Энцелад — покрытый льдом спутник Сатурна. Считается, что под его корой скрыт глобальный соленый океан. Через трещины в ледяной оболочке наружу вырываются водяной пар и частицы льда, образующие шлейф. Часть этого вещества покидает луну и пополняет разреженное кольцо Сатурна Е. Таким образом, частицы кольца фактически позволяют ученым исследовать материал, родом из подледного океана Энцелада.
С 2004 по 2017 год зонд «Кассини» определял состав отдельных льдинок: специально установленный на борту масс-спектрометр CDA определял, какие вещества содержатся в каждой частице. Ранее их разделили на несколько основных групп: почти чистый водяной лед, частицы с органическими веществами и богатые солями льдинки. Последние считают замерзшими фрагментами океанской воды. По ним исследователи судят о химическом составе подледного океана.
Изучив 961 соленую льдинку, авторы новой научной работы, опубликованной в журнале Science Advances, обнаружили, что разные соли в них почти не смешиваются. В одних частицах преобладал хлорид натрия, в других — карбонаты или фосфаты, а в некоторых — соединения калия. Особенно редко вместе встречались хлориды и карбонаты: из 858 натрий-богатых частиц их сочетание нашли только в 12.
Объяснить такую картину существование нескольких водяных резервуаров с разным составом трудно. Ученые предположили, что химическое разделение происходит уже после того, как океанская вода попадает в ледяные каналы. Чтобы проверить эту идею, в лаборатории приготовили раствор, по составу похожий на воду океана Энцелада и замораживали капли размером 15, 200 и 1000 микрометров с разной скоростью.
При быстром замерзании соли оставались перемашанными. Но если капли охлаждались медленнее чем примерно на 20 градусов Цельсия в минуту, соли начинали разделяться: разные соединения кристаллизовались при разных температурах и скапливались в разных частях капли. В результате одна замерзшая капля получалась неоднородной по составу.
Но почему «Кассини» находил крошечные льдинки, если для разделения солей нужны куда более крупные капли? Возможно, сначала капли медленно замерзают в глубине ледяных трещин. Ближе к поверхности поток газа ускоряется, разгоняя их до скоростей более 100 метров в секунду.
При такой скорости замерзшие капли ударяются о стенки трещин и раскалываются на более мелкие части. Поскольку к этому моменту разные соли уже сосредоточены в разных участках льдинки, каждый такой фрагмент получает свой набор веществ. Так возникают микроскопические частицы разного состава, которые затем вылетают из гейзеров Энцелада и попадают в кольцо Сатурна.
Значит, химический состав отдельной льдинки не обязательно точно повторяет состав всего океана. Редкие вещества могут оказаться сосредоточены лишь в небольшом количестве частиц, зато в высокой концентрации.
Подобным образом разделяться могут не только соли, но и органические соединения. Это важно для будущих миссий к Энцеладу: чтобы надежно определить состав его океана и оценить потенциальную обитаемость, потребуется изучить куда большее число отдельных льдинок.