Enceladus – maan van Saturnus

Enceladus

De maan Enceladus, gefotografeerde door de Cassini-sonde

Dankzij de Cassini-missie hebben we de laatste jaren enorm veel geleerd over Saturnus en zijn manen. We weten meer over de meren van methaan en de propaan-rijke atmosfeer van Titan, we hebben geleerd over Mimas, de Death Star-maan en we weten dat er meer plaatsen in het zonnestelsel zijn waar vloeibaar water voor komt en mogelijk zelfs buitenaardse organismen.

Dit geldt zeer zeker ook voor Enceladus, in grootte de zesde maan van Saturnus. Er komen lange aders van blauw ijs voor aan het oppervlak en periodiek zijn er aan de zuidpool enorme uitbarstingen van geisers zichtbaar. Mogelijk komt er zelfs een ondergrondse oceaan van vloeibaar water voor.

Ontdekking en naamgeving

Miranda is in 1789 ontdekt door William Herschel. De maan is vernoemd naar een van de giganten uit de Griekse mythologie. Alle grote namen zijn vernoemd naar Titanen, zoals voorgesteld door zijn zoon John Herschel. Hij koos voor deze namen omdat Saturnus (In de Griekse mythologie bekend als Chronos) de was was van alle Titanen.

Zichtbare structuren op Enceladus zijn, conform de richtlijnen van de Internationale Astronomische Unie, allemaal vernoemd naar plaatsen en personages uit “Duizend en één Nacht”. Inslagkraters zijn vernoemd naar personages en andere kenmerken zoals fossae, dorsa, planitia en sulci zijn vernoemd naar locaties.

Grootte, massa en baan

Enceladus heeft een gemiddelde straal van 252 kilometer. Dat komt overeen met 0,0395 * de grootte van de Aarde. De massa van Enceladus bedraagt 1,08 * 1020 kilogram en dat is slechts 0,000018 * de massa van de Aarde. De excentriciteit van de baan bedraagt slechts 0,0047 en de gemiddelde afstand tot Saturnus bedraagt 237.948 kilometer. Enceladus draait tussen de banen van Mimas en Tethys om Saturnus heen.

Enceladus heeft 32,9 uur (1,37 Aardse dagen) nodig voor een omwenteling om Saturnus. De maan is in een 2:1 resonantie met Dione. Dit betekent dat Enceladus tweemaal om Saturnus draait in dezelfde tijd dat Dione nodig heeft voor één omwenteling. Deze geforceerde resonantie heeft invloed op de excentriciteit van de baan en is ook verantwoordelijk voor een deformatie als gevolg van getijdenwerking. De hitte die hierbij vrijkomt is de belangrijkste bron voor de geologische activiteit op Enceladus.

Net zoals de andere grote manen van Saturnus draait Enceladus in een gebonden rotatie om zijn planeet heen. Dit betekent dat de maan altijd dezelfde zijde naar de planeet heeft gericht. Daarnaast is er een kleine libratie waargenomen die ook bijdraagt aan een interne hittebron.

Samenstelling en oppervlakte

Enceladus heeft een gemiddelde dichtheid van 1,61 gram/cm3 en dat is meer dan de andere middelgrote ijsachtige manen van Saturnus. Deze dichtheid suggereert dat er meer silicaathoudend gesteente en ijzer aanwezig is. Astronomen nemen ook aan dat de maan onderverdeeld kan worden in een geologisch actieve kern die is omgeven door een mantel van ijs. Op de grens van de mantel en de kern zou zich een ondergrondse oceaan van vloeibaar water kunnen bevinden.

In 2005 namen wetenschappers voor het eerst enorme geisers van waterdamp plaats boven de zuidpool van Enceladus. Deze geisers kunnen per seconde 250 kilogram waterdamp de ruimte in spuwen. Ze bereiken snelheden tot 2189 km/u en ze kennen een hoogte bereiken van 500 kilometer. Sinds deze ontdekking discussiëren wetenschappers over het bestaan van een oceaan van vloeibaar water in het binnenste van Enceladus.

In 2006 ontdekte men dat de geisers van Enceladus de bron zijn van de E-ring van Saturnus en dat ze de ring actief verversen. Uitgaande van metingen die door de Cassini zijn gedaan gaat het bij de geisers van Enceladus voornamelijk om waterdamp maar er zijn ook kleinere hoeveelheden moleculair stikstof, methaan en koolstofdioxide gemeten. Ook zijn er eenvoudige koolwaterstoffen als methaan, propaan, acetyleen en formaldehyde gemeten.

De gecombineerde gegevens van opnames, massaspectrometrie en magnetosferische gegevens suggereren dat de geisers aan de zuidpool ontsnappen uit onder druk staande kamers. De intensiteit van de uitbarstingen varieert met de veranderingen in de baan van Enceladus. Als Enceladus in zijn apoapsis is zijn de geisers gemiddeld vier keer zo helder. Dit komt overeen met geofysische berekeningen die voorspellen dat de spleten aan de zuidpool dan minder druk ondervinden en zich dus verder kunnen openen.

Het bestaan van een ondergrondse oceaan werd in 2014 bevestigd door de Cassini-sonde. Er werden zwaartekrachtmetingen gedaan in de periode 2010-2012 en ook die bevestigden het bestaan van een oceaan van vloeibaar water onder de zuidpool met een dikte van ongeveer 10 kilometer.

Tijdens een scheervlucht op 14 juli 2005 ontdekte de Cassini ook dat er aan de zuidpool warmte ontsnapt uit het binnenste van de maan. Deze temperaturen waren te hoog om afkomstig te zijn van de zonnewarmte. Gecombineerd met de activiteit van de geisers lijkt het er heel erg op dat het binnenste van de maan geologisch gezien nog steeds actief is.

Er zijn ook metingen gedaan van de libratie van Enceladus tijdens zijn baan om Saturnus. Uit deze metingen blijkt dat de hele ijsachtige korst los ligt van de kern van gesteente. Dit zou betekenen dat de ondergrondse oceaan zich over de hele maan uitstrekt. De grootte van de libratie impliceert dat deze oceaan tussen de 26 en 31 kilometer diep is (De oceanen op Aarde zijn gemiddeld 3,7 kilometer diep).

Er worden vijf soorten terrein onderscheiden op Enceladus: bekraterd terrein, glad (jong) terrein, gerimpeld terrein, lineaire breuken, steile rotswanden, troggen en groeven. Geologen denken dat tektoniek een grote rol speelt in de geologische geschiedenis van Enceladus.

De Cassini heeft ons recent een beter inzicht gegeven in de verdeling en de grootte van de kraters. De kraters worden, volgens de richtlijnen van de IAU, allemaal vernoemd naar plaatsen en personages uit de vertaling van “Het boek van duizend en een nachten” van Burton. Dat levert bijvoorbeeld de Shahrad krater, de Ditar vlaktes en de Anbar depressie op.

De gladde vlaktes worden gedomineerd door vers ijs. Dit verse ijs zorgt voor een enorm hoog albedo van 1,38. Enceladus heeft wellicht het best weerkaatsende oppervlak in het hele zonnestelsel. Deze vlaktes hebben maar weinig kraters, vermoedelijk zijn ze maximaal een paar honderd miljoen jaar oud maar deze gebieden worden vermoedelijk ook steeds ververst door cryovulkanisme en andere processen.

Het oudere terrein vertoont niet alleen veel kraters maar er zijn ook talloze breuklijnen zichtbaar. Sommige gebieden hebben helemaal geen kraters, dit zijn gebieden die vermoedelijk zeer recent zijn ververst. De spleten, vlaktes, gegolfd terrein en andere vervormingen van de korst tonen aan dat Enceladus geologisch nog steeds actief is.

Een van de meest opvallende structuren op Enceladus zijn de enorme kloven. Ze kunnen tot 200 kilometer lang zijn, 5-10 kilometer breed en 1 kilometer diep. Dit zijn geologisch gezien jonge structuren omdat ze door andere tektonische kenmerken snijden en ze zorgen voor een scherp topografisch reliëf.

Bewijs van tektonische activiteit wordt ook geleverd door het gegolfde terrein dat bestaat uit lanen van gekromde formaties en ruggen die vaak gladde vlaktes scheiden van bekraterde gebieden. Ook zijn er diepe breuken zichtbaar die vaak in groepen door bekraterd terrein heen lopen.

Ook zijn er lineaire groeven zichtbaar die door andere terreintypes heen snijden. Ook dit zijn jonge structuren op Enceladus.

Enceladus is ook bekend om zijn “tijgerstrepen”. Dit zijn een serie van breuken die zich bevinden in het zuidelijke poolgebied. Deze tijgerstrepen zijn vermoedelijk de jongste structuren op de maan. Ook in dit gebied komen er nauwelijks inslagkraters voor. Opnieuw bewijs voor nog steeds voortgaande geologische activiteit.

Atmosfeer

Enceladus heeft een atmosfeer die, op de atmosfeer van Titan na, de grootste is van alle manen in het zonnestelsel. De atmosfeer wordt veroorzaakt door periodiek cryovulkanisme waarbij gassen en dampen ontsnappen uit het binnenste van de maan. Het bewijs van deze ijle atmosfeer werd in 2005 geleverd door de magnetometer van de Cassini-sonde.

De magnetometer nam een toename plaats van de kracht van ionische cyclotron golven die worden geproduceerd door de interactie van geïoniseerde deeltjes en magneetvelden. Bij de volgende scheervluchten langs Enceladus stelde de magnetometer vast dat de gassen in de atmosfeer geconcentreerd waren boven het zuidpoolgebied. Verder weg van de polen nam ook de dichtheid af.

De atmosfeer bestaat voor 91% uit waterdamp maar er zijn ook andere moleculen aangetroffen zoals stikstof (4%) en koolstofdioxide (3,2%). Er zijn organische moleculen gevonden waaronder 1,7% methaan en sporen van propaan, acetyleen en formaldehyde.

Bewoonbaarheid

Enceladus - geisers

Enorme geisers op Enceladus die waterijs de ruimte in spuiten. Opname gemaakt door de Cassini ruimtesonde

Sinds de ontdekking van de geisers en het bewijs dat er een ondergrondse oceaan aanwezig is speculeren wetenschappers op de mogelijkheid tot leven op Enceladus. Omdat de maan erg veel zonlicht reflecteert is het er rond de middag maximaal 198 °C. Enceladus is hiermee kouder dan de andere manen van Saturnus. Echter, in de kern en de ondergrondse oceaan zouden de omstandigheden voor mogelijk leven gunstiger kunnen zijn.

De resonantie met Dione heeft invloed op de excentriciteit van de baan en leidt tot een opwarming als gevolg van getijdenwerking in het binnenste. Dit is een mogelijke verklaring voor de geologische activiteit en suggereert ook dat de ondergrondse oceaan in de buurt van de kern warmer is. Geologische modellen voorspellen ook dat de kern poreus is waardoor er water doorheen kan vloeien om de warmte op te nemen.

In 2015 is er een model van de ondergrondse oceaan opgesteld en die suggereert dat het water een pH van 11 of 12 moet hebben. Deze hoge pH waarde wordt veroorzaakt door anaerobe oxidatie van chrondritisch gesteente waarbij moleculair waterstof (H2) vrij komt. Deze geochemische bron van energie kan door methanogene bacterieën worden gebruikt.

De aanwezigheid van een interne zoute oceaan met een energiebron en eenvoudige organische componenten zijn allemaal sterke indicatoren dat microben zouden kunnen bestaan dicht in de buurt van de kern waar het water warm is en de basale bouwstenen voor leven aanwezig zijn.

Verkenning

Enceladus is aan het einde van de 18-de eeuw ontdekt maar de maan bleef lange tijd een mysterie. Dat veranderde pas toen in 1980 en 1981 de beide Voyager-sondes een scheervlucht maakten langs Saturnus en zijn manen.

De Voyagers lieten zien dat de maan slechts 500 kilometer in diameter was, minder dan 1/10-de van de diameter van Titan, de grootste maan van Saturnus. Ze leerden ons ook dat het overgrote deel van het oppervlak bedekt is met vers, schoon ijs waardoor het bijna 100% van het opvallende zonlicht weerkaatst.

Voyager 1 bevestigde ook dat Enceladus zich in het dichtste deel van de diffuse E-ring van Saturnus bevindt. Gecombineerd met het jeugdige uiterlijk van de maan concludeerden wetenschappers destijds al dat de E-ring vermoedelijk bestond uit deeltjes die van Enceladus afkomstig zijn. Voyager 2 leverde betere foto’s op die het jonge uiterlijk bevestigden maar ook enkele andere kenmerken.

Vanaf 2005 begon de Cassini ook meerdere scheervluchten te maken waarbij het oppervlak gedetailleerd in beeld werd gebracht. Cassini ontdekte de geisers aan de zuidpool van de maan. Geisers die de gemoederen nog steeds bezig houden.

Cassini heeft sterk bewijs voor een ondergrondse oceaan geleverd. Een oceaan met een eigen energiebron, voedingsstoffen en organische moleculen. Dit maakt Enceladus een van de beste plaatsen in het zonnestelsel die potentieel geschikt zijn voor buitenaards leven. Het water dat zich vermoedelijk in een ondergrondse oceaan op de Jupitermaan Europa bevindt, zit onder een veel dikkere laag ijs.

Op 14 oktober 2015 maakte de Cassini-sonde zijn laatste scheervlucht langs Enceladus. De sonde vloog op een afstand van 18369 kilometer over het noordpoolgebied heen. Het was de eerste keer dat de Cassini dit noordpoolgebied kon waarnemen. De voorgaande keren was het winter op het noordelijk halfrond van de maan en was het in duisternis gehuld.

De Cassini heeft diverse foto’s gemaakt van verschillende oppervlaktestructuren waaronder kraters (en veel van die kraters leken te smelten), breuklijnen en gerimpeld terrein. Deze structuren lijken er op te duiden dat in het verleden de omwentelingssnelheid van de maan is veranderd en dat is een ander indicatie dat de maan in zijn bestaan verschillende periodes van geologische activiteit heeft gekend.

De ontdekkingen die de Cassini-sonde heeft gedaan bij Enceladus vragen om vervolg onderzoek. In 2013 stelde de NASA een mogelijk missie voor die monsters zou nemen op de maan en een goedkope orbiter. Deze missie zou omstreeks 2020 gelanceerd moeten worden en in totaal 15 jaar moeten duren.

Een ander voorstel beschrijft een verkenner die een scheervlucht langs de maan moet maken en die bekend is onder de naam JET (Journey to Enceladus and Titan). Deze verkenner zou de samenstelling van de geisers moeten gaan bepalen. Deze missie zou een orbiter hebben die is uitgerust met een hoge resolutie massaspectrometer om na te gaan of er op Titan en Enceladus biologisch potentieel aanwezig is.

Het Duitse ruimtevaartinstituut heeft ook een missie voorgesteld naar Enceladus om de bewoonbaarheid van de ondergrondse oceaan te onderzoeken, de Enceladus Explorer. Daarnaast zijn er twee astrobiologische concepten uitgewerkt (de Enceladus Life Finder en de Life Investigation For Enceladus). In 2007 stelde de ESA voor om een verkenner naar Enceladus te sturen. Deze missie zou gecombineerd moeten worden met een bezoek aan de maan Titan. Deze missie staat bekend onder de naam TandEM (Titan and Enceladus Mission).

Dan ligt er ook nog een gecombineerde missie op tafel van de NASA en de ESA. Dit is de Titan Saturn System Mission. Deze TSSM-missie moest competitie voeren tegen het Europe Jupiter System Mission (EJSM) voorstel voor budget. In februari 2009 kondigden NASA en ESA aan dat de EJSM-missie voorrang kreeg boven de TSSM. Dit betekent overigens niet dat de TSSM-missie van de baan is.

Uit al deze voorstellen blijkt dus dat Enceladus voor de wetenschap een buitengewoon interessant object is. Naast de Aarde, Io en Triton is Enceladus één van de weinige objecten in het zonnestelsel die vulkanische activiteit vertonen. Daarnaast is er de duidelijke mogelijkheid dat er, net zoals op de maan Europa, leven mogelijk is onder het bevroren oppervlak maar dat mogelijke leven bestuderen zou op Enceladus een heel stuk gemakkelijker gaan dan op Europa.

Het lijkt er dus sterk op dat Enceladus bij toekomstige missies naar Saturnus opnieuw in de belangstelling van de wetenschappers zal staan en misschien zal er zelfs wel ooit een lander op de maan neerstrijken om te achterhalen wat er nu werkelijk gaande is onder het oppervlak van deze intrigerende maan.

Enceladus in cijfers

Enceladus in cijfers
Ontdekt door William Herschel
Datum ontdekking 1789
Gemiddelde afstand tot Saturnus 238.037 km
Periapsis (dichtste nadering tot Saturnus) 236.918 km
Apoapsis (grootste afstand tot Saturnus) 239.156 km
Jaar 14,37 Aardse dagen
Omtrek baan 1.495.622,32 km
Gemiddelde baansnelheid 45.487,3 km/u
Baan excentriciteit 0,0047
Equatoriale inclinatie t.o.v. de baan 0,009°
Gemiddelde straal 252,1 km
Omtrek aan de evenaar 1.584,0 km
Volume 67.113.076 km3
Massa 107.944.591.230.692.000.000 kg
Dichtheid 1,608 g/cm3
Oppervlakte 798.648,27 km2
Zwaartekracht aan de oppervlakte 0,113 m/s2
Ontsnappingssnelheid 8615 km/u

Laatste bewerking: 17 november 2015
Bron: UniverseToday