قمر زحل إنسيلادوس عبارة عن قشرة متجمدة تلتف حول محيط عالمي، وقرب قطبه الجنوبي، تنفث شقوق في القشرة بخار ماء وجزيئات جليدية إلى الفضاء مثل نافورة حرارية لم تصلها أبداً مذكرة بأنابيب المياه الداخلية. تلك الجزيئات تمنح العلماء وسيلة لدراسة محيط فضائي دون الحاجة إلى الحفر عبر كيلومترات من الجليد، وهو أمر مريح لأن لا أحد يملك مثقاباً بهذا الطول.

فريق دولي يضم باحثين من معهد علوم الأرض والحياة (ELSI) في معهد طوكيو للعلوم قد حقق الآن في ما يحدث لمياه ذلك المحيط أثناء رحلتها من تحت السطح لتصبح في النهاية حبيبات جليدية دقيقة تُرصد في الفضاء.

بين عامي 2004 و2017، قام محلل الغبار الكوني على متن مركبة كاسيني التابعة لناسا بقياس تركيب جزيئات الجليد الفردية في حلقة زحل E، التي تزودها باستمرار مواد تنفث من إنسيلادوس. فريق بقيادة البروفيسور فرانك بوستبرغ في جامعة برلين الحرة فحص 961 طيفاً كتلياً من حبيبات غنية بالأملاح تُعرف بجسيمات النوع 3. لو كانت الحبيبات مجرد عينات صغيرة من مياه المحيط نفسها، لربما توقع العلماء أنها تحتوي على مخاليط متشابهة إلى حد كبير من الأملاح. بدلاً من ذلك، كان بعضها غنياً بشكل خاص بكلوريد الصوديوم، بينما احتوى آخر على كميات أعلى من الكربونات أو الفوسفات أو كلوريد البوتاسيوم. نمط واحد لافت بشكل خاص: الكلوريد والكربونات نادراً ما ظهرا معاً في نفس الجسيم الغني بالصوديوم.

وهذا أثار لغزاً أساسياً. إذا كانت كل هذه الحبيبات تأتي من نفس المحيط، فلماذا اختلفت تركيباتها الكيميائية إلى هذا الحد؟ إنه المكافئ في علوم الكواكب لطلب نفس الحساء في نفس المطعم والحصول على توابل مختلفة تماماً في كل مرة.

لاستكشاف هذا السؤال، أنشأ البروفيسور ياسوهيتو سيكين وزملاؤه في ELSI قطرات مخبرية تحتوي على الأملاح الرئيسية التي يُعتقد أنها موجودة في محيط إنسيلادوس. قام الباحثون بتجميد قطرات بأحجام مختلفة تحت ظروف تبريد مختلفة، ثم درسوا كيفية توزيع العناصر الكيميائية بعد تصلب القطرات. أظهرت النتائج أن سرعة التجمد تلعب دوراً رئيسياً.

في قطرات يبلغ قطرها حوالي 200 ميكرومتر، انفصلت الأملاح إلى مناطق مختلفة عندما حدث التجمد ببطء نسبي، بمعدل 10 كلفن في الدقيقة أو أقل. عندما تجمدت القطرات بشكل أسرع، بقيت مكوناتها الكيميائية مختلطة بشكل أكثر تجانساً.

قال سيكين: \"ما أدهشنا هو أن التنوع الذي رصدته كاسيني يمكن أن ينشأ من قطرات أصلها من نفس مياه المحيط تقريباً. تُظهر تجاربنا أنه عندما تتجمد قطرات محيطية كبيرة نسبياً ببطء، يمكن أن تنفصل أملاح مختلفة داخلها. إذا تحطمت تلك القطرات المتجمدة لاحقاً، فإنها يمكن أن تنتج حبيبات جليدية أصغر بكثير، لكل منها تركيبات كيميائية مختلفة جداً.\"

قد تكشف النتائج أيضاً شيئاً عن ما يحدث داخل القشرة الجليدية للقمر. افترضت الدراسات السابقة عموماً أن رذاذ مياه البحر من إنسيلادوس يتجمد بسرعة ويتحرك بسرعة نحو الفضاء بعد فترة وجيزة من مغادرة المحيط. تشير التجارب الجديدة إلى سيناريو مختلف: قد تتحرك القطرات في البداية ببطء أكبر بكثير عبر نظام الفتحات تحت السطحية، متبعة مسارات معقدة عبر الشقوق في الجليد قبل أن تقترب من السطح.

يقترح الباحثون أن رذاذ المحيط يشكل أولاً قطرات تتراوح أحجامها من عشرات إلى مئات الميكرومترات. بينما تتحرك تلك القطرات ببطء عبر أجزاء أعمق من الفتحات، فإنها تتجمد تدريجياً، مما يمنح الأملاح وقتاً كافياً للانفصال إلى مناطق مختلفة. بالقرب من السطح، تتغير الظروف. يبدأ الغاز في التحرك بشكل أسرع، ويمكن للقطرات المتجمدة أن ترتطم بجدران القنوات الجليدية الأضيق بسرعة عالية. قد تؤدي تلك الاصطدامات إلى تفتيت القطرات إلى قطع أصغر بكثير. يمكن أن تأتي كل شظية من منطقة غنية بالأملاح مختلفة داخل القطرة المتجمدة الأصلية، مما يخلق حبيبات بتركيبات كيميائية مختلفة جداً. ثم يمكن لتلك الشظايا أن تفلت إلى الفضاء وتصبح جزءاً من حلقة زحل E.