La detecció d’hidrogen molecular en l’exosfera d’Encèlad: indicis de processos hidrotermals

En un article a la revista Science, J. Hunter Waite et al. afirmen haver detectat amb l’Ion Neutral Mass Spectrometer de la Cassini la presència d’hidrogen molecular en els plomalls que emergeixen de la superfície d’Encèlad, satèl·lit de Saturn.

Dades de la Cassini

Aquest article el signen investigadors del Southwest Research Institute (J. Hunter Waite, Christopher R. Glein, Rebecca S. Perryman, Ben D. Teolis, Brian A. Magee, Greg Miller, Jacob Grimes, Kelly E. Miller, Alexis Bouquet, Tim Brockwell i Scott J. Bolton), de la John Hopkins University (Mark E. Perry) i de la Cornell University (Jonathan I. Lunine).

El punt de partida és el comportament dels sistemes hidrotermals de la Terra, en els quals l’aigua reacciona amb el ferro reduït de mineral donant lloc a gas hidrogen (H2). En aquests ecosistemes, el gas hidrogen (H2) és metabolitzat per microorganismes com a font d’energia (quimiolitotròfia), com fan els microorganismes metanògens.

Les dades de la Cassini ens indiquen que, sota la superfície glaçada d’Encèlad hi hauria un oceà subsuperficial global que cobriria totalment el nucli rocallós intern. L’activitat geològica d’Encèlad es manifesta en forma d’ejecció de gasos i de grans de glaç a través de fractures en la superfície. Aquesta ejecció, en hidrodinàmica, rep el nom de plomalls.

Val a dir que la presència d’H2 en els plomalls podria deure’s a diferents processos no-hidrotermals, com ara la radiòlisi del glaç d’aigua. Però si es degués a l’hidroterminalisme, caldria suposar que en l’oceà d’Encèlade hi ha temperatures i fonts d’energia química prou elevades com per sostindre ecosistemes. Aquests dies, algú deia que el planeta més habitable del Sistema Solar després de la Terra és Encèlade.

En la seva darrera aproximació a Encèlade (E21), la sonda Cassini prengué noves dades d’aquest petit planeta. Waite et al. empraren el mode OSNB (Open Source Neutral Beaming) de l’espectròmetre INMS per comprovar la presència de gas hidrogen nadiu en el plomall. Amb el mode OSNB es minimitza la interacció del gas amb les parets de l’instrument abans d’arribar a l’espectròmetre de masses QP. Altrament, el vapor d’aigua del plomall podria interactuar amb el titani de la paret de l’espectròmetre i donar lloc a H2.

Anàlisi del gas dels plomalls

L’INMS prengué mesures de plomalls d’Encèlade en vuit ocasions (E2, 2005; E3 i E5, 2008; E7, 2009; E14, 2011; E17, 2012; E18, 2012 i E21, 2015). En l’aproximació E21, la Cassini va arribar a situar-se a tan sols 49 km de la superfície planetària. El curs d’aproximació seguia la perpendicular de les franges característiques de la superfície d’Encèlade, amb una velocitat relativa de 8,5 km·s-1.

Les dades del 28 d’octubre del 2015, recollides en mode OSNB oferiren aquests resultats:

L’objecte de massa 2 és el gas hidrogen; el de massa 18 és vapor d’aigua; el de massa 44 és CO2

Waite et al. fan una estimació de quina proporció de les senyals de H2 es deurien a un artefacte instrumental. Segons aquesta estimació, la major part del senyal seria de H2 procedent del plomall d’Encèlade.

La composició química del gas del plomall d’Encèlade

El plomall d’Encèlade consisteix bàsicament en vapor d’aigua (96-99%). Per als gasos minoritaris, Waite et al. fan les següents estimacions: CO2, 0,3-0,8%; CH4, 0,1-0,3%; NH3, 0,4-1,3%; H2, 0,4-1,4%. D’aquestes dades, es deriven unes emissions de vapor d’aigua de 200 kg·s-1. La taxa d’emissió de H2 seria de l’ordre de 109 mol·any-1

Quin és l’origen de l’H2 del plomall d’Encèlade? Podria ser que hi hagués un reservori d’aquest cas, bé en la coberta glacial del planeta o en l’oceà que hi ha a sota? La baixa pressió que regna en la superfície planetaria (desenes de bars) sembla descartar que hi hagi clatrats de H2 en el glaç superficial.

Si la font fos un reservori oceànic, la concentració de H2 en aquest oceà hauria de ser de 10-7 a 10-4 mol per quilogram d’aigua. Ara bé, el temps de residència d’aquest reservori seria inferior a 1 milió d’anys.

Pel que fa a la radiòlisi del glaç d’aigua superficial, induïda per plasma magnetosfèric, aquesta podria ser responsable de la producció de 107 mols per any. Ara bé, aquesta quantitat és massa baixa per explicar les quantitats detectades i, alhora, hom hauria de detectar també la presència de gas oxigen.

La reacció del glaç d’aigua amb partícules de sílice també podria ser una font de H2. Però no sembla que a Encèlade hi hagi prou quantitat de sílice, de manera que la producció seria en tot cas baixa (4·104 mols per any).

Waite et al., doncs, creuen que la font d’H2 ha de trobar-se en el nucli rocallós d’Encèlade. Allà podria formar-se per radiòlisi, però aquesta seria un component menor de la producció total. Queden, doncs, com a única explicació reaccions hidrotermals entre l’aigua i la roca. Quines reaccions? Waite et al proposen la degradació de NH3, la piròlisi de matèria orgànica nitrogenada o l’oxidació aquosa de minerals reduïts. L’absència de N2 en el plomall fa que pensin que la font no pot ser NH3, però les altres dues opcions sí són plausibles.

El desequilibri entre CO2 i CH4

La coexistència en el plomall d’aquests dos gasos és indicativa d’un desequilibri químic. La metanogènesi d’Encèlade tindria un caràcter hidrogenotròfic. És a dir que, el gas hidrogen generat en el fons oceànic promouria la conversió de part del CO2 en CH4.



Aquesta entrada ha esta publicada en 1. L'Univers. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *