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8.2D : L'océan possible d'Europe - Biologie

8.2D : L'océan possible d'Europe - Biologie


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Objectifs d'apprentissage

  • Décrire les preuves des océans sur Europa et les implications pour la vie

Europe, découverte en 1610 par Galileo Galilei, est l'une des quatre lunes de Jupiter (appelées les lunes galiléennes). Europe est recouverte d'une couche d'eau/glace. Il est fascinant de noter que bien qu'Europe maintienne une température constante d'environ -145 degrés Celsius, l'eau à sa surface n'est pas complètement gelée (appelée eau liquide).

Europa a un échauffement de marée qui se développe à partir de la friction due à son orbite excentrique autour de Jupiter. En d'autres termes, de la même manière que les marées entrant et sortant sur Terre en raison de l'attraction gravitationnelle de la lune, les marées sur Europe sont affectées en raison de son orbite autour de Jupiter et peut-être aussi de sa résonance orbitale avec d'autres lunes galiléennes. L'attraction gravitationnelle de la planète est plus forte du côté proche que du côté lointain, créant des renflements de marée qui peuvent fissurer la surface de la croûte glacée et chauffer l'intérieur. Il a également été proposé que les volcans situés profondément sous la surface de la lune contiennent des cheminées hydrothermales qui chauffent et maintiennent l'eau liquide.

Les scientifiques proposent que la surface lisse d'Europe, avec très peu de cratères, soit le résultat de la glace recouvrant un océan qui égalise la surface. À l'origine, il y avait des hypothèses selon lesquelles la combustion de l'atmosphère ou l'altération des cratères étaient à l'origine de la surface lisse d'Europe, mais ces idées ont été rejetées en raison de la mince atmosphère d'Europe. De plus, certaines parties de la surface de la lune présentent des blocs de glace séparés mais qui semblent s'emboîter comme un puzzle. Ces icebergs pourraient avoir été déplacés par de la neige fondue ou de l'eau liquide en dessous. Les crêtes du paysage d'Europe suggèrent que l'eau existante s'infiltre dans les fissures de la glace, se regelant, puis formant des crêtes de plus en plus hautes.

Les géologues ont analysé les images prises lors des expéditions Voyager et Galileo et ont proposé deux modèles possibles pour la surface de cette lune : le modèle de glace épaisse et le modèle de glace mince. Le modèle de glace épaisse fait référence aux grands cratères d'Europe et à leurs anneaux concentriques environnants. Ces anneaux sont remplis de ce qui semble être de la glace plate et fraîche. En raison de ces observations et hypothèses, combinées à la quantité calculée de chaleur présente à la surface de la lune, la croûte extérieure de glace solide aurait une épaisseur d'environ 6 à 19 milles et l'eau liquide en dessous aurait une profondeur d'environ 60 milles. Le modèle de glace mince, qui n'est pas largement soutenu par les scientifiques, propose que la croûte de glace n'aurait qu'environ 660 pieds d'épaisseur. D'autres scientifiques suggèrent que cette couche est simplement la couche la plus externe qui change constamment en raison des marées d'Europe. Actuellement, il existe peu de preuves pour soutenir ce modèle.

Points clés

  • Europe est recouverte d'une couche de glace liquide même si elle maintient une température constante d'environ -145 degrés Celsius.
  • Europ, a un réchauffement de marée qui se développe à partir de la friction en raison de son orbite excentrique autour de Jupiter et de sa relation avec les autres lunes de Jupiter (connues sous le nom de lunes galiléennes).
  • Il a également été proposé que les volcans situés profondément sous la surface de la lune contiennent des cheminées hydrothermales qui chauffent et maintiennent l'eau liquide.
  • Les scientifiques proposent que la surface lisse d'Europe, avec très peu de cratères, doit être le résultat de la glace recouvrant un océan qui égalise la surface.
  • Les géologues ont analysé des images prises lors des expéditions Voyager et Galileo et ont proposé deux modèles possibles pour la surface de cette lune, le modèle à glace épaisse et le modèle à glace mince. Le modèle de glace épaisse est plus largement détenu par les scientifiques et a plus de preuves pour le soutenir.
  • Le modèle de glace épaisse note les cratères d'Europe et leurs anneaux concentriques environnants, ce qui suggère que la croûte extérieure de glace aurait une épaisseur d'environ 6 à 19 milles et que l'eau liquide en dessous aurait une profondeur d'environ 60 milles. Le modèle de glace mince propose que la croûte de glace aurait une épaisseur d'environ 660 pieds.

Mots clés

  • Galilée: Galileo était un vaisseau spatial sans pilote de la NASA qui a étudié la planète Jupiter et ses lunes.
  • excentrique: pas au centre ou au centre ; pas parfaitement circulaire.
  • Cratère: Une fosse hémisphérique créée par l'impact d'une météorite ou d'un autre objet.

L'océan d'Europe pourrait avoir un équilibre chimique semblable à celui de la Terre

Une nouvelle étude de la NASA modélisant les conditions dans l'océan de la lune Europa de Jupiter suggère que l'équilibre nécessaire de l'énergie chimique pour la vie pourrait y exister, même si la lune manque d'activité hydrothermale volcanique.

On pense fortement qu'Europe cache un océan profond d'eau liquide salée sous sa coquille glacée. La question de savoir si la lune jovienne a les matières premières et l'énergie chimique dans les bonnes proportions pour soutenir la biologie est un sujet d'un intérêt scientifique intense. La réponse peut dépendre de la question de savoir si Europa a des environnements où les produits chimiques sont adaptés dans les bonnes proportions pour alimenter les processus biologiques. La vie sur Terre exploite de telles niches.

Dans une nouvelle étude, des scientifiques du Jet Propulsion Laboratory de la NASA, à Pasadena, en Californie, ont comparé le potentiel d'Europe à produire de l'hydrogène et de l'oxygène avec celui de la Terre, par le biais de processus qui n'impliquent pas directement le volcanisme. L'équilibre de ces deux éléments est un indicateur clé de l'énergie disponible pour la vie. L'étude a révélé que les quantités seraient comparables en échelle sur les deux mondes, la production d'oxygène étant environ 10 fois supérieure à la production d'hydrogène.

Le travail attire l'attention sur les façons dont l'intérieur rocheux d'Europe peut être beaucoup plus complexe et peut-être semblable à la terre que les gens ne le pensent généralement, selon Steve Vance, planétologue au JPL et auteur principal de l'étude. "Nous étudions un océan extraterrestre à l'aide de méthodes développées pour comprendre le mouvement de l'énergie et des nutriments dans les propres systèmes de la Terre. Le cycle de l'oxygène et de l'hydrogène dans l'océan d'Europe sera un moteur majeur de la chimie des océans d'Europe et de toute vie là-bas, tout comme sur Terre.

En fin de compte, Vance et ses collègues veulent également comprendre le cycle de la vie d'autres éléments majeurs dans l'océan : le carbone, l'azote, le phosphore et le soufre.

Dans le cadre de leur étude, les chercheurs ont calculé la quantité d'hydrogène qui pourrait potentiellement être produite dans l'océan d'Europe lorsque l'eau de mer réagit avec la roche, dans un processus appelé serpentinisation. Dans ce processus, l'eau s'infiltre dans les espaces entre les grains minéraux et réagit avec la roche pour former de nouveaux minéraux, libérant de l'hydrogène dans le processus. Les chercheurs ont examiné comment les fissures du fond marin d'Europe s'ouvriraient probablement au fil du temps, alors que l'intérieur rocheux de la lune continue de se refroidir après sa formation il y a des milliards d'années. De nouvelles fissures exposent la roche fraîche à l'eau de mer, où davantage de réactions productrices d'hydrogène peuvent avoir lieu.

Dans la croûte océanique de la Terre, on pense que de telles fractures pénètrent à une profondeur de 3 à 4 miles (5 à 6 kilomètres). Sur l'Europe actuelle, les chercheurs s'attendent à ce que l'eau puisse atteindre une profondeur de 25 kilomètres dans l'intérieur rocheux, entraînant ces réactions chimiques clés dans une fraction plus profonde du fond marin d'Europe.

L'autre moitié de l'équation d'énergie chimique pour la vie d'Europe serait fournie par des oxydants - l'oxygène et d'autres composés qui pourraient réagir avec l'hydrogène - étant recyclés dans l'océan européen à partir de la surface glacée au-dessus. Europe est baignée par le rayonnement de Jupiter, qui sépare les molécules de glace d'eau pour créer ces matériaux. Les scientifiques ont déduit que la surface d'Europe était en train de retourner à l'intérieur, ce qui pourrait transporter des oxydants dans l'océan.

"Les oxydants de la glace sont comme la borne positive d'une batterie, et les produits chimiques du fond marin, appelés réducteurs, sont comme la borne négative. Que la vie et les processus biologiques complètent ou non le circuit fait partie de ce qui motive notre exploration d'Europe », a déclaré Kevin Hand, un scientifique planétaire au JPL qui a co-écrit l'étude.

La lune jovienne rocheuse et voisine d'Europe, Io, est le corps le plus volcaniquement actif du système solaire, en raison de la chaleur produite par les effets d'étirement et de compression de la gravité de Jupiter lorsqu'elle orbite autour de la planète. Les scientifiques ont longtemps considéré qu'il était possible qu'Europe ait également une activité volcanique, ainsi que des cheminées hydrothermales, où de l'eau chaude chargée de minéraux émergerait du fond marin.

Selon Vance, les chercheurs ont précédemment supposé que le volcanisme était primordial pour créer un environnement habitable dans l'océan d'Europe. Si une telle activité ne se produit pas dans son intérieur rocheux, on pense que le grand flux d'oxydants de la surface rendrait l'océan trop acide et toxique pour la vie. "Mais en fait, si la roche est froide, elle se fracture plus facilement. Cela permet de produire une énorme quantité d'hydrogène par serpentinisation qui équilibrerait les oxydants dans un rapport comparable à celui des océans de la Terre », a-t-il déclaré.

Les résultats sont publiés en ligne cette semaine dans la revue Geophysical Research Letters.

La NASA formule actuellement une mission pour explorer Europe et étudier en profondeur si la lune glacée pourrait être habitable. Ce nouveau modèle fait partie d'un vaste ensemble de preuves qui guident le développement de la mission. Dans les années 2020, la NASA enverrait un vaisseau spatial hautement capable et tolérant aux radiations sur une longue orbite en boucle autour de Jupiter pour effectuer des survols rapprochés répétés d'Europe. Au cours de ces survols, la mission prendrait des images haute résolution, déterminerait la composition de la surface et de l'atmosphère faible de la lune glacée et étudierait sa coquille de glace, son océan et son intérieur.


Des chercheurs planétaires explorent l'habitabilité de l'océan d'Europe

Un duo de planétologues américains a calculé que l'eau de l'océan souterrain de la lune glacée Europa de Jupiter aurait pu être formée par la décomposition de minéraux contenant de l'eau en raison des forces de marée ou de la désintégration radioactive.

Concept d'artiste de l'océan sur la lune Europe de Jupiter. Crédit image : NASA/JPL-Caltech.

Le Dr Mohit Melwani Daswani et le Dr Steven Vance du Jet Propulsion Laboratory de la NASA ont modélisé des réservoirs géochimiques à l'intérieur d'Europe à l'aide des données de la mission Galileo de la NASA.

"Nous avons pu modéliser la composition et les propriétés physiques du noyau, de la couche de silicate et de l'océan", a déclaré le Dr Melwani Daswani.

"Nous constatons que différents minéraux perdent de l'eau et des substances volatiles à différentes profondeurs et températures."

"Nous avons additionné ces volatiles qui auraient été perdus de l'intérieur, et avons constaté qu'ils sont cohérents avec la masse prédite de l'océan actuel, ce qui signifie qu'ils sont probablement présents dans l'océan."

Les chercheurs ont découvert que des mondes océaniques tels qu'Europe peuvent être formés par métamorphisme : en d'autres termes, le réchauffement et l'augmentation de la pression provoqués par une décroissance radioactive précoce ou un mouvement de marée souterrain ultérieur provoqueraient la décomposition des minéraux contenant de l'eau et la libération de l'eau piégée.

Ils ont également découvert que cet océan aurait été à l'origine légèrement acide, avec des concentrations élevées de dioxyde de carbone, de calcium et de sulfate.

"En effet, on pensait que cet océan pourrait encore être plutôt sulfurique, mais nos simulations, couplées aux données du télescope spatial NASA/ESA Hubble, montrant du chlorure à la surface d'Europe, suggèrent que l'eau est très probablement devenue riche en chlorure", a déclaré le Dr Melwani. a dit Daswani.

« En d'autres termes, sa composition est devenue plus semblable à celle des océans sur Terre. Nous pensons que cet océan pourrait être tout à fait habitable à vie. »

"Nos modèles nous amènent à penser que les océans d'autres lunes, comme le voisin d'Europe, Ganymède, et la lune de Saturne Titan, peuvent également s'être formés par des processus similaires."

"Nous devons encore comprendre plusieurs points, tels que la façon dont les fluides migrent à travers l'intérieur rocheux d'Europe."


Un nouveau modèle montre que l'océan sur Europa "pourrait être habitable"

Conférence Goldschmidt

Un nouveau modèle de scientifiques de la NASA soutient la théorie selon laquelle l'océan intérieur de la lune Europa de Jupiter serait capable de maintenir la vie. En outre, ils ont calculé que cette eau, considérée comme un océan sous la coquille de glace de surface, pourrait avoir été formée par la décomposition de minéraux contenant de l'eau en raison des forces de marée ou de la désintégration radioactive. Ce travail, qui n'a pas encore été évalué par des pairs, est présenté pour la première fois lors de la conférence virtuelle Goldschmidt et pourrait avoir des implications pour d'autres lunes du système solaire.

Europe est l'une des plus grandes lunes du système solaire. Depuis les survols des vaisseaux spatiaux Voyager et Galileo, les scientifiques ont soutenu que la croûte de surface flotte sur un océan souterrain. Cependant, les origines et la composition de cet océan ne sont pas claires.

Les chercheurs, basés au Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie, ont modélisé des réservoirs géochimiques à l'intérieur d'Europe à l'aide des données de la mission Galileo.

"Nous avons pu modéliser la composition et les propriétés physiques du noyau, de la couche de silicate et de l'océan", a déclaré le chercheur principal Mohit Melwani Daswani. "Nous constatons que différents minéraux perdent de l'eau et des substances volatiles à différentes profondeurs et températures. Nous avons additionné ces substances volatiles qui auraient été perdues de l'intérieur et avons constaté qu'elles correspondent à la masse prédite par l'océan actuel, ce qui signifie qu'elles sont probablement présentes dans l'océan.

Les chercheurs ont découvert que des mondes océaniques tels qu'Europe peuvent être formés par métamorphisme : en d'autres termes, le réchauffement et l'augmentation de la pression provoqués par une décroissance radioactive précoce ou un mouvement de marée souterrain ultérieur entraîneraient la décomposition des minéraux contenant de l'eau et la libération des substances piégées. l'eau.

Ils ont également découvert que cet océan aurait été à l'origine légèrement acide, avec des concentrations élevées de dioxyde de carbone, de calcium et de sulfate. "En effet, on pensait que cet océan pourrait encore être plutôt sulfurique", a déclaré Daswani, "mais nos simulations, couplées aux données du télescope spatial Hubble, montrant du chlorure à la surface d'Europe, suggèrent que l'eau est très probablement devenue riche en chlorure. En d'autres termes, sa composition est devenue davantage celle des océans sur Terre. Nous pensons que cet océan pourrait être tout à fait habitable à vie."

Article connexe : Nouvelle technique pour trouver la vie sur Mars

Il a poursuivi: "L'Europe est l'une de nos meilleures chances de trouver de la vie dans notre système solaire. La mission Europa Clipper de la NASA sera lancée dans les prochaines années, et notre travail vise donc à préparer la mission, qui étudiera l'habitabilité d'Europe. Nos modèles nous amènent à penser que les océans d'autres lunes, comme la voisine d'Europe, Ganymède, et la lune de Saturne Titan, peuvent également s'être formés par des processus similaires. Cependant, nous devons encore comprendre plusieurs points, tels que la façon dont les fluides migrent à travers l'intérieur rocheux d'Europe.

Les chercheurs se sont maintenant associés à des groupes à Nantes et à Prague pour tenter d'identifier si les volcans du fond marin ont pu contribuer à l'évolution de l'eau riche en chlorure sur Europa. La NASA a récemment publié de nouvelles photos haute résolution d'Europe, montrant des sites d'exploration possibles pour tester ces résultats.

"Une question de longue date sur la question de savoir si un monde océanique masqué comme Europe pourrait être habitable se résume à savoir s'il peut soutenir un flux d'électrons qui pourrait fournir l'énergie nécessaire à la vie", a déclaré Steve Mojzsis, professeur de géologie à l'Université du Colorado qui n'était pas impliquée dans ce travail. "Ce qui reste incertain, c'est si de telles lunes glacées pourraient jamais générer suffisamment de chaleur pour faire fondre la roche. Une chimie intéressante a certainement lieu dans ces corps, mais quel flux fiable d'électrons pourrait être utilisé par la vie extraterrestre pour s'alimenter dans les profondeurs froides et sombres ? Un aspect clé qui rend un monde « habitable » est une capacité intrinsèque à maintenir ces déséquilibres chimiques. On peut soutenir que les lunes glacées n'ont pas cette capacité, cela doit donc être testé lors de toute future mission en Europe.

Avec un diamètre de 3 100 km, Europe est légèrement plus petite que la Lune terrestre. Alors qu'Europe orbite autour de Jupiter à environ 780 millions de km du Soleil, la température de surface ne dépasse jamais moins 160 degrés Celsius, la température de l'océan est encore inconnue. Galilée est crédité d'avoir découvert Europe, ainsi que trois plus grandes lunes de Jupiter, le 8 janvier 1610.

La conférence Goldschmidt remercie le NASA Jet Propulsion Laboratory pour sa coopération dans la production de ce matériel et l'utilisation de la photographie. Pour plus d'informations sur la mission Europa Clipper, voir https://europa. nasa. gouvernement/

La conférence Goldschmidt est la principale conférence mondiale de géochimie, organisée par la Geochemical Society et l'Association européenne de géochimie. Organisé chaque année, il couvre des sujets tels que le changement climatique, l'astrobiologie, le développement et les conditions planétaires et stellaires, la chimie des matériaux terrestres, la pollution, l'environnement sous-marin, les volcans et bien d'autres sujets. Pour 2020, le congrès prévu à Hawaï a été mis en ligne et se déroulera du 21 au 26 juin, voir https://goldschmidt. info/ 2020/ index. Les futurs congrès sont à Lyon, en France (2021) et le congrès reprogrammé à Hawaï (2022).


Europe : monde océanique

Les scientifiques pensent qu'il y a un océan dans la lune Europa de Jupiter. L'astrobiologiste de la NASA-JPL Kevin Hand explique pourquoi les scientifiques sont si enthousiasmés par le potentiel de ce monde recouvert de glace pour répondre à l'une des questions les plus profondes de l'humanité.

Transcription:

La recherche de la vie au-delà de la Terre commence par la compréhension de la vie sur notre planète natale.

Et cette histoire, l'histoire de la vie sur Terre, a peut-être commencé dans nos océans. Et c'est parce que, bien sûr, si nous avons appris quelque chose sur la vie sur Terre, c'est là où vous trouvez l'eau liquide que vous trouvez généralement la vie.

Et si je vous disais qu'il y a un océan au-delà de la Terre ? Un océan de notre système solaire qui existe depuis des milliards d'années. C'est un océan qui est peut-être dix fois plus profond que l'océan terrestre. C'est un océan qui est global et peut contenir deux à trois fois le volume de toute l'eau liquide sur terre. C'est un océan qui existe sous la coquille glacée de la lune Europe de Jupiter.

Alors, comment pensons-nous savoir que l'océan d'Europe existe ? Eh bien, c'est une combinaison d'utilisation de télescopes au sol et d'engins spatiaux qui ont survolé Europa et ont collecté des données sur la surface, sur la structure intérieure et sur le champ magnétique autour d'Europe. Et une combinaison de ces ensembles de données nous amène à un degré élevé de confiance que cet océan mondial d'eau liquide H2O est là aujourd'hui et qu'il l'a été pendant une grande partie de l'histoire du système solaire.

Nous pensions que pour qu'un monde soit habitable, vous deviez être à la bonne distance du soleil ou de toute autre étoile telle que vous puissiez avoir un océan d'eau liquide à la surface. Maintenant, avec la vie de l'eau liquide telle que nous la connaissons, elle a besoin de deux autres pierres clés. Le premier est les éléments constitutifs de la vie, ce que vous trouvez dans les roches, et le second est une forme d'énergie pour aider à alimenter la vie.

Et voici où Europa change vraiment la donne. C'est loin du soleil et pourtant il y a cet océan d'eau liquide, et la raison pour laquelle Europe a de l'eau liquide est parce qu'elle est en orbite autour de Jupiter et que le remorqueur et la traction des marées font qu'Europe fléchit de haut en bas et tout ça l'énergie marémotrice se transforme en énergie mécanique, qui se transforme en friction et en chaleur qui aide à maintenir cet océan d'eau liquide sous une coquille glacée.

En plus d'aider à maintenir l'eau liquide, nous pensons que l'énergie marémotrice peut également permettre à cet océan d'interagir avec les roches du fond marin d'Europe, et cela peut même donner lieu à des éléments tels que des bouches hydrothermales, qui pourraient aider à fournir, pas seulement les blocs de construction. pour la vie, mais aussi l'énergie pour la vie.

La question de savoir si la vie existe ou non au-delà de la Terre, la question de savoir si la biologie fonctionne ou non au-delà de notre planète natale, est l'une des questions les plus anciennes et encore sans réponse de l'humanité.

Et pour la première fois dans l'histoire de l'humanité, nous avons les outils, la technologie et la capacité pour potentiellement répondre à cette question. Et, nous savons où aller pour le trouver. Monde océanique de Jupiter Europe.


Comment les sels à la surface pourraient aider à modéliser l'océan d'Europe

Même si des missions sont prévues pour explorer la lune Europa de Jupiter, il est peu probable qu'elles échantillonnent les profondeurs de son océan potentiellement habitable. Ainsi, un nouvel article, publié dans la revue Icare, explique comment nous pouvons sonder ces eaux profondes à partir de leur expression à la surface.

Europe est l'une des 79 lunes de Jupiter et l'une des plus grandes lunes du système solaire. À l'intérieur d'Europe, sous des plaques de glace, l'eau liquide repose sur un noyau rocheux, semblable à la Terre, et l'interaction chimique entre l'eau et la roche pourrait faire d'Europe l'un des candidats les plus connus pour d'autres formes de vie dans notre système solaire.

La plupart de ce que nous savons sur la lune est dû à la mission Galileo de la NASA, qui a été lancée en 1989 et a trouvé des preuves des océans salés d'Europe. À ce jour, aucune mission n'a atterri sur la Lune.

Les modèles actuels, basés sur les interactions entre l'eau de l'océan et le noyau rocheux de la lune, prédisent que la chimie de l'océan est dominée par quatre espèces de composants ioniques (les ions étant des atomes et des molécules chargés électriquement) : sodium (Na ), chlorures (Cl - ) et les sulfates (SO4 2 ). Ces ions sont capables d'interagir les uns avec les autres, formant une gamme de composés. C'est la concentration relative de leurs composés résultants qui aide à déterminer si l'océan pourrait être habitable.

« À titre de comparaison, de nombreuses espèces prospèrent dans les océans légèrement salés de la Terre, alors que seules quelques espèces ont pu s'adapter à des environnements extrêmement salés comme la mer Morte », explique Mathieu Choukroun, planétologue au Jet Propulsion Laboratory de la NASA et qui parlait au nom des auteurs du Icare papier, dont il est co-auteur.

Organigrammes chimiques

Les chercheurs ont développé des organigrammes, modélisant l'abondance des différents composants selon divers scénarios, puis les ont testés en laboratoire. Ainsi, par exemple, une faible concentration d'ions magnésium (Mg 2+ ) sur la surface gelée indiquerait un océan acide, alors qu'un niveau élevé indiquerait des eaux alcalines. Cela limite le type de vie qui pourrait y exister.

Aussi, la présence de certaines combinaisons de composés à la surface pourrait indiquer l'origine d'autres composés. Par exemple, il ne serait pas possible que du chlorure de sodium et du sulfate de magnésium se forment ensemble pendant la congélation dans un mélange semblable à un océan – l'un se formerait, ou l'autre, selon la concentration. Si les deux étaient observés ensemble à la surface, cela impliquerait que l'un d'eux doit s'être formé à la surface. "Ce serait probablement le sulfate de magnésium, formé à partir du chlorure de magnésium congelé qui [était] plus tard soumis à l'implantation de soufre", explique Choukroun.

Il dit que les organigrammes sont la première étape vers un moyen pratique d'estimer les concentrations ioniques relatives dans l'eau sous la surface gelée d'Europe.

Objectifs pour Europa Clipper

Les futures missions prévues pourront chasser ces espèces ioniques via des instruments en orbite ou in-situ. La mission Europa Clipper, qui doit être lancée en 2023, étudiera la surface et l'intérieur d'Europa à travers une série de survols. Certains des instruments scientifiques embarqués pourront identifier ces composants en surface.

La NASA envisage également une mission d'atterrisseur Europa, dans le but d'envoyer une plate-forme scientifique à la surface de cette lune pour rechercher la vie passée et présente, et si Europa pourrait être habitable.

"Une mission d'atterrisseur Europa est en préparation, mais il n'y a actuellement aucun plan pour forer [dans la surface] jusqu'à l'océan", a déclaré Choukroun. "Ainsi, jusqu'à ce qu'une future mission, qu'il s'agisse d'un atterrisseur, d'un rover ou d'un sous-marin, soit capable d'atteindre directement l'océan, notre compréhension de la composition de l'océan ne se fera que par des mesures physiques indirectes."

Comme les auteurs l'écrivent dans leur article, "aussi excitantes que soient ces missions, elles ne pourront accéder et interroger que la surface proche… Notre capacité à court terme à caractériser les fluides océaniques sous-marins reposera sur leur expression sur la surface."

Mélanger les sels

Jeffrey Kargel, qui est chercheur associé principal à l'Université de l'Arizona aux États-Unis, affirme que l'article pourrait orienter certains aspects des futures recherches sur les océans d'Europe, et « servit à maintenir l'attention sur le fait que la composition de la surface et l'océan sont probablement liés. Cependant, il dit qu'une faiblesse majeure de la recherche est que les auteurs n'ont pas inclus de sels mixtes, tels que la bloedite, qui est un minéral de sulfate de magnésium et de sodium hydraté.

"Nous ne connaissons pas la température de l'océan, nous ne pouvons donc pas conclure que la température exclut de tels sels", explique Kargel. Ces sels correspondent étroitement aux spectres dans le proche infrarouge enregistrés lors de la mission Galileo, selon une étude publiée en 1999.

Dans l'article, les auteurs reconnaissent que leurs recherches n'examinent que quelques ions possibles. Choukroun dit que, "En fonction des résultats futurs des modèles géochimiques appliqués à Europe, nous affinerons cette liste d'espèces qui devraient être à la fois assez abondantes et importantes pour la biologie."

L'étude, « Insights into Europa’s ocean composition dérivée de son expression à la surface », a été publiée dans la revue Icare. Le travail a été financé en partie par l'élément de l'Institut d'astrobiologie de la NASA ( NAI ) du programme d'astrobiologie de la NASA.

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Alien Oceans – avec Kevin Hand

Rejoignez-nous dans une conversation entre le planétologue Kevin Hand et l'astrophysicien Neil deGrasse Tyson, à propos des “Alien Oceans”. Ce qui suit est une version abrégée de cette conversation du podcast “StarTalk“. Pour écouter l'épisode en entier, rendez-vous sur :https://www.startalkradio.net/show/cosmic-queries-alien-oceans/

NEIL : L'émission d'aujourd'hui est une StarTalk, édition de requêtes cosmiques sur La recherche de la vie dans l'univers. Donc, bien que j'aie une certaine expertise dans ce domaine, je n'ai rien de près de ce qui est nécessaire pour être l'expert dans ce domaine Requêtes cosmiques. Nous avons Kevin Hand, du Jet Propulsion Laboratory de Pasadena, en Californie, directeur du Ocean Worlds Lab. Bienvenue! Alors Kevin, vous venez de publier un livre intitulé “Alien Oceans”. C'est audacieux.

KÉVIN : Merci. Oui, c'est un sujet passionnant. Au moins, je suis passionné par ça. Et je suis ravi de le partager avec tout le monde.

Neil : Il y a un gros sous-titre, "La recherche de la vie dans les profondeurs de l'espace". Aimer. Par Princeton Press. Nous savons donc que cela va être en quelque sorte instructif sur le plan académique et, en plus, je viens de remarquer que votre pseudo Twitter est @Alienoceans. Qu'est-ce qui se passe avec ça?

KEVIN : C'est drôle la façon dont vous pouvez coordonner ces choses. Alors oui, je travaille sur le livre depuis longtemps et dans le livre, nous plongeons dans notre propre océan extraterrestre ici sur Terre, puis nous allons dans notre propre arrière-cour dans le système solaire et regardons les océans qui existent dans le système solaire extérieur qui pourrait abriter la vie.

NEIL : Alors, les océans extraterrestres, pourquoi ne pas chercher des extraterrestres dans des endroits autres que les océans ?

KEVIN: Eh bien, nous le sommes et nous devrions et j'espère que nous pourrons poursuivre toutes ces différentes dimensions à certains endroits lorsqu'il s'agit d'exploration. Mais ces lunes du système solaire extérieur, ces mondes comme Europe, Encelade et Titan, ce sont des mondes où l'eau liquide pourrait être aujourd'hui. Et bien sûr, si nous avons appris quelque chose de notre étude de la vie sur Terre, c'est que là où vous trouvez l'eau liquide, vous trouvez généralement la vie.

Et donc ces mondes sont des endroits incroyablement fascinants où aller. Et potentiellement non seulement trouver la vie, mais la vie qui est vivante aujourd'hui - la vie que nous pourrions étudier et comprendre sa biochimie fondamentale.

NEIL : Donc, vous utilisez une approche biaisée par la Terre pour la recherche de la vie ailleurs. Admet le.

KEVIN : Comme le disait Carl Sagan, vous savez, c'est un chauvin du carbone. Et c'est un point vraiment important.

NEIL : Mais attendez, c'est une chose d'être en carbone. Le carbone est une molécule assez fertile - un atome pour fabriquer toutes sortes de molécules. Mais vous allez au-delà de savoir si leur vie est faite de carbone. Vous affirmez également qu'il nécessite de l'eau liquide. Donc, vous n'êtes pas seulement un chauvin du carbone, vous êtes un chauvin de l'eau liquide.

KEVIN : C'est vrai. Et donc, dans le livre I, il y a tout un chapitre sur la spéculation sur un tableau périodique de la vie. Pourrait-il y avoir beaucoup de modalités différentes, différentes chimies, et cetera ? Mais il y a de bonnes raisons, au moins au début, de cibler notre recherche de vie basée sur l'eau et le carbone.

Et la raison en est que, bien sûr, nous devons scientifiquement formuler une hypothèse. Et donc sur la base de la vie sur Terre et de son fonctionnement, je peux, nous pouvons émettre l'hypothèse que si vous réunissez de l'eau liquide, du carbone et une poignée d'environ 53 autres éléments du tableau périodique, plus un peu d'énergie, et cetera, pour peut-être obtenir-

NEIL : Attends, attends, 53 ? Ce n'est pas une mince affaire. C'est la moitié des éléments.

KEVIN : Certains d'entre eux sont plus importants que d'autres. Je veux dire, c'est vraiment du carbone et de l'azote et vous savez, vous avez du phosphore, peut-être un peu de soufre si vous voulez.

Oui. Vous savez, les cinq, six grands éléments là-dedans. Mais la clé, revenons à l'eau et au carbone, est que nous pouvons formuler cette hypothèse que si les conditions sont similaires à ce que nous trouvons dans des environnements habitables ici sur Terre et potentiellement dans des environnements que nous pensons propices à l'origine de la vie. Si ces types d'environnements existent ailleurs dans notre système solaire, alors peut-être que ces environnements, ces océans extraterrestres auraient pu donner naissance à la vie. Il pourrait y avoir une origine indépendante distincte de la vie et ces mondes pourraient potentiellement être habités.

NEIL : J'ai une question philosophique pour toi. Si vous ne cherchez que la vie que vous attendez et que vous la trouvez, ne manquerez-vous pas toute la vie à laquelle vous ne vous attendez pas ? Et cette vie ne serait-elle pas bien plus intéressante que la vie que vous vous attendez à trouver ?

KEVIN : Exact. Et donc voici la clé, avec n'importe quelle mission, avec n'importe quel vaisseau spatial, mission, ou franchement avec n'importe quelle expérience que nous faisons dans un laboratoire ou ici sur Terre quelque part, nous devons concevoir l'expérience autour d'une hypothèse, mais aussi essayer de faire sûr que l'expérience est bien formulée, de telle sorte que nous puissions faire des découvertes que nous ne nous attendions pas à faire.

KEVIN : Un mode découverte, un mode sérendipité. Je pense, oui, c'est une belle façon de le dire.

NEIL : Nous avons donc collecté des questions sur Internet, sur ce même sujet. Commençons par une question de Sveinbjörn’s. « Aurons-nous prochainement des sondes capables de prendre des photos ou des vidéos sous ces mondes aquatiques » ?

KEVIN : Eh bien, c'est une excellente question et une question qui me tient à cœur.

NEIL : Parce qu'il le faut, il faut creuser dans la glace. L'eau n'est pas une eau de surface, n'est-ce pas ? C'est en dessous, comme une couche de glace d'un kilomètre d'épaisseur. Vous avez donc du pain sur la planche.

KEVIN : C'est vrai. And so, I believe it really depends on how you define near term.

This business is not for the faint of heart. I’ve been studying Europa and working towards trying to get missions out to Europa for 15 to 20 years now and we are a bit closer. So, NASA has committed to a flyby mission, a mission that will orbit Jupiter and fly by Europa some 45 plus times. And that’s called the Europa Clipper mission.

And I’m part of that mission, but I’m also working very hard to get a lander down to Europa’s surface. And hopefully that mission would hopefully land in the 2030s timeframe, but that’s highly uncertain. We have no commitment from NASA or the government, et cetera, to get that mission done so-

NEIL: Wait, so the 2030 mission does not yet go through the ice. It just lands and looks around, right?

KEVIN: Well, and it scoops in, we’ve got all sorts of novel drills and ways to sample the upper tens of centimeters, and that would help set the stage for a follow on mission that would drill or melt through the ice and then potentially get into the ocean.

KEVIN: Well, here’s the thing, Neil-

NEIL: The answer to Sveinbjörn is no. That’s your answer.

KEVIN: Depending on how you define near term. Now, keep in mind it was 400 years ago, over 400 years ago that Galileo discovered these moons. And so as depressing as it can be to work on these missions that take so long, I do like to keep it in perspective in that for the first time in the history of humanity, we can actually get this exploration done.

It’s been 400 years since Galileo discovered these moons. I guess I sort of approach it like, you know, these spacecraft are our modern version of cathedrals. These are incredibly complex undertakings. They take generations, they take a long-term commitment, which obviously in this day and age of political whims, long-term commitments are hard to come by.

So, it’s frustrating, but at the same time, I feel fortunate that I get to be a part of even a little bit of this. Technologically, coming back to the main question, there is nothing, there are no magic wands that need to be invented to get us through the ice.

NEIL: That’s an important point, a very important point.

KEVIN: And you know, getting to the nearest star, if we were tasked with doing that within a hundred years, we’d have to invent some new fangled warp drive, and it’s a magic wand. There is no magic wand that needs to be invented in order to get through the ice of Europa and into the ocean.

If you could magically transport the Alvin submersible, one of our primary human submersibles that we use for the exploration of our ocean – if you could magically transport that to Europa’s ocean, it would do fine for at least the upper half of that ocean. Once it got to the lower half, the deeper half, the pressures would be a bit extreme, but nevertheless, most of our submersibles would work fine.

NEIL: Well, wait, wait, how deep are Europa’s oceans?

KEVIN: So, Europa’s ocean is about 100 kilometers or 60 miles in depth.

NEIL: And on earth, the deepest, is like five miles down?

KEVIN: 7 miles, 11 kilometers.

KEVIN: Just by a fun quirk of the solar system, Europa’s gravity is about a seventh of the Earth’s. And what that means is that even though the ocean is about 10 times as deep as the Earth’s, the pressure at the depth of Europa’s ocean, at the sea floor of Europa’s ocean is comparable to the pressure in the depth of the Mariana trench, the deepest region of our own ocean. And so the submersibles that go down to the Mariana trench would do well in Europa’s ocean if you could get them through the ice.

NEIL: You just have to fly it there and melt the ocean and melt the ice and then sink it.

NEIL: And doesn’t Alvin have somebody in it?

NEIL: And you have to send an astronaut to go.

NEIL: Alright, we have another question from Dave W. “Given the high chance that life exists in the oceans of Enceladus, why isn’t Saturn included in the habitable zone of our solar system? Is the idea of a habitable zone even helpful for the search for extra terrestrial life?” Love that question! Kevin, go for it.

KEVIN: Yeah, that’s a great one, man. Two pieces I want to dive into there. First on the habitable zone, the question is spot on, and I go into this in the book. These alien oceans of the outer solar system are redefining the habitable zone. In the early days of astronomy and planetary science, there was this conception of the habitable zone where in order for a world to be habitable, you had to be at just the right distance from your parents’ star. In our case, it’s the sun, such that liquid water could be maintained and sustained on the surface. If you are too close like Venus, you were too hot. If you’re too far away like Mars, you were too cold. If you’re at the Earth-sun distance, you were in that kind of Goldilocks zone or the traditional habitable zone.

But what these worlds, like Europa and Enceladus are teaching us- is we’ve got this new Goldilocks in town, where the energy for maintaining and sustaining liquid water comes not from your parents’ star, but rather from the tidal tug and pull that these moons experience as they orbit their giant primaries. Europa orbits Jupiter, and Jupiter’s some 318 times as massive as the Earth. And Europa is about the size of our moon. And so as Europa is orbiting Jupiter, it’s getting tugged and stretched. And that internal mechanical energy is converted into heat, and that heat helps maintain the liquid water ocean beneath Europa’s icy shell. So it’s-

NEIL: It would otherwise be completely frozen, without…

KEVIN: That’s right. There would be some radiogenic decay, some heavier elements that might supply some heat that could maintain an ocean.

NEIL: Radiogenic decay, radioactivity?

KEVIN: That’s right. Exactement.

KEVIN: And so, the tides combined with the radioactivity provides some heat to maintain an ocean beneath the ice. So in this new habitable zone, I don’t want it to go unappreciated that another curious, beautiful fact of our universe is that ice floats. And if ice did not float, then even if you had the tidal energy for maintaining the liquid water in this kind of new, habitable zone of tides as opposed to solar energy, if ice did not float, you would not have a nice thermal barrier over these oceans, protecting these oceans from space. And so just like, you know, building an igloo or building a snow fort, where you crawl inside and all of a sudden you’re nice and warm. Ice and snow on Europa and Enceladus form a thermal blanket over the oceans that are being heated from within by the tides.

NEIL: So, what we’re saying is we can still think of a habitable zone, but not as some restricted place in the circumference of a star. That a habitable zone is any place you can have liquid water and that could be wherever there’s a source of heat.

KEVIN: That’s right. And so, these subsurface oceans, as I describe in the book, these Europas could be ubiquitous. And so when we think about habitable real estate in our universe, these subsurface liquid water oceans could be the predominant place where life resides.

NEIL: And especially since with so many of those such places that in our own backyard.

KEVIN: Yeah. Now, what the questioner had at the beginning part of that question was, “since it’s likely that life exists within Enceladus”, I just want to pick that apart a little bit. We don’t know whether or not life is likely. We can put forth the hypothesis that the conditions within Enceladus and Europa and some of these other worlds might be conducive to life’s origins and habitability.

NEIL: Wait Kevin, Kevin. That’s the scientist’s way that gets written as a headline by the press saying “scientist found life on Enceladus”. You just said the conditions are such that it will possible, that we could have the likelihood of life, and then “Life Found on Enceladus”.

KEVIN: But as much as I would love to find life beyond Earth, as beautiful as that discovery would be, the non-discovery of life, if we were to go to many of these worlds – Europa, Enceladus, Mars – and find not a whiff of life, that also is a potentially equally profound discovery in terms of the rarity of life and the kind of biological singularity that that life on Earth might represent.

NEIL: Okay. Here’s one from Lee Daley from Facebook. He wonders, “Is the life in our own oceans not terrifying enough?” Shots fired, Lee.

KEVIN: Yeah. I don’t know quite how to interpret that. I would say I’ve gotten to make nine dives to the bottom of our ocean and also I’ve been a part of a number of expeditions to send robots down to our ocean. And it’s not, I wouldn’t qualify it as terrifying, it’s beautiful. It’s astonishing. It’s just jaw droppingly bizarre. On one of my dives, we encountered this two meter diameter space bagel, like creature, that was this undulating jellyfish.

And seeing life within our ocean and studying life within our ocean helps inform not only how our home planet works and the understanding the biological diversity of planet Earth, but it also just guides us and inspires us when we think about these deep, dark, distant oceans beyond Earth and in particular, life at the hydrothermal vents in our own ocean is really the kind of oasis in the deep ocean, that we look to when we think about what might exist in the regions where photosynthesis cannot operate in these ice covered oceans like Europa and Enceladus.

NEIL: Wait, so hydrothermal vents, that’s where the continents are separating and you’ve got heat? There’s a source of heat that’s not the sun?

NEIL: That’s so deep that the sun can’t reach it. So if you’re gonna have life there, it’s got to figure something out.

KEVIN: That’s right. So, traditionally we learned that the food chain, animals eat animals and plants and so on and so forth. And eventually you get down to photosynthesis. And photosynthesis serves as the base of the food chain. Well, when you go into the depths of our ocean, of course, sunlight doesn’t get there and so photosynthesis can’t form the base of the food chain.

But what microbiologists found back in the late 1970s is that these hot springs, these, these hydrothermal vents at the bottom of our ocean provide a tremendous menu of interesting compounds that microbes love to eat for lunch and dinner. And they then do chemosynthesis using the chemistry to synthesize the compounds they need. And then other organisms eat those microbes and so on and so forth. So you get this food chain that is fed off the chemistry of the vents.

And we think that kind of dynamic, that kind of ecosystem might be an interesting example for what could happen within these ice covered oceans of the outer solar system.

NEIL: That keeps you going.

NEIL: Very good. Laurie Mueller from Twitter wonders, do we have the ability to identify non-carbon based alien life or will our perspective prevent that? What’s NASA’s official criteria for identifying alien quote unquote life?

KEVIN: Yeah, this is a great question.

NEIL: In fact, Kevin, let me shape that a little differently to include our part of our earlier discussion. If you are looking for carbon based life, might you, does that preclude you from finding silicon-based life?

KEVIN: The short answer is no, as long as you bring the right tools with you. And I’ll give you a couple of different examples and again, there’s a whole chapter on this in the “Alien Oceans”. So, this is a great question, Laurie, and it’s one that has enlisted many PhDs, many grad students, many scientists, and it’s one that we debate in the community constantly. And there’s a thing called the latter of life that you can Google and you’ll find on NASA’s official astrobiology webpage, this sort of tier of what we call bio-signatures and the kind of the efficacy and fidelity of various bio-signatures leading up to claiming that you have actually detected life.

And so for example, if we sent a submersible down into Europa’s ocean and a Europan octopus came up and waved at the camera – Oh, that would be one heck of a bio- signature. We would have motility. We’d see this moving creature. We would potentially-

NEIL: And you wouldn’t care what the hell it was made of.

KEVIN: And to be clear, when we are talking about the search for life in our solar system, whether it’s Mars, Europa, Enceladus, Titan, we are largely talking about the search for even the tiniest of microbes. Such a discovery would revolutionize our understanding of biology and we would for the first time in human history, know that biology actually works beyond Earth. But, so-

NEIL: Just to be clear, just to be clear, Kevin. If the life you find on another planet is made of DNA, then it doesn’t revolutionize anything.

KEVIN: Ah, yes it could. So, let’s come back to that though, because that folds into the-

NEIL: I don’t mean to pick a fight or anything.

KEVIN: It’s a great one. So, to Lori’s question, there is this ladder of life and we’ve developed a bio- signature framework. In other words, that not just one measurement is enough. You have to make multiple complimentary and redundant measurements in order to have enough bio-signatures that you can then claim that you’ve detected the life. And you want to make sure that you have bio-signatures that are as universal as possible.

NEIL: Wait, wait Kevin, just, just to be clear, we have to alert our audience. This is an astrophysicist using the word universal to apply to the universe. Most people on Earth who have used the word universal mean all over Earth.

KEVIN: That’s right. Oui. We are talking universal bio-signatures being bio-signatures that could apply throughout the universe.

But think about it, a universal bio-signature, so think about if we were to use a DNA PCR machine or instrument in searching for life on Europa. PCR, polymerase chain reaction, that’s obviously what we’re using for looking for a lot of the COVID-19 virus. It’s used by a lot of companies doing genetic analysis. And that’s great but the, that kind of instrumentation, it’s contingent on that life using DNA. And so if we sent that kind of instrument to Europa or Enceladus or any of these other worlds, we could miss non-DNA based life.

NEIL: And, and your device doesn’t find DNA and so-

KEVIN: So we say, you know, game over. But an instrument like a mass spectrometer, I like to make the analogy to a mass spectrometer kind of being like a carpenter’s hammer. You’ll never go to a job site and find a carpenter without a hammer in their tool belt in someplace. And mass spectrometers are a great way of sorting and identifying the various compounds, be they carbon compounds, be they silicon compounds, be they nitrogen compounds, you name it, a mass spectrometer gives you that inventory of compounds. And what’s nice about that is that life, whether it’s carbon based life, silicon based life, you know, all sorts of other permutations that we can’t even imagine, life almost certainly needs to be specific in the compounds it uses. In other words, life will use a discrete set of subunit molecules to build the larger molecules of life. For life on Earth, it’s amino acids, building proteins, nucleoid basis, building DNA. So, a mass spectrometer would allow us to identify that kind of specificity in the building blocks.

NEIL: Are they included in these missions?

KEVIN: Yeah, on the Europa Lander model payload, prime instrument number one is bring something that can, without bias, give you the molecular inventory of what’s there. Now the DNA, to your question about DNA, which is, I love this one because it really is quite profound. If we go to Mars, and I love Mars, I’m doing some work on Mars 2020, it’s a, it’s a beautiful world.

If we were to go to Mars and find evidence of DNA based life, and this would have to be in the sub-surface of Mars, because our current search for life on Mars is in ancient rocks and DNA doesn’t last long in ancient rocks. But let’s imagine that we got into sub-surface of Mars and found some water and then we found DNA based life.

I would, and many of my colleagues would probably conclude that is evidence of a transfer of DNA life from Earth to Mars or Mars to Earth, at some point, billions of years ago. Just because Mars and the Earth are near neighbors and impact events, comets, asteroids, et cetera, hitting the Earth could have easily ejected material that then went to Mars or vice versa.

But with Europa, if we went out to Europa or Enceladus and we found DNA based life, it’s much harder for Earth to send microbiologically laden rocks out to Jupiter and once out there, it’s much harder for those rocks to actually hit Europa instead of Jupiter. And even if they hit Europa, they’re going to be coming in at something like 11 kilometers per second or faster.And, and then they annihilate themselves upon impact on the ice. And it’s just a lot harder for Earth rock to bring life to Europa or to Enceladus than it is to Mars. So if we found DNA based life on Europa, I would argue that is evidence of biochemical convergence towards DNA as a fundamental molecule for life.

NEIL: Analogous to, if you go to a Rocky moon, somewhere else, and you find quartz or-

NEIL: Or the geologic analog would be the same minerals are there that you find in the geology here on Earth.

KEVIN: Exactly. And just like on Earth, we’ve had eyes, eyes have evolved independently some 50 times. Maybe DNA is just kind of the convergent biochemical molecule that happens, or not.

NEIL: And we’re just too stupid to figure out how easy it is for nature to accomplish it.

KEVIN: But this is why the outer solar system is so compelling because there’s liquid water there. And so, these are places where large biomolecules, understanding the chemistry of the life could be done. We can actually examine whether or not DNA is the only game in town or there’s some other way to get the business of life done.

NEIL: So Kevin, great to have had you on StarTalk, Cosmic Queries talking about your book “Alien Oceans”. That’s just the coolest title of a book ever, and there should be a movie with that. I’m Neil deGrasse Tyson, and as always, bidding you to keep looking up.


Could There Be Europan Macrofauna?

It is natural to wonder whether analogs to giant squid or other macrofauna might exist in the europan ocean. Terrestrial metazoa require high levels of dissolved oxygen. For example, benthic macrofauna require O2 concentrations above ≈20 μM (70). Even in a complete absence of O2 sinks in Europa's ocean, the production rate of O2 from H2O2 derived above would require ≈200 million years to oxygenate Europa's entire ocean to this level. Calculating H2O2 passant par m = FGt would decrease this time to ≈5 × 10 4 yr, but this requires significant recycling of the upper meter of Europa's ice. If this does not occur, and if we assume that europan macrofauna would face the same high-energy respiration requirements as terrestrial macrofauna, we are challenged to find a sufficient source of O2 production in the absence of photosynthesis.


Europa's Ocean May Have An Earthlike Chemical Balance

A new NASA study modeling conditions in the ocean of Jupiter’s moon Europa suggests that the necessary balance of chemical energy for life could exist there, even if the moon lacks volcanic hydrothermal activity.

This enhanced-color view from NASA’s Galileo spacecraft shows an intricate pattern of linear fractures on the icy surface of Jupiter’s moon Europa. Image Credit: NASA/JPL-Caltech/ SETI Institute

Europa is strongly believed to hide a deep ocean of salty liquid water beneath its icy shell. Whether the Jovian moon has the raw materials and chemical energy in the right proportions to support biology is a topic of intense scientific interest. The answer may hinge on whether Europa has environments where chemicals are matched in the right proportions to power biological processes. Life on Earth exploits such niches.

In a new study, scientists at NASA’s Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, California, compared Europa’s potential for producing hydrogen and oxygen with that of Earth, through processes that do not directly involve volcanism. The balance of these two elements is a key indicator of the energy available for life. The study found that the amounts would be comparable in scale on both worlds, oxygen production is about 10 times higher than hydrogen production.

The work draws attention to the ways that Europa’s rocky interior may be much more complex and possibly earthlike than people typically think, according to Steve Vance, a planetary scientist at JPL and lead author of the study. “We’re studying an alien ocean using methods developed to understand the movement of energy and nutrients in Earth’s own systems. The cycling of oxygen and hydrogen in Europa’s ocean will be a major driver for Europa’s ocean chemistry and any life there, just as it is on Earth.”

Ultimately, Vance and colleagues want to also understand the cycling of life’s other major elements in the ocean: carbon, nitrogen, phosphorus and sulfur.

As part of their study, the researchers calculated how much hydrogen that could potentially be produced in Europa’s ocean as seawater reacts with rock, in a process called serpentinization. In this process, water percolates into spaces between mineral grains and reacts with the rock to form new minerals, releasing hydrogen in the process. The researchers considered how cracks in Europa’s seafloor likely open up over time, as the moon’s rocky interior continues to cool following its formation billions of years ago. New cracks expose fresh rock to seawater, where more hydrogen-producing reactions can take place.

In Earth’s oceanic crust, such fractures are believed to penetrate to a depth of 3 to 4 miles (5 to 6 kilometers). On present-day Europa, the researchers expect water could reach as deep as 15 miles (25 kilometers) into the rocky interior, driving these key chemical reactions throughout a deeper fraction of Europa’s seafloor.

A submersible rests on the seafloor above a region of active serpentinization near the Lost City hydrothermal vent field in the mid-Atlantic Ocean. Carbonate minerals visible in the foreground are created by this geochemical process, which can produce hydrogen as a byproduct. Image credit: Kevin Peter Hand

The other half of Europa’s chemical-energy-for-life equation would be provided by oxidants — oxygen and other compounds that could react with the hydrogen — being cycled into the Europan ocean from the icy surface above. Europa is bathed in radiation from Jupiter, which splits apart water ice molecules to create these materials. Scientists have inferred that Europa’s surface is being cycled back into its interior, which could carry oxidants into the ocean.

“The oxidants from the ice are like the positive terminal of a battery, and the chemicals from the seafloor, called reductants, are like the negative terminal. Whether or not life and biological processes complete the circuit is part of what motivates our exploration of Europa,” said Kevin Hand, a planetary scientist at JPL who co-authored the study.

Europa’s rocky, neighboring Jovian moon, Io, is the most volcanically active body in the solar system, due to heat produced by the stretching and squeezing effects of Jupiter’s gravity as it orbits the planet. Scientists have long considered it possible that Europa might also have volcanic activity, as well as hydrothermal vents, where mineral-laden hot water would emerge from the sea floor.

According to Vance, researchers previously speculated that volcanism is paramount for creating a habitable environment in Europa’s ocean. If such activity is not occurring in its rocky interior, the thinking goes, the large flux of oxidants from the surface would make the ocean too acidic, and toxic, for life. “But actually, if the rock is cold, it’s easier to fracture. This allows for a huge amount of hydrogen to be produced by serpentinization that would balance the oxidants in a ratio comparable to that in Earth’s oceans,” he said.

The results are published online this week in the journal Geophysical Research Letters.

NASA is currently formulating a mission to explore Europa and investigate in depth whether the icy moon might be habitable. This new model is part of a large body of evidence that is guiding the mission’s development. Some time in the 2020s, NASA would send a highly capable, radiation-tolerant spacecraft into a long, looping orbit around Jupiter to perform repeated close flybys of Europa. During these flybys, the mission would take high-resolution images determine the composition of the icy moon’s surface and faint atmosphere and investigate its ice shell, ocean and interior.


In your new book, you write that, “Failure has to be an option when you are trying to do new things and push the frontier.” How do you think space agencies can be convinced to support these risky missions?

There are many different types of risk that one has to weigh when engaging in exploration, be it on Earth or beyond. Examples are science risk—what’s the likelihood that you’re going to succeed at doing the science you want to get done? Cost risk—what’s the risk that you’re going to blow your budget? And the technological risk of actually building the robot or instrument needed to explore the region and make the measurements.

If you’re trying to do civilization-scale science—science that is meritorious of significant investment because it targets one of humanity’s oldest and most profound questions, in this case whether or not we are alone—I think the value of that question warrants taking some risk. But the upside is that if we succeed, we may well transform the universe as we know it. We may ignite a revolution in our understanding of the science of biology.


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