Saturnus' maan Enceladus is een bevroren schil rond een wereldwijde oceaan, en nabij de zuidpool spuiten breuken in de korst waterdamp en ijsdeeltjes de ruimte in als een geiser die de memo over loodgieterswerk binnenshuis nooit heeft ontvangen. Die deeltjes geven wetenschappers een manier om een buitenaardse oceaan te bestuderen zonder door kilometers ijs te boren, wat handig is omdat niemand een boor heeft die zo lang is.

Een internationaal team, waaronder onderzoekers van het Earth-Life Science Institute (ELSI) aan het Institute of Science Tokyo, heeft nu onderzocht wat er gebeurt met dat oceaanwater terwijl het van onder het oppervlak reist en uiteindelijk de kleine ijsdeeltjes wordt die in de ruimte worden gedetecteerd.

Tussen 2004 en 2017 mat de Cosmic Dust Analyzer aan boord van NASA's Cassini-ruimtevaartuig de samenstelling van individuele ijsdeeltjes in de E-ring van Saturnus, die voortdurend wordt aangevuld met materiaal dat uit Enceladus erupteert. Een team onder leiding van prof. Frank Postberg van de Freie Universität Berlin onderzocht 961 massaspectra van zoutrijke korrels, bekend als Type 3-deeltjes. Als de korrels simpelweg kleine monsters van hetzelfde oceaanwater waren, zouden wetenschappers kunnen verwachten dat ze grotendeels vergelijkbare mengsels van zouten bevatten. In plaats daarvan waren sommige bijzonder rijk aan natriumchloride, terwijl andere hogere hoeveelheden carbonaten, fosfaten of kaliumchloride bevatten. Een bijzonder opvallend patroon: chloride en carbonaat verschenen zelden samen in hetzelfde natriumrijke deeltje.

Dat riep een fundamentele puzzel op. Als al deze korrels uit dezelfde oceaan kwamen, waarom verschilden hun chemische samenstellingen dan zo sterk? Het is het planetaire-wetenschapsequivalent van dezelfde soep in hetzelfde restaurant bestellen en elke keer totaal andere kruiden krijgen.

Om die vraag te onderzoeken, creëerden professor Yasuhito Sekine en collega's bij ELSI laboratoriumdruppels met de belangrijkste zouten waarvan wordt gedacht dat ze in de oceaan van Enceladus aanwezig zijn. De onderzoekers bevroren druppels van verschillende groottes onder verschillende koelomstandigheden en bestudeerden vervolgens hoe de chemische elementen waren verdeeld zodra de druppels gestold waren. De resultaten toonden aan dat de snelheid van bevriezing een grote rol speelt.

In druppels van ongeveer 200 micrometer groot werden zouten in verschillende gebieden gescheiden wanneer het bevriezen relatief langzaam plaatsvond, bij ongeveer 10 K per minuut of minder. Wanneer de druppels sneller bevroren, bleven hun chemische ingrediënten veel gelijkmatiger gemengd.

"Wat ons verraste, was dat de diversiteit die Cassini zag kon voortkomen uit druppels die in wezen uit hetzelfde oceaanwater afkomstig waren," zei Sekine. "Onze experimenten tonen aan dat wanneer relatief grote oceaandruppels langzaam bevriezen, verschillende zouten zich daarbinnen kunnen scheiden. Als die bevroren druppels later uiteenvallen, kunnen ze veel kleinere ijsdeeltjes produceren, elk met zeer verschillende chemische samenstellingen."

De bevindingen kunnen ook iets onthullen over wat er binnen de ijskorst van de maan gebeurt. Eerdere studies gingen er over het algemeen van uit dat zeewaterspray van Enceladus snel bevriest en zich snel naar de ruimte beweegt kort nadat het de oceaan heeft verlaten. De nieuwe experimenten wijzen op een ander scenario: de druppels kunnen zich aanvankelijk veel langzamer door het ondergrondse ventsysteem bewegen, waarbij ze ingewikkelde paden volgen door breuken in het ijs voordat ze het oppervlak naderen.

De onderzoekers suggereren dat oceaanspray eerst druppels vormt van tientallen tot honderden micrometers groot. Terwijl die druppels langzaam door diepere delen van de vents bewegen, bevriezen ze geleidelijk, waardoor zouten genoeg tijd krijgen om zich in verschillende gebieden te scheiden. Dichter bij het oppervlak veranderen de omstandigheden. Gas begint sneller te bewegen, en de bevroren druppels kunnen met hoge snelheid tegen de wanden van smallere ijskanalen botsen. Die botsingen kunnen de druppels in veel kleinere stukjes breken. Elk fragment kan afkomstig zijn uit een ander zoutrijk gebied binnen de oorspronkelijke bevroren druppel, waardoor korrels met zeer verschillende chemische samenstellingen ontstaan. Die fragmenten kunnen vervolgens de ruimte in ontsnappen en deel uitmaken van de E-ring van Saturnus.

"De Cass