Каллісто довгий час вважали своєрідним «архівом» ранньої Сонячної системи. Його поверхні понад 4 млрд років, вона густо вкрита старими ударними кратерами, а ознак потужної внутрішньої геологічної активності, подібної до тієї, що спостерігається на Іо чи Європі, майже не видно. Але це не означає, що Каллісто є абсолютно нерухомим.
Нові спостереження космічного телескопа James Webb Space Telescope показали, що поверхня супутника постійно змінюється під дією зовнішнього середовища — передусім магнітосферної плазми Юпітера, сонячного та юпітеріанського випромінювання, а також ударів космічних тіл. Учені фактично побачили на Каллісто складний хімічний цикл, який раніше було важко розгледіти.
Лід, який розповідає історію ударів
Міжнародна команда під керівництвом Марії Камарки з Каліфорнійського технологічного інституту використала ближній інфрачервоний спектрограф NIRSpec. Він дозволив дослідникам скласти карти розподілу речовин на поверхні Каллісто в інфрачервоному діапазоні.
Особливу увагу привернув водяний лід.
Його наявність визначали за характерною спектральною особливістю поблизу 3,1 мкм — так званим піком Френеля, пов’язаним із кристалічним льодом.
На передній півкулі Каллісто розподіл льоду напряму пов’язаний із геологічними структурами. Великі ударні басейни Асгард і Вальгалла, а також відносно молоді кратери Лефн і Геймдалль мають підвищений вміст льоду.
Це цілком логічно: потужний удар астероїда або іншого космічного тіла може пробити темний поверхневий шар і викинути назовні свіжіший, багатший на лід матеріал із глибини.
Тобто кратери Каллісто виявляються не просто старими шрамами. Вони можуть бути своєрідними «вікнами» у склад його підповерхневих шарів.
Але задня півкуля поводиться зовсім інакше
Найцікавіше відкриття стосується задньої півкулі. Там зв’язок між льодом і великими геологічними структурами практично зникає. Замість цього NIRSpec виявив своєрідний «бичачий глаз»: сигнал водяного льоду слабший поблизу екватора і посилюється в напрямку вищих широт.
Ймовірне пояснення пов’язане з магнітосферою Юпітера.
Каллісто рухається всередині величезної магнітосфери планети, де поверхню постійно бомбардують заряджені частинки. Їхній потік неоднаково впливає на різні півкулі супутника. Дослідники припускають, що саме це зовнішнє «опромінення» може змінювати структуру водяного льоду.
І тут виникає особливо цікава можливість: Каллісто може бути геологічно спокійним усередині, але хімічно активним на поверхні.
Звідки на Каллісто взявся CO₂?
Ще несподіванішим стало виявлення твердого вуглекислого газу.
NIRSpec зафіксував сильну спектральну особливість на 4,25 мкм, характерну для замерзлого CO₂. Попередні спостереження вже натякали на його присутність, але JWST дозволив набагато детальніше простежити його просторовий розподіл.
На задній півкулі CO₂ переважно концентрується поблизу центральної області. І що цікаво — його розподіл фактично протилежний розподілу водяного льоду. Це може бути важливою підказкою.
Одна з гіпотез полягає в тому, що заряджені частинки магнітосфери Юпітера запускають радіоліз — хімічні перетворення речовин під дією високоенергетичного випромінювання. Вода, вуглецевмісні матеріали та інші компоненти поверхні можуть під його впливом перетворюватися на нові сполуки, зокрема CO₂.
Таким чином, Юпітер може буквально «переробляти» поверхню свого супутника за допомогою потоку заряджених частинок.
Кратери Лефн і Геймдалль — особлива загадка
На передній півкулі ситуація інша. Найсильніший сигнал твердого CO₂ пов’язаний із районами кратерів Лефн і Геймдалль. Оскільки ці ударні структури відносно молоді, вчені припускають, що частина вуглекислого газу могла бути вивільнена безпосередньо під час удару.
Це важливий результат, адже він дозволяє відокремити два можливі механізми появи CO₂: радіолітичне виробництво під дією частинок Юпітера; вивільнення або утворення речовини під час ударних подій.
Якщо друга гіпотеза підтвердиться, кратери Каллісто стануть надзвичайно цінними для вивчення його підповерхневого складу.
У Каллісто є навіть атмосфера
JWST підтвердив наявність надзвичайно розрідженої CO₂-атмосфери Каллісто. Вона настільки тонка, що її правильніше називати екзосферою, але молекули газоподібного вуглекислого газу справді присутні.
Причому газ розподілений по супутнику неоднорідно.
Найбільша концентрація спостерігається в районі басейну Вальгалла. Але є парадокс: ця область не збігається ні з найбільшими запасами твердого CO₂, ні з найтеплішими ділянками поверхні.
Отже, проста схема «нагрілося → лід випарувався → утворилася атмосфера» тут, схоже, не працює.
Можливо, CO₂ постійно переміщується між поверхнею та екзосферою, або ж існують інші механізми його утворення й перенесення, які сучасні моделі поки не враховують.
Що приховується на 4,57 мікрометра?
JWST також побачив ще одну загадкову спектральну особливість — близько 4,57 мкм.
Попередні дослідження пов’язували її з органічними залишками або іншими вуглецевмісними речовинами. Нові дані знову підтверджують наявність цього сигналу, але його точне походження залишається невизначеним. Серед можливих кандидатів — сполуки, що містять вуглець і азот.
Є навіть цікава гіпотеза про походження частини цього матеріалу: пил від нерегулярних супутників Юпітера може осідати на поверхні Каллісто, а потім під дією випромінювання вступати в хімічні реакції з місцевими матеріалами.
Це означає, що Каллісто може бути не просто «старим супутником із кратерами», а своєрідною хімічною лабораторією, де постійно переробляється матеріал поверхні.
То наскільки Каллісто насправді активний?
Тут важливо не перебільшувати результати.
JWST не виявив вулканів, тектоніки чи іншої внутрішньої активності, подібної до тієї, що характерна для Іо або Європи. Каллісто, як і раніше, залишається одним із найдавніших і найгеологічно спокійніших великих супутників Сонячної системи.
Але тепер стає зрозуміло, що «геологічно спокійний» зовсім не означає «хімічно мертвий».
Його поверхня постійно зазнає:
– ударів астероїдів та інших малих тіл;
– бомбардування зарядженими частинками магнітосфери Юпітера;
– радіолізу води та вуглецевмісних матеріалів;
– утворення й перерозподілу CO₂;
– обміну речовиною між поверхнею та надзвичайно розрідженою екзосферою.
Саме тому давня поверхня Каллісто виявилася значно цікавішою, ніж здавалося раніше.
Наступний крок — JUICE
Ще цікавіше стане після прибуття європейської місії JUICE.
На відміну від JWST, який спостерігає Каллісто здалеку, JUICE зможе отримати набагато детальніші дані безпосередньо в системі Юпітера. Заплановані прольоти Каллісто у 2030-х роках дадуть змогу зіставити спектральні карти JWST із зображеннями високої роздільної здатності та вимірюваннями складу поверхні.
І це може остаточно відповісти на головне питання: чи є дивний розподіл льоду та CO₂ результатом випадкових давніх ударів, чи Каллісто й сьогодні бере активну участь у складному циклі перетворення речовини.
Джерела: Callisto from JWST: CO2-rich terrain; Revealing Callisto’s carbon-rich surface; JWST peeks at Callisto’s ancient scars