Europa – maan van Jupiter

Jupitermaan Europa
De breuklijnen als gevolg van de getijdenwerkingen zijn goed zichtbaar

De vier grootste manen van Jupiter, de Galileïsche manen, zijn Io, Europa, Ganymedes en Callisto. Sinds ze meer dan 400 jaar geleden zijn ontdekt hebben we heel veel over ze geleerd. Zo komen er mogelijk ondergrondse oceanen voor, hebben ze atmosferen en vertonen ze vulkanische activiteit. Er is een maan met een magnetosfeer en een maan die mogelijk veel meer water bevat dan de Aarde.

Van deze vier manen spreekt Europa vermoedelijk het meest tot de verbeelding. Europa is de kleinste van de vier Galileïsche manen en in afstand de zesde maan tot Jupiter. De maan heeft een ijsachtig oppervlak en mogelijk een binnenste waar warm water voorkomt. Momenteel is Europa één van de meest waarschijnlijke kandidaten voor het voorkomen van leven buiten de Aarde.

Ontdekking en naamgeving

Samen met Io, Ganymedes en Callisto werd Europa in januari 1810 ontdekt door Galileo Galilei. Galileo gebruikte hiervoor een zelfgemaakte telescoop. Galileo dacht te maken hebben met gefixeerde sterren maar verdere waarnemingen maakten heb duidelijk dat deze “sterren” zich in een baan om Jupiter moesten bevinden en dat het dus manen moesten zijn.

Net zoals de andere Galileïsche manen is Europa vernoemd naar een geliefde van de Griekse oppergod Zeus. Europa was een Phoenicische edelvrouw en de dochter van de koning van Tyre (een stad in het huidige Libanon). Ze werd later de geliefde van Zeus en koningin van Kreta. Deze naamgeving werd voorgesteld door de Duitse astronoom Simon Marius die de vier manen onafhankelijk van Galileo ontdekte.

Galileo weigerde om deze namen te gebruiken en ze waren ook lange tijd niet populair. Galileo stelde een ander schema voor om de manen te benoemen: Jupiter I t/m Jupiter IV. In dit schema is Europa Jupiter II. Het duurde tot de twintigste eeuw voordat de naamgeving van Marius algemeen werd geaccepteerd en gebruikt.

In 1892 werd de maan Amalthea ontdekt. Deze maan bevindt zich dichter bij Jupiter dan de Galileïsche manen en dus schoof Europa door naar plaats III. In 1979 ontdekten de Voyager-sondes nog eens drie drie binnenste manen en schoof Europa door naar positie VI.

Grootte, massa en baan

Europa heeft een straal van 1560 kilometer en een massa van 4,7998 * 1022 kilogram. Dit komt over een met 0,245 maal de grootte van de Aarde en 0,008 keer het gewicht van de Aarde. Europa is een beetje kleiner dan onze eigen Maan. In grootte is Europa de zesde maan in het zonnestelsel en het vijftiende object in het zonnestelsel. De baan van Europa is bijna cirkelvormig; de excentriciteit bedraagt 0,09. De gemiddelde afstand tot Jupiter bedraagt 670,900 kilometer met een periapsis van 664,862 kilometer en een apoapsis van 676,938 kilometer.

Net zoals de andere Galileïsche manen draait Europa in een gebonden rotatie om Jupiter heen. Dit wil zeggen dat Europa altijd met dezelfde zijde naar Jupiter is gericht, net zoals de maan altijd met dezelfde zijde naar de Aarde toe is gericht. Astronomen denken echter dat er mogelijk sprake van een niet volledig gebonden rotatie waardoor er wellicht toch nog een niet-synchrone rotatie aanwezig is.

Dit betekent dat Europa sneller om zijn as draait dan dat de maan om Jupiter heen draait. Dit kan worden veroorzaakt door een afwijking in de verdeling van de interne massa waardoor de rotsachtige kern langzamer draait dan de korst die uit ijs bestaat. Deze theorie ondersteunt het idee van een ondergrondse oceaan die de korst scheidt van de kern.

Europa heeft 3,55 dagen nodig voor een ronde om Jupiter. De inclinatie ten opzichte van de evenaar van Jupiter bedraagt slechts 0,470° en de inclinatie ten opzichte van de ecliptica bedraagt 1,791°. De baanresonantie met Io bedraagt 2:1. Dit betekent als Io twee keer om Jupiter is geweest Europa dit één keer heeft gedaan.

De kleine excentriciteit in de baan van Europa wordt in stand gehouden door de invloed van de zwaartekracht van de andere Galileïsche manen. Daarnaast zorgt de invloed van de zwaartekracht van Jupiter op de maan er voor dat Europa een beetje wordt gekneed. Dit zou ook voor een getijdenwerking zorgen in de ondergrondse oceanen.

Samenstelling en oppervlakte kenmerken

Interne opbouw van de Jupitermaan Europa
Interne opbouw van de Jupitermaan Europa

Europa heeft een gemiddelde dichtheid van 3,013 ± 0,005 gram/cm3. De maan heeft een significant lagere dichtheid dan de andere Galileïsche manen maar de dichtheid is wel vergelijkbaar met veel andere manen in de buitenste delen van het zonnestelsel. Het binnenste van Europa bestaat uit silicaathoudend gesteente, de kern is vermoedelijk ijzer.

Over dit binnenste van gesteente bevindt zicht een laag waterijs die ongeveer 100 kilometer dik is. Deze laag kan vermoedelijk worden opgedeeld in een bevroren korst waar zich een laag van vloeibaar water onder bevindt. Als deze oceaan echt bestaat dan is dit vermoedelijk warm, zout water waarin zich organische moleculen bevinden. Het water is mogelijk rijk aan zuurstof en het wordt verwarmd door de geologisch actieve kern van Europa.

Het oppervlak van Europa behoort tot de gladste in ons zonnestelsel. Er zijn maar weinig grote structuren zichtbaar zoals bergen en kraters. Dit is vermoedelijk een gevolg van de tektonische activiteit waardoor het oppervlak vanuit het binnenste regelmatig wordt ververst. Astronomen schatte de ouderdom van het oppervlak op 20 tot 180 miljoen jaar en dat is in geologische termen erg jong.

Kijken we op een kleinere schaal naar de evenaar van de maan dan zien we heel veel ijsachtige structuren die ongeveer 10 meter hoog zijn. Ze worden penitenten genoemd en ze ontstaan door het effect van direct zonlicht aan de evenaar waardoor er door een smeltproces verticale scheuren ontstaan. Ook zijn er aan het oppervlak grote kriskras verlopende lijnen zichtbaar.

De grotere lijnen hebben een doorsnede van meer dan 20 kilometer, de randen zijn vaak donker en diffuus met regelmatige strepen. In het midden is vaak een centrale lichtere lijn zichtbaar. Deze lijnen zijn vermoedelijk ontstaan uit erupties van warm ijs doordat de korst van Europa zich als gevolg van hitte vanuit het binnenste opent. Het proces zou enigszins vergelijkbaar zijn met de bergruggen die we kennen op de bodem van de oceanen op Aarde.

Een andere mogelijkheid is dat de ijsachtige korst sneller roteert dan het binnenste van de maan. Dit wordt mogelijk veroorzaakt door de aanwezigheid van een enorme ondergrondse oceaan die zich tussen de mantel en de korst in bevindt en de invloed van de zwaartekracht van Jupiter op de buitenste ijsachtige korst. De ijsachtige buitenste laag van de maan zou zich dan gedragen als de tektonische platen op Aarde.

Verder zijn er cirkelvormige en elliptische structuren zichtbaar die duiden op de aanwezigheid van koepels en grote gaten. Het lijkt er op dat deze koepels zijn ontstaan toen vlaktes vanuit het binnenste naar boven werden gedrukt.

Ze zouden kunnen zijn ontstaan doordat relatief warm ijs vanuit het binnenste omhoog werd gedrukt, enigszins vergelijkbaar met het opstuwen van magma vanuit het binnenste van de Aarde. De gladde structuren zouden ontstaan kunnen zijn als gevolg van smeltwater en de ruwe structuren door de fragmentatie van donker materiaal. Een andere verklaring is dat deze structuren zich bevinden bovenop grote meren van vloeibaar water die opgesloten zitten in de korst, los van de grote ondergrondse oceaan.

Toen in 1979 de Voyagers hun scheervluchten maakten langs Europa namen astronomen ook grote vegen waar die uit roodbruin materiaal bestaan. Spectroscopisch onderzoek heeft geleerd dat deze vegen rijk zijn aan zouten waaronder magnesiumsulfaat (MgSO4) en zwavelzuurhydraat (H4O5S). Ze zijn het resultaat van het verdampen van water dat vanuit het binnenste van de maan naar boven is gekomen.

het albedo van Europa bedraagt 0,64. Dit is het hoogste albedo van alle manen. De straling aan de oppervlakte bedraagt ongeveer 5400 micro-Sievert (540 rem) per dag en dat is een voor mensen dodelijke dosis. De temperatuur aan de oppervlakte is ongeveer -160°C aan de evenaar en ongeveer -220°C aan de polen. Bij deze temperaturen blijft de korst van de maan zo hard als graniet.

Ondergrondse oceaan

Er is wetenschappelijke overeenstemming dat er een zich onder het oppervlak van Europa een laag van vloeibaar water moet bevinden die door de warmte die vrijkomt door getijdenwerking vloeibaar kan blijven. Het bestaan van deze ondergrondse oceaan wordt met een aantal feiten onderbouwd. Ten eerste zijn er verschillende modellen waarbij interne opwarming wordt veroorzaakt door getijdenwerking als gevolg van de interactie tussen Europa met het magnetische veld van Jupiter en de andere manen.

Ook de Voyager- en de Galileo-missies hebben bewijs voor deze ondergrondse oceaan aangedragen. Foto’s gemaakt door deze verkenners laten structuren aan het oppervlak zien die het resultaat kunnen zijn van een ondergrondse oceaan die door de ijsachtige korst heen smelt. Uitgaande van dit model is de ijslaag slechts een paar honderd meter tot een paar kilometer dik en dat zou betekenen dat er regelmatig contact is tussen het vloeibare binnenste en het oppervlak door middel van open kloven.

Dit model is echter redelijk controversieel. De meeste astronomen gaan uit van een dikke laag ijs waarbij er zelden tot nooit contact is tussen het vloeibare water en het oppervlak. Beste bewijs voor dit model zijn de kraters waarvan de grootste zijn omringd door concentrische ringen. Deze kraters lijken gevuld te zijn met relatief vlak en vers ijs.

De Galileische manen
familieportret van de Galileische manen van Jupiter. van links naar rechts: Ganymedes, Callisto, Io en Europa.

Gebruikmakende van berekeningen van de hoeveelheid warmte die vrijkomt door getijdenwerking schatten astronomen de dikte van de ijslaag op 10-30 kilometer inclusief een laag kneedbaar warm ijs. Dit zou betekenen dat de onderliggende oceaan mogelijk tot 100 kilometer diep kan zijn.

Berekeningen over de hoeveelheid water komen dan uit op 3 * 1018 m3 water. Dit is ongeveer twee keer meer dan de totale hoeveelheid water in de oceanen op Aarde.

Aanvullend bewijs voor de ondergrondse oceaan werd geleverd door de Galileo-sonde die aantoonde dat Europa een zwak magneetveld heeft dat wordt opgewekt door het variabele gedeelte van het magneetveld van Jupiter. De veldsterkte die hierbij wordt opgewekt is ongeveer 1/6-de van de sterkte van het magneetveld van de maan Ganymedes en ongeveer zes keer zo sterk als het magneetveld van de maan Callisto. Om het magneetveld mogelijk te maken moet er een laag aanwezig zijn in het binnenste van Europa die sterk elektrisch geleidend is. Een plausibele verklaring is een grote ondergrondse oceaan bestaande uit vloeibaar zout water.

Europa heeft ook periodiek verschijnende geisers die waterdamp de ruimte in storen tot wel 200 kilometer hoog. Dit is meer dan 20 keer de hoogte van de Mount Everest. Deze geisers zijn alleen zichtbaar als Europa zich in zijn verste punt van zijn baan om Jupiter bevindt. De geisers zijn nog niet waargenomen als Europa op zijn dichtste punt bij Jupiter is.

De enige andere maan in het zonnestelsel waarop dergelijke geisers van waterdamp zijn aangetroffen is Enceladus, een maan van Saturnus. De geisers op Europa stoten wel veel meer waterdamp uit, ongeveer 7000 kg/sec, dan de geisers op Enceladus die “slechts” 200 kg/sec. waterdamp uitstoten.

Atmosfeer

De Galileo-sonde toonde in 1995 aan dat Europa een erg ijle atmosfeer heeft die voornamelijk uit moleculair zuurstof (O2) bestaat. De druk van de atmosfeer aan het oppervlak bedraagt 0,1 micro-Pascal en dat is 10-12 maal minder dan op Aarde. In 1997 bevestigde de Galileo-sonde de aanwezigheid van een ijle ionosfeer. Deze ionosfeer wordt in stand gehouden door straling van de Zon en de invloed van energetische deeltjes uit de magnetosfeer van Jupiter.

De zuurstof in de atmosfeer heeft, niet zoals op Aarde, een biologische oorsprong. De zuurstof ontstaat door een proces dat radiolyse heet. Ultraviolette straling uit de magnetosfeer van Jupiter botst op het ijsachtige oppervlak van Europa waarbij water wordt gesplitst in zuurstof en waterstof. Dezelfde straling is er voor verantwoordelijk dat materiaal van het oppervlak wordt afgestoten. Het evenwicht tussen deze processen zorgt voor de aanwezigheid van de atmosfeer.

Metingen hebben aangetoond dat niet alle zuurstof naar de atmosfeer toe gaat maar dat er ten gevolge van de massa van de zuurstof en de zwaartekracht ook een gedeelte aan het oppervlak blijft. Omdat er een interactie is tussen het oppervlak en de ondergrondse oceaan is het niet uitgesloten dat een deel van deze zuurstof in de oceanen is opgenomen waar het aan biologische processen kan deelnemen.

De vrijkomende waterstof verdwijnt volledig in de atmosfeer en van daaruit vermoedelijk in de ruimte. Hierbij verdwijnen ook atomair en moleculair zuurstof.

Deze neutrale wolk is ook waargenomen door de Galileo sonde en de Cassini-sonde. Er komen meer atomen en moleculen in voor dan de neutrale wolk die zich om de binnenste maan Io bevindt. Modellen voorspellen dat uiteindelijk alle atomen en moleculen worden geïoniseerd en als bron kan dienen voor de plasma in de magnetosfeer van Jupiter.

Verkenning

In 1973 en 1974 waren het de Pioneer 11 en 12 die als eerste een scheervlucht langs Europa maakten. Vergeleken met de foto’s van latere missies leverde dit foto’s op van een lage kwaliteit. In 1979 scheerden de beide Voyagers langs de maan en dit leverde al beduidend betere beelden op. Het waren deze beelden die leidden tot de eerste speculaties over een ondergrondse oceaan op Europa.

In 1995 begon de Galileo-sonde aan zijn verkenning van Jupiter en zijn manen. De Galileo-sonde zou 8 jaar lang onderzoek verrichten aan het Jupiterstelsel. Na de Galileo-sonde zijn er geen verkenners meer bij Europa geweest.

Echter de sterke aanwijzingen voor een ondergrondse oceaan en de mogelijkheid om er leven te vinden hebben er toe geleid dat Europa volop in de belangstelling staat. Er wordt dan ook druk gelobbyd voor nieuwe missies naar de maan die de chemische samenstelling goed moeten gaan onderzoeken en de mogelijkheden voor de aanwezigheid van buitenaards leven in de ondergrondse oceaan aan moeten tonen.

In 2011 stelde de United States Planetairy Science Decadal Survey. In reactie hierop kwam de NASA in 2013 met het voorstel om een lander op Europa te plaatsen in combinatie met een verkenner in een baan om de maan.

In januari 2014 werd 80 miljoen dollar vrijgemaakt om conceptplannen uit te werken en in juli 2013 kwam het Jet Propulsion Laboratory van de NASA met een bijgewerkt plan voor een scheervlucht langs Europa; de Europa Clipper-missie.

In mei 2015 kondigde NASA aan dat de Europa Clipper missie was geaccepteerd en werd er bekend gemaakt welke instrumenten de verkenner zal hebben. De Clipper wordt o.a. uitgerust met een radar die door ijs heen kan kijken, een korte golf infrarood spectrometer, een camera die de topografie voor zijn rekening gaat nemen en een ionen- en een neutrale massa spectrometer.

Het doel van de missie is een onderzoek in te stelen naar de bewoonbaarheid van de maan en landingssites te selecteren voor toekomstige missies. Er komt geen orbiter in een baan om Europa maar eentje die in een baan om Jupiter draait en die in totaal 45 scheervluchten langs Europa gaat maken. Er zijn ook plannen om een verkenner in een baan om Europa te brengen die de ondergrondse oceaan in kaart moet brengen. Een dergelijke verkenner zou dan uitgerust worden met een lasergestuurde hoogtemeter, een magnetometer, een Langmuir probe, een radio-subsysteem en een camera om het oppervlak in kaart te brengen.

Verder liggen er plannen klaar voor een Europa lander die vergelijkbaar is met de rovers die de NASA op Mars heeft laten rondrijden. Ook dergelijke landers zouden onderzoek kunnen doen naar de bewoonbaarheid van de maan en het bestaan van water en de samenstelling daarvan onder het oppervlak van Europa.

In 2012 selecteerde de ESA het JUICE concept (JUpiter ICey moon Explorer) als een geplande missie. Deze missie zal een aantal scheervluchten maken langs Europa maar zal voornamelijk onderzoek doen aan de maan Ganymedes. Er liggen nog veel meer plannen klaar die wachten op budgetten en goedkeuring en al deze plannen tonen aan dat de astronomische gemeenschap het belangrijk vindt dat we naar Europa gaan voor nader onderzoek.

Bewoonbaarheid

Europa staat in het zonnestelsel hoog p de lijst van plaatsen waar mogelijk leven mogelijk is. Er zou leven kunnen voorkomen in de ondergrondse oceaan mogelijk vergelijkbaar met het leven in op de diepe oceaanbodems op Aarde.

Op 12 maart5 2015 kondigde de NASA aan dat zeezout uit een ondergrondse oceaan mogelijk geologische structuren aan de oppervlakte heeft bedekt. Hiermee wordt gesuggereerd dat de oceaan reageert met de zeebodem. Dit is belangrijk bij het bepalen of Europa bewoonbaar is omdat dit zou betekenen dat er zuurstof in de oceanen aanwezig is.

De energie die wordt opgewerkt door getijdenwerking activeert geologische processen in het binnenste van de maan. Deze energie is onvoldoende om een ecosysteem dat is gebaseerd op fotosynthese in stand te houden. Leven op Europa is hooguit geconcentreerd rondom hydrothermale bronnen op de bodem van de oceaan of onder de bodem van de oceaan.

Eventueel zou er leven mogelijk kunnen zijn in de onderste ijsmassa’s van de maan, vergelijkbaar met algen en bacteriën in het poolijs op Aarde. Biologische processen zoals ze op Aarde voorkomen zijn er onmogelijk. Als het water te zout is dan zijn er alleen extreme levensvormen mogelijk.

Er zijn ook aanwijzingen dat er water voorkomt in de vorm van meren. Deze meren bevinden zich in de ijsachtige laag en ze zijn gescheiden van de ondergrondse oceaan. Als deze meren bestaan dan zijn ze ook een mogelijke bron voor leven maar ook hiervoor geldt dat hun temperatuur en de hoeveelheid zout van groot belang zijn.

Verder is er bewijs aangetroffen dat er aan het oppervlak van Europa veel waterstofperoxide (H2O2) voorkomt. Als dit in contact komt met water dan valt het uit elkaar in zuurstof en water. Volgens wetenschappers kan dit peroxide een belangrijke energiebron zijn voor eenvoudige levensvormen.

Gebaseerd op data van de Galileo-verkenner kondigde NASA in 2013 de ontdekking aan van kleiachtige mineralen. Dergelijke mineralen worden vaak in verband gebracht met organisch materiaal. Deze mineralen zijn mogelijk het resultaat van een botsing met een komeet of een asteroïde.

Kolonisatie

De mogelijkheid dat mensen Europa ooit zullen koloniseren houdt zowel de wetenschap als de science fiction al lange tijd bezig. Voorstanders van deze kolonisatie wijzen vaak op de vele voordelen die Europa heeft boven bijvoorbeeld Mars. Belangrijkste hierbij is de aanwezigheid van water. Dat water is mogelijk lastig te verkrijgen en er zal stevig voor geboord moeten worden in de keiharde bovenlaag maar er is wel erg veel water aanwezig op Europa. Naast drinkwater kan de ondergrondse oceaan ook gebruikt worden als bron van zuurstof en raketbrandstof voor aanvullende missies.

De aanwezigheid van water en waterijs schept ook mogelijkheden om de planeet te terravormen. Met behulp van nucleaire apparaten, komeetachtige inslagen en andere middelen zou de temperatuur aan het oppervlak verhoogd kunnen worden waarbij het ijs kan sublimeren en een grote atmosfeer van waterdamp kan vormen. Deze damp zal dan als gevolg van radiolyse worden omgezet in zuurstofgas (dat dicht bij de planeet zal blijven) en waterstofgas dat naar de ruimte zal ontsnappen.

Natuurlijk zal dit ook weer zorgen voor andere problemen want hoe om te gaan met de enorme straling van Jupiter die sterk genoeg is om een mens binnen een dag te doden? Een kolonie op Europa zou moeten wonen onder sterke schilden of misschien zelfs het ijs gebruiken als beschermend schild door ondergronds te gaan wonen.

Dan is er ook nog de lage zwaartekracht op Europa die het lastig maakt voor mensen om zich er te vestigen. De effecten van micro-zwaartekracht op het menselijk lichaam worden uitgebreid bestudeerd door astronauten in het ISS. Dit draait op enkele honderden kilometers hoogte om de Aarde heen. Langdurig verblijf leidt tot verlies aan botmassa, spierverslapping en een zwakker immuun systeem.

Effecten van micro-zwaartekracht kunnen worden tegengegaan door dagelijks veel lichamelijke oefeningen te doen maar astronauten hebben er relatief kort mee te maken. Hoe dit uitpakt op mensen die lange tijd te maken hebben met deze geringe zwaartekracht is nog onbekend. Bovendien weten we nog helemaal niks over hoe kinderen zich zouden ontwikkelen in een dergelijke geringe zwaartekracht.

Er zijn speculaties dat er mogelijk buitenaardse organismen zouden voorkomen op Europa. Mogelijk in het water van de ondergrondse oceaan. Als dit waar zou zijn dan krijgen menselijke kolonisten ook te maken met mogelijk schadelijke micro-organismen of andere agressieve levensvormen. Ook het instabiele oppervlak zou grote problemen kunnen veroorzaken. We weten dat het oppervlak van binnenuit regelmatig wordt ververst dus natuurrampen zouden een normaal fenomeen kunnen zijn op Europa.

In 1997 kondigde een privé;e onderneming, het Artemis Project, aan dat ze plannen hadden om Europa te gaan koloniseren. Volgens deze plannen zouden kolonisten eerst een kleine basis stichten aan het oppervlak en dan een gat boren door de ijskorst heen om een ondergrondse kolonie te stichten die beschermd zou zijn tegen de sterke straling van Jupiter. Maar het is voorlopig bij mooie plannen gebleven. Echt resultaat heeft dit project tot op heden niet geboekt.

In 2013 werd het “Objective Europa” opgericht. Hieraan namen architecten, ontwerpers, voormalige NASA-specialisten en ook beroemdheden als Jacques Cousteau deel. Deze organisatie heeft heeft publieke gelden ingezameld om, vergelijkbaar met het Mars One project, expertise te vergaren voor een bemande missie naar Europa om er een kolonie te stichten.

In september 2013 begon “Objectve Europa” met een fase waarin theoretische research wordt gedaan en er een concept wordt ontwikkeld. Als deze fase is afgerond dan zal men beginnen aan het meer gedetailleerd uitwerken van de plannen, de voorbereidingen voor de missie en het zoeken van bemanningsleden. Hun intentie is op ergens tussen 2045 en 2065 een missie te laten landen op Europa

Los van het feit of er ooit mensen op Europa zullen kunnen wonen is het wel duidelijk dat onze belangstelling voor de maan erg groot is. De verwachting is dan ook dat er de komende tientallen jaren diverse verkenners, zowel orbiters als landers, naar deze verre maan gestuurd gaan worden in de hoop dat de vele mysteries die er nu nog zijn worden opgelost.

 

Eerste publicatie: 24 november 2015
Laatste keer bewerkt op: 15 oktober 2017

Bron: UniverseToday