مدل‌سازی پدیده‌ای مانند آبفشان‌ها روی یک قمر دوردست در نگاه اول ساده به نظر می‌رسد. مگر چه چیزی در کار است جز یک سوراخ در سطح یخی که آب فوق‌داغ را با فشار به بیرون پرتاب می‌کند؟ اما پاسخ در واقع بسیار پیچیده‌تر است. آن‌قدر که برای داشتن یک مدل دقیق، نیاز به یک ابررایانه داریم. خوشبختانه، مرکز محاسبات پیشرفته‌ی دانشگاه تگزاس (Texas Advanced Computing Center) زمانی در اختیار پژوهشگرانی قرار داد که روی شبیه‌سازی ستون‌های یخی انسلادوس کار می‌کردند. مقاله‌ی اخیر آن‌ها در نشریه JGR Planets منتشر شد و نتایج جالبی نشان داد: به‌نظر می‌رسد مقدار آب و یخی که از این آبفشان‌ها به مدار پرتاب می‌شود، کمتر از چیزی است که پیش‌تر تصور می‌کردیم.
داده‌های کاوشگر کاسینی؛ نگاهی نزدیک به انسلادوس
مدرن‌ترین و دقیق‌ترین داده‌های ما از انسلادوس و کل سامانه‌ی زحل مربوط به کاوشگر کاسینی است؛ فضاپیمایی که از سال ۲۰۰۴ تا ۲۰۱۷ در مدار زحل فعالیت کرد. در این مدت، کاسینی ۲۳ بار پرواز نزدیک به قمر ششم بزرگ زحل انجام داد و در بسیاری از آن‌ها مستقیماً از میان ستون‌های یخی گذشت. در یکی از این پروازها، تنها ۴۹ کیلومتر بالاتر از سطح انسلادوس حرکت کرد؛ قمری که قطرش فقط ۵۰۴ کیلومتر است.
کاسینی در طول این پروازها سه ابزار اصلی خود را به کار گرفت:
- طیف‌سنج جرمی یون و ذرات خنثی (INMS): برای «بو کشیدن» گازهای موجود در ستون‌ها هنگام عبور.
- طیف‌سنج تصویربرداری فرابنفش (UVIS): برای رصد نور ستارگان پس‌زمینه و اندازه‌گیری چگالی ستون‌ها.
- زیرسامانه‌ی تصویربرداری علمی (ISS): که توانست به‌طور جداگانه ۹۸ فواره یا آبفشان را شناسایی کند.
پژوهش جدید؛ پارامترهای فیزیکی آبفشان‌ها
مقاله‌ی اخیر تلاش کرد بررسی‌های عمیق‌تری بر اساس داده‌های کاسینی انجام دهد. این تحقیق به رهبری آرنو ماهیو از مؤسسه سلطنتی علوم فضایی بلژیک و دانشگاه تگزاس انجام شد. هدف آن‌ها تعیین ویژگی‌های فیزیکی دهانه‌های آبفشان‌ها بود؛ از جمله نرخ جریان جرم (mass flow rate)، اندازه‌ی ذرات یخ و دمای خروجی آن‌ها.
پژوهشگران برای هر دهانه ۱۲ پارامتر تعریف کردند. وقتی این پارامترها برای همه‌ی ۹۸ آبفشان محاسبه شد، در مجموع ۱۱۷۶ متغیر برای تحلیل به دست آمد؛ عددی بسیار بزرگ و پرچالش.
برای ساده‌سازی کار، آن‌ها از روش آماری مونت‌کارلو استفاده کردند تا بفهمند کدام متغیرها بیشترین تأثیر را دارند. نتایج نشان داد که نرخ جریان جرم بیشترین اهمیت را دارد؛ در حالی که عواملی مانند موقعیت دهانه، زاویه‌ی خروج یا شعاع دهانه فقط در برخی داده‌ها اثرگذار بودند و معمولاً به مسیر پرواز کاسینی بستگی داشتند.
چالش محاسباتی و شبیه‌سازی ذرات
مدل‌سازی کل فرآیند خروج یک ستون یخ به فضا به‌شدت پرهزینه و زمان‌بر بود. برای مدیریت بهتر، پژوهشگران از داده‌های پژوهش‌های قبلی کمک گرفتند و مشخصات ستون‌ها را در ارتفاع ۱۰ کیلومتری بالای سطح انسلادوس تعریف کردند. سپس شبیه‌سازی ذرات را اجرا کردند و مسیر هر ذره را از همه‌ی ۹۸ دهانه، همزمان و تحت تأثیر گرانش انسلادوس و زحل دنبال کردند.
یافته‌های کلیدی
نتایج این پژوهش تصویر تازه‌ای از ستون‌های انسلادوس ارائه داد:
- نرخ جریان جرم: مقدار موادی که از آبفشان‌ها خارج می‌شد، بین ۱۰۹ کیلوگرم در ثانیه تا ۴۸۶ کیلوگرم در ثانیه متغیر بود. هرچند این مقدار همچنان چشمگیر است، اما کمتر از برآوردهای اولیه است.
- دمای خروجی: دمای آب هنگام خروج بین ۴۴ کلوین تا ۶۰ کلوین (حدود ۲۱۳- تا ۲۲۹- درجه سلسیوس) بود. شاید این دما بسیار سرد به نظر برسد، اما با توجه به انبساط سریع گاز در خلأ فضا منطقی است.
- اندازه‌ی ذرات یخ: تنها برای یکی از آبفشان‌ها (شماره ۲۹) توانستند اندازه‌ی ذرات را دقیق مشخص کنند. شعاع میانگین ذرات حدود ۱.۱ میکرومتر بود؛ ذراتی بسیار ریز، تقریباً یک پنجاهم ضخامت موی انسان.
اهمیت نتایج برای آینده
این درک تازه از ستون‌های انسلادوس برای برنامه‌ریزان مأموریت‌های فضایی و زیست‌اخترشناسان اهمیت زیادی دارد. اگر روزی مأموریتی دوباره به این قمر یخی اعزام شود، دانشمندان با شناخت بهتری از محیط و شرایط روبه‌رو خواهند شد.
هرچند انسلادوس یکی از اهداف اولویت‌دار در جدیدترین گزارش ده‌ساله‌ی علمی (Decadal Survey) معرفی شده است، اما مأموریت پیشنهادی Enceladus Orbilander هنوز در مرحله‌ی طراحی قرار دارد و تأمین بودجه‌ی آن قطعی نیست. با این حال، اگر این مأموریت روزی اجرا شود، می‌تواند اطلاعاتی بسیار ارزشمندتر درباره‌ی یکی از جذاب‌ترین مکان‌ها برای پژوهش زیست‌اخترشناسی در منظومه‌ی شمسی به دست دهد.
جمع‌بندی
در نگاه اول شاید آبفشان‌های انسلادوس چیزی ساده و قابل پیش‌بینی به نظر برسند؛ فواره‌هایی از آب و یخ که از دل شکاف‌های سطح یخی به بیرون پرتاب می‌شوند. اما واقعیت این است که مدل‌سازی آن‌ها آن‌قدر پیچیده است که تنها ابررایانه‌ها از عهده‌ی آن برمی‌آیند. پژوهش‌های تازه نشان می‌دهد که حجم موادی که انسلادوس به فضا پرتاب می‌کند کمتر از برآوردهای اولیه است، اما همچنان چشمگیر و رازآلود.
انسلادوس با اقیانوس زیرسطحی خود، ستون‌های یخی عظیم و شرایطی که می‌تواند میزبان حیات میکروبی باشد، یکی از بهترین آزمایشگاه‌های طبیعی برای جستجوی زندگی بیرون از زمین است. این نتایج نه‌تنها فهم ما از این قمر یخی را عمیق‌تر می‌کند، بلکه مسیر آینده‌ی کاوش‌های فضایی را نیز روشن‌تر خواهد کرد.
