El extraño proceso de congelación de Encelado podría facilitar la búsqueda de vida

La luna de Saturno, Encelado, se encuentra cubierta por una gruesa capa de hielo, pero debajo de esta, existe un océano global. En la región del polo sur de la luna, fracturas en la corteza permiten que el vapor de agua y partículas de hielo se liberen al espacio. Estos materiales ofrecen a los científicos una forma inusual de estudiar un océano alienígena sin necesidad de perforar kilómetros de hielo.

Un equipo internacional, que incluye investigadores del Earth-Life Science Institute (ELSI) del Institute of Science Tokyo, investigó lo que sucede con el agua de este océano a medida que asciende a la superficie y se convierte en diminutas partículas de hielo detectadas en el espacio.

Hallazgos Diversos por la Sonda Cassini

Entre 2004 y 2017, el analizador de polvo cósmico de la sonda Cassini de la NASA midió la composición de partículas de hielo individuales en el anillo E de Saturno, que se alimenta continuamente de material eruptado por Encelado.

Un equipo liderado por el profesor Frank Postberg de la Freie Universität Berlin examinó 961 espectros de masas de granos ricos en sal, conocidos como partículas de Tipo 3. Si estos granos fueran simplemente pequeñas muestras del mismo agua de océano, los científicos esperarían encontrar mezclas de sales relativamente similares.

Sin embargo, las composiciones de los granos variaron notablemente. Algunos eran especialmente ricos en cloruro de sodio, mientras que otros contenían mayores cantidades de carbonatos, fosfatos o cloruro de potasio. Un patrón sorprendente fue que el cloruro y el carbonato rara vez aparecían juntos en la misma partícula rica en sodio.

Esto planteó un enigma fundamental: si todos estos granos provenían del mismo océano, ¿por qué sus composiciones químicas diferían tanto?

Recreando las Gotas del Océano de Encelado en el Laboratorio

Para explorar esta cuestión, el profesor Yasuhito Sekine y sus colegas en ELSI crearon gotas en laboratorio que contenían las principales sales que se cree están presentes en el océano de Encelado. Los investigadores congelaron gotas de diferentes tamaños bajo diversas condiciones de enfriamiento y luego estudiaron cómo se distribuían los elementos químicos una vez que las gotas se solidificaron.

Los resultados mostraron que la velocidad de congelación desempeñaba un papel crucial. En gotas de aproximadamente 200 micrómetros de ancho, las sales se separaron en diferentes regiones cuando la congelación ocurrió de manera relativamente lenta, a aproximadamente 10 K por minuto o menos. Cuando las gotas se congelaron más rápidamente, sus ingredientes químicos permanecieron mucho más mezclados.

"Lo que nos sorprendió fue que la diversidad observada por Cassini podría surgir de gotas que provenían esencialmente del mismo agua de océano", afirmó Sekine. "Nuestros experimentos muestran que cuando las gotas de océano relativamente grandes se congelan lentamente, diferentes sales pueden separarse dentro de ellas. Si esas gotas congeladas se rompen más tarde, pueden producir granos de hielo mucho más pequeños, cada uno con composiciones químicas muy diferentes."

Un Viaje Más Lento a Través del Hielo de Encelado

Los hallazgos también podrían revelar información sobre lo que sucede dentro de la corteza helada de la luna. Estudios anteriores generalmente asumieron que el agua de mar que se rocía desde Encelado se congela rápidamente y se mueve rápidamente hacia el espacio poco después de dejar el océano. Los nuevos experimentos sugieren un escenario diferente.

Las gotas pueden inicialmente moverse mucho más lentamente a través del sistema de respiraderos subterráneos, siguiendo caminos complicados a través de fracturas en el hielo antes de acercarse a la superficie. Los investigadores sugieren que el rocío oceánico primero forma gotas que varían de decenas a cientos de micrómetros de tamaño. A medida que esas gotas se mueven lentamente a través de secciones más profundas de los respiraderos, se congelan gradualmente, lo que permite que las sales se separen en diferentes regiones.

Cerca de la superficie, las condiciones cambian. El gas comienza a moverse más rápido, y las gotas congeladas pueden chocar contra las paredes de canales helados más estrechos a alta velocidad. Estas colisiones pueden romper las gotas en piezas mucho más pequeñas. Cada fragmento puede provenir de una región rica en sales diferente dentro de la gota congelada original, creando granos con composiciones químicas muy distintas. Esos fragmentos pueden luego escapar al espacio y convertirse en parte del anillo E de Saturno.

"Los datos de Cassini nos mostraron que estos granos ricos en sales son químicamente más diversos de lo que sugeriría una composición oceánica promedio", comentó Postberg. "Combinar esas observaciones con los experimentos de congelación nos brinda una explicación física: Cassini pudo haber muestreado fragmentos de gotas de océano congeladas más grandes, cada una preservando diferentes componentes que se separaron durante su viaje hacia la superficie. La abundancia de cada componente individual en el océano se refleja en el número de fragmentos en los que se encuentra un componente particular."

Encelado Podría Concentrar Naturalmente Compuestos Clave

Este descubrimiento podría ser especialmente importante para futuras misiones a Encelado. A medida que las gotas se congelan y rompen, los compuestos individuales pueden concentrarse en granos particulares. Este proceso no solo separa diferentes sales; trabajos anteriores también han mostrado que sustancias orgánicas pueden separarse entre sí y aparecer en concentraciones elevadas en ciertas partículas.

Esto podría facilitar considerablemente el análisis futuro. Compuestos que están altamente diluidos en el océano de Encelado y mezclados con muchas otras sustancias pueden volverse mucho más fáciles de detectar cuando se concentran en granos de hielo individuales. En la Tierra, los laboratorios a menudo dedican un esfuerzo considerable a separar y concentrar químicos antes de analizar una muestra. Encelado parece realizar ambos pasos de "preparación de muestras" de manera natural: los componentes químicos se separan y algunos terminan concentrados dentro de una fracción de las partículas de hielo.

Implicaciones para la Química Prebiótica

La congelación lenta podría tener otra consecuencia importante. A medida que los cristales de hielo crecen, pequeños bolsillos de salmuera líquida pueden quedar atrapados entre ellos. Las sales y los compuestos orgánicos pueden concentrarse en gran medida dentro de esos bolsillos.

Esta concentración podría ser relevante para la química prebiótica, que involucra procesos químicos que pueden preceder a la aparición de la vida. Un desafío importante en dicha química es acercar moléculas que normalmente son muy diluidas entre sí.

Dado que gran parte del material eruptado desde Encelado eventualmente cae de nuevo sobre la luna, este proceso de congelación, concentración y reciclaje podría potencialmente ocurrir una y otra vez. Comprender cómo Encelado forma sus granos de hielo, por lo tanto, no solo explica las inusuales mediciones de Cassini, sino que también ofrece nuevas pistas sobre el entorno oculto bajo la superficie de la luna y puede ayudar a futuras naves espaciales a interpretar correctamente las partículas que recojan mientras buscan evidencia de habitabilidad y posibles signos de vida.