıcaklıklarında oluşan bir tuz mineralinin içinde sıvı kapanımının, numune bozulmadan görüntülendiği ilk gözlem. Sonuç küçük bir laboratuvar ayrıntısı gibi görünse de Enceladus'a gidecek gelecekteki görevlerin nereye bakacağını ve hangi aleti taşıyacağını doğrudan ilgilendiriyor.

Enceladus neden bu kadar önemli?

Yaklaşık 500 kilometre çaplı Enceladus, güney kutbundaki çatlaklardan uzaya su buharı ve buz taneleri püskürtüyor. NASA'nın Cassini aracının yıllarca topladığı veriler, bu malzemenin buz kabuğunun altındaki küresel bir okyanustan geldiğini gösterdi. Püskürmelerde tuzlar, uçucu gazlar ve yaşam kimyası için gereken altı temel element (karbon, hidrojen, azot, oksijen, fosfor ve kükürt) saptandı. Makalenin yazarlarının hatırlattığı gibi Enceladus bu nedenle hem NASA'nın büyük bütçeli amiral (flagship) sınıfı görevleri hem de Avrupa Uzay Ajansı'nın L4 sınıfı büyük görevi için öncelikli hedef.

Sorun şu: Okyanus en iyimser tahminle bile birkaç kilometrelik buzun altında. Ona doğrudan ulaşmak yakın gelecekte mümkün görünmüyor. Bu yüzden bilim insanları okyanusu, yüzeye ya da püskürmelere taşınan malzemeden okumaya çalışıyor. Yüzey sıcaklığı 75 kelvinden (yaklaşık eksi 198 °C) püskürme kaynaklarının yakınında 223 kelvine (eksi 50 °C) kadar değiştiği için okyanustan gelen her iz büyük ihtimalle donmuş, katı bir mineralin içinde duruyor. O minerallerin nasıl oluştuğunu anlamak, okyanusun kimyasını geriye doğru çözmenin anahtarı.

Deney: Çift ışınla canlı izlenen donma

Araştırmacılar Enceladus okyanusunun ana bileşenleri olan sodyum klorür ve sodyum karbonatı içeren bir çözelti hazırladı. Çözeltideki klorür-karbonat oranı Cassini'nin püskürmelerde ölçtüğüne yakın tutuldu, ancak kristalleşmeyi daha kolay izleyebilmek için toplam tuz yoğunluğu püskürme verilerinden çıkarılan tahminin yaklaşık beş katına çıkarıldı.

Numune, Diamond'daki DIAD (K11) ışın hattında 268 kelvinden 205 kelvine (yaklaşık eksi 5 °C'den eksi 68 °C'ye) dakikada 6 derece hızla soğutuldu. Bu ışın hattının özelliği, birbirinden bağımsız iki X ışını demetiyle aynı numuneden eş zamanlı olarak hem üç boyutlu görüntü (mikrotomografi) hem de kristal yapısını belirleyen kırınım verisi alabilmesi. Böylece ekip, hangi kristalin ne zaman ve nerede oluştuğunu numuneyi kesip bozmadan izleyebildi.

Donmuş numunenin hacminin yüzde 75'ini buz, yüzde 21'ini tek tek natron kristalleri, yüzde 4'ünü ise buz, natron ve hidrohalit (sulu sodyum klorür) karışımından oluşan, donmuş tuzlu su ağı oluşturdu. Görüntüler önemli bir sıralamayı da ortaya koydu: Büyük natron kristalleri buz oluşmaya başlamadan önce çözeltide serbestçe büyüdü, ardından ilerleyen buz tarafından sarılıp yerinde kilitlendi. Natron, karbonat tuzlarının düşük sıcaklıkta zor çözünmesi nedeniyle donma sırasında ilk ayrışan minerallerden biri.

Kristallerin içindeki sıvı cepleri

Asıl bulgu natron kristallerinin içinde çıktı. Kristaller büyürken çevrelerindeki çözeltiden küçük cepleri içlerine hapsetmişti. Jeolojide sıvı kapanımı denen bu cepler, kristal oluştuğu andaki sıvının bir örneğini saklar.

Ekibin birbirinden ayırabildiği 3.779 tuz tanesinin yalnız yüzde 3'ünde sıvı kapanımı vardı. Ancak oran tane büyüdükçe hızla arttı: 0,0001 milimetreküpten büyük tanelerin yüzde 58'inde, 0,001 milimetreküpten büyük 29 tanenin ise hepsinde sıvı cebi bulundu. Ölçülen en uzun natron kristali 485 mikrometreye ulaşıyordu. Yazarlar bu ilişkinin bir sınırına da dikkat çekiyor: Görüntülenen hacimde büyük kristal sayısı az olduğu için tane boyu ile kapanım arasındaki bağ, örneklemin dağılımından da etkileniyor.

Neden yaşam arayışını ilgilendiriyor?

Dünya'da tuz kristallerindeki sıvı kapanımları iyi tanınan bir arşiv. Kaya tuzu (halit) içindeki ceplerden geçmiş okyanusların kimyası yeniden kurulabiliyor; bazı tuz yataklarının kapanımlarında organik izler, hatta canlı kalabilmiş mikroorganizmalar bulundu. Makaleye göre Enceladus okyanusunda mikrobik yaşam varsa, natronun kristalleşmesi bu yaşamı ya da kimyasal izini aynı biçimde hapsedebilir. Yazarlar soğuk ortamda oluşan tuzlarda mikropların korunup korunmadığını inceleyen bir çalışma bulunmadığını da açıkça belirtiyor; yani bu şimdilik bir olasılık, gözlenmiş bir sonuç değil.

Natronun koruyucu olabileceğine dair fiziksel gerekçeler de var. Natronun yoğunluğu santimetreküpte 1,46 gram; çok soğuk buzunkiyse 0,93 gram civarında. Daha yoğun mineral, uzaydan gelen enerjik parçacıkların verdiği hasarı azaltabilir. Tuzların buhar basıncı da buzdan düşük olduğu için boşlukta daha kararlı kalıyorlar.

Bu çalışma, Cassini verilerinden yola çıkan önceki laboratuvar araştırmalarını tamamlıyor. Enceladus'un buz tanelerinin okyanus suyunun nasıl donduğunu anlattığını gösteren çalışmayı daha önce ele almıştık. Dünya'daki tuzlu ortamların uzayda yaşam arayışına nasıl ipucu verdiğine dair bir örnek de Kızıldeniz'in dibindeki kurumuş tuzlu havuz.

Gelecekteki görevler için öneriler

Araştırmacılar bulgulardan iki pratik sonuç çıkarıyor. Birincisi, Enceladus'a gidecek bir aracın yüzeydeki natronu uzaktan tanıyabilmesi gerekiyor. Cassini, püskürmelerde sodyum, klorür ve karbonat türlerini ölçtü; ama yüzeyde karbonat ya da klorür tuzu henüz saptanmadı. Makaleye göre bunun nedeni, Cassini'nin görünür ve kızılötesi haritalama spektrometresi VIMS'in yüzeydeki tuz miktarını belirleyecek kadar yüksek sinyal kalitesine sahip olmaması. Yazarlar natronun izini kızılötesinde arayabilecek duyarlı aletler öneriyor.

İkincisi, numune alınacak yer. Natron kristallerinin boyu, onları taşıyan donmuş damlacığın boyuyla sınırlı. Cassini'nin saptadığı püskürme parçacıklarının çoğu mikrometre ve altı boyuttaydı; ancak aracın en alçak geçişi bile 25 kilometre yükseklikteydi ve kütle çekimi büyük taneleri o irtifaya ulaşmadan geri çekiyordu. Modeller, püskürme ağızlarının yakınında 2 milimetreye kadar parçacıkların fırlatılabileceğini gösteriyor. Bu yüzden ekip, büyük ve kapanım taşıma olasılığı yüksek natron kristallerini ağızların çevresindeki taze birikintilerde aramayı öneriyor.

Taze olması da önemli. Cüce gezegen Ceres için yapılan hesaplara göre natron 200 kelvinin üzerindeki sıcaklıklarda altı gün içinde suyunu kaybederken 120 kelvinin altında yaklaşık 300 yıl kararlı kalabiliyor. Enceladus'taki ağızların çevresinin 140 kelvin civarında olduğu düşünülüyor, ama bu tahmin yüzey özelliklerine dair varsayımlara bağlı. Yazarlara göre ağızların yakınında natron bulunursa, büyük olasılıkla yakın zamanda birikmiş olacağı için incelenmeye değer.

Açık sorular

Deneyin bazı sınırları var. Kullanılan çözelti, Enceladus okyanusu için yapılan tahminlerden yaklaşık beş kat daha tuzlu. Yazarlar daha seyreltik bir okyanusta da kapanımların oluşmasını, ama çökelen tuz miktarı azalacağı için daha seyrek olmasını bekliyor. Kapanımlar görüntüleme çözünürlüğünün sınırında olduğundan içlerindeki sıvının donması doğrudan izlenemedi. Ayrıca natronun gerçekten Enceladus yüzeyinde bulunduğu henüz kanıtlanmış değil; şimdilik kimyasal hesapların ve laboratuvar deneylerinin öngördüğü bir mineral.

Yine de çalışma, buzlu uydularda yaşam arayışına somut bir hedef ekliyor: Okyanusun kendisine ulaşılamıyorsa, ondan kopup yüzeye düşen bir tuz kristalinin içine bakmak gerekebilir. Karbonat tuzlarının Bennu, Ryugu, Ceres ve Uranüs'ün uydusu Ariel gibi pek çok buzlu ya da sulu geçmişe sahip cisimde saptandığı düşünülürse, aynı fikir Enceladus'un ötesinde de işe yarayabilir.