La superficie di Europa è un guscio di ghiaccio che copre un oceano globale e mostra caratteristiche sorprendenti. Lungo, crepe lineari e creste attraversano la superficie, rotto da regioni di terreno perturbato in cui la crosta di ghiaccio superficiale si è incrinata e si è ricongelata in nuovi modelli. I colori visti in questa immagine della missione Galileo alla fine degli anni '90 sono approssimativamente quelli che vedrebbe l'occhio umano. Credito:NASA/JPL-Caltech
La luna di Giove Europa è decisamente un posto strano. Scoperta nel 1610 da Galileo Galilei, è stato visto per la prima volta in dettaglio solo alla fine degli anni '70, dopo che la navicella spaziale ha visitato il sistema gioviano.
Leggermente più piccolo della nostra luna, Europa difficilmente potrebbe apparire più diversa. Entrambi hanno interni di rock e metal. Ma Europa è avvolta in un oceano globale di acqua salata e ricoperta da un brillante guscio di ghiaccio. Il guscio è segnato da crepe e difetti e punti screziati dove il ghiaccio è stato violato dal liquido dal basso.
Gli scienziati hanno ipotizzato per decenni cosa si trova all'interno di quell'oceano. È più grande in volume di tutti gli oceani della Terra messi insieme.
Un sismometro finanziato dalla NASA in fase di sviluppo presso l'Arizona State University mantiene la promessa di atterrare sul guscio di ghiaccio di Europa e ascoltarlo.
Il sismometro utilizzerebbe le maree naturali di Europa e altri movimenti per scoprire lo spessore del guscio, vedere se contiene sacche d'acqua - laghi sotterranei - all'interno del ghiaccio, e determinare quanto facilmente, e quanto spesso, l'acqua dell'oceano potrebbe sollevarsi e riversarsi in superficie.
"Vogliamo sentire cosa ha da dirci Europa, " disse Hongyu Yu, della Scuola di Esplorazione della Terra e dello Spazio dell'ASU. "E questo significa mettere un 'orecchio' sensibile sulla superficie di Europa".
Viste ravvicinate del guscio di ghiaccio scattate dalla navicella spaziale Galileo mostrano un numero incalcolabile di fratture che si incrociano. I colori rossastri (migliorati in questa vista) provengono dai minerali nell'acqua dell'oceano che fuoriescono attraverso il guscio e vengono bombardati dalla radiazione di Giove. Il sismometro progettato dall'ASU atterrerebbe sul guscio e ne rileverebbe i movimenti. Credito:NASA/JPL-Caltech
L'ingegnere dei sistemi di esplorazione Yu è a capo di un team di scienziati dell'ASU che include il sismologo Edward Garnero, geofisica Alyssa Rhoden, e l'ingegnere chimico Lenore Dai, direttore della Scuola di Ingegneria della Materia, Trasporti ed energia nelle scuole di ingegneria Ira A. Fulton.
Investimento tecnologico
Sebbene al momento non ci siano piani per inviare un lander in Europa, il team ha ricevuto una sovvenzione dalla NASA per sviluppare e testare un sismometro in miniatura non più grande di circa 4 pollici (10 centimetri) su un lato, che potrebbe essere cruciale per far avanzare la futura esplorazione dell'Europa. opportunamente, considerando dove viene creato, il progetto si intitola Sismometri per l'esplorazione del sottosuolo di Europa, o SESE.
La maggior parte dei sismometri, sia per l'uso sulla Terra o su altri pianeti, fare affidamento su un concetto di sensore di massa e molla per rilevare le onde sismiche in transito. Ma quel tipo di sismometro, dice Yu, deve essere sistemato in posizione eretta, deve essere posizionato con cura senza grandi scossoni o scuotimenti, e la camera in cui opera il sensore necessita di un vuoto completo per garantire misurazioni accurate.
Protuberanza, le aree rotte nel guscio di ghiaccio di Europa - soprannominate "caos" - sembrano contrassegnare i luoghi in cui possono esistere corpi d'acqua sotterranei all'interno del guscio di ghiaccio, come si vede nell'impressione di questo artista. Tali laghi potrebbero formarsi quando l'acqua calda dell'oceano sale e si scioglie nel guscio, eventualmente creando nicchie abitabili. Credito:Britney Schmidt/Dead Pixel VFX/Univ. del Texas ad Austin
"Il nostro design evita tutti questi problemi, " Yu spiega. Il sismometro SESE utilizza un sistema microelettromeccanico con un elettrolita liquido come sensore. "Questo design ha un'elevata sensibilità a un'ampia gamma di vibrazioni, e può funzionare con qualsiasi angolazione rispetto alla superficie.
"E se necessario, " Aggiunge, "possono colpire duramente il suolo durante l'atterraggio." Yu nota che il team ha testato il prototipo colpendolo con una mazza. È sopravvissuto.
Oltre ad essere estremamente robusto, il sismometro SESE promette di portare avanti lo stato dell'arte anche nei sensori. "Siamo entusiasti dell'opportunità di sviluppare elettroliti e polimeri oltre i loro limiti di temperatura tradizionali, ", afferma il membro del team Dai. "Questo progetto esemplifica anche la collaborazione tra le discipline".
È necessario un touchdown deciso
Pennacchi di vapore acqueo sono stati catturati in eruzione dal telescopio spaziale Hubble nel settembre 2016. La posizione su Europa in cui si sono originati i pennacchi si trova in una zona calda sul guscio di ghiaccio, identificato anni prima dalla navicella spaziale Galileo prima che la sua missione terminasse nel 2003. Uno dei principali obiettivi del sismometro SESE sarebbe quello di rilevare le onde sismiche da tale eruzione. Credito:NASA/ESA/W. Sparks (STScI)/USGS Astrogeology Science Center
La capacità di resistere a un atterraggio duro è di grande aiuto, dice il membro del team Garnero. "I sismometri devono connettersi con il terreno solido per funzionare nel modo più efficace". Sedersi su materiali superficiali sciolti può isolare lo strumento dalle onde sismiche che passano attraverso il corpo della luna o del pianeta, oppure, su Europa, il suo guscio di ghiaccio.
Lander, che porterebbe sismometri, "in genere hanno quattro o sei zampe, " disse Garnero. "Se ogni gamba porta un sismometro, questi potrebbero essere spinti in superficie durante l'atterraggio, stabilendo un buon contatto con il suolo."
Inoltre, Egli ha detto, avere un numero di sensori su un lander offre agli scienziati l'opportunità di combinare i dati registrati in ciascuno di essi. Ciò consente loro di superare le vibrazioni sismiche variabili registrate da ogni strumento, e consente agli scienziati di dire da quale direzione provengono le onde sismiche.
"Possiamo anche separare i segnali ad alta frequenza da quelli a lunghezza d'onda più lunga, " ha spiegato Garnero. Più ampio è lo spettro che lo strumento può percepire, più fenomeni rileverà. "Per esempio, piccoli meteoriti che colpissero la superficie non troppo lontano produrrebbero onde ad alta frequenza, e le maree di rimorchiatori gravitazionali provenienti da Giove e dalle lune vicine di Europa dureranno a lungo, onde lente."
Quattro sensori disposti in una scatola di circa 4 pollici di lato costituiscono il modulo di prova per il sismometro del progetto SESE. I vari orientamenti del sensore consentono allo strumento di funzionare indipendentemente da come atterra sulla superficie. Credito:Hongyu Yu/ASU
So what would Europa sound like?
Garnero laughed. "I think we'll hear things that we won't know what they are."
Ma, Egli ha detto, "ice being deformed on a local scale would be high in frequency—we'd hear sharp pops and cracks. From ice shell movements on a more planetary scale, I would expect creaks and groans."
Ocean world
Europa can be glimpsed in binoculars from the backyard as it circles Jupiter once every 85 hours. But it's just a point of light, looking no different from what Galileo saw when he discovered it.
The Europa that scientists study today, però, is more properly considered an ocean world. This is because of two flyby spacecraft (NASA's Voyager 1 and 2) and an orbiter (NASA's Galileo) that spent eight years at Jupiter. Long-distance observations of Europa also have come from the Hubble Space Telescope orbiting Earth, which detected plumes of water vapor erupting from the shell in 2012 and 2016.
"At Europa, we're trying to use seismometers to determine where the liquid water lies within the ice shell, " team member Rhoden said. "We want to know how active the ice shell is."
The answers to these questions are important to the future exploration of this moon and its habitability, lei disse. "An active shell with pockets of water creates more niches for life and more ways to transport nutrients from the ocean to the surface."
Locating these pockets on Europa would allow future lander missions to possibly sample ocean water brought up through the ice shell.
Just how active is Europa?
"Non lo sappiamo, " Rhoden said. The surface is geologically young, with an approximate age (based on numbers of craters) of 50 to 100 million years. "It may have undergone an epoch of activity early in that period and then shut down." But it's equally possible, lei dice, that the shell is experiencing fractures, uplifts, offsets, and melt-throughs today.
"Hubble's recent plume observations last fall appear to support that."
As Europa orbits Jupiter, it gets repeated tugs from the gravity of neighbor moons Io and Ganymede. These tugs keep Europa's orbit from becoming circular and that lets Jupiter stress the shell—and then let it relax—over and over, endlessly. Così, Rhoden said, seismometers on the surface should detect any ongoing activity in the shell.
The team developing the SESE seismometer has its sights on Europa, but they are also looking beyond, because the design is robust and adaptable. This could let it become something of a universal instrument for seismology on other worlds.
As team leader Yu explains, "With modification to fit local environments, this instrument should work on Venus and Mars, and likely other planets and moons, too."
