Saturnus måne Enceladus är ett fruset skal som omsluter ett globalt hav, och nära sydpolen sprutar sprickor i skorpan ut vattenånga och ispartiklar i rymden som en gejser som aldrig fick memo:t om inomhus-VVS. Dessa partiklar ger forskarna ett sätt att studera ett främmande hav utan att borra genom kilometer efter kilometer av is, vilket är praktiskt eftersom ingen har en så lång borr.

Ett internationellt team med forskare från Earth-Life Science Institute (ELSI) vid Institute of Science Tokyo har nu undersökt vad som händer med havsvattnet när det färdas från under ytan och till slut blir de små iskorn som upptäcks i rymden.

Mellan 2004 och 2017 mätte Cosmic Dust Analyzer ombord på NASA:s Cassini-sond sammansättningen av enskilda ispartiklar i Saturnus E-ring, som ständigt fylls på med material som väller ut från Enceladus. Ett team lett av professor Frank Postberg vid Freie Universität Berlin granskade 961 masspektra från saltrika korn kända som Typ 3-partiklar. Om kornen helt enkelt var små prover av samma havsvatten skulle forskarna kanske förvänta sig att de innehöll ungefär liknande saltblandningar. Istället var vissa särskilt rika på natriumklorid, medan andra innehöll mer karbonater, fosfater eller kaliumklorid. Ett särskilt slående mönster: klorid och karbonat uppträdde sällan tillsammans i samma natriumrika partikel.

Det väckte en grundläggande gåta. Om alla dessa korn kom från samma hav, varför skilde sig deras kemiska sammansättning så mycket? Det är planetvetenskapens motsvarighet till att beställa samma soppa på samma restaurang och få vilt olika kryddning varje gång.

För att utforska frågan skapade professor Yasuhito Sekine och kollegor vid ELSI laboratoriedroppar innehållande de viktigaste salterna som tros finnas i Enceladus hav. Forskarna frös droppar av olika storlekar under olika kylningsförhållanden och studerade sedan hur de kemiska elementen fördelades när dropparna stelnat. Resultaten visade att frysningshastigheten spelar en stor roll.

I droppar på cirka 200 mikrometer separerades salterna i olika regioner när frysningen skedde relativt långsamt, vid ungefär 10 K per minut eller mindre. När dropparna frös snabbare förblev deras kemiska beståndsdelar mycket jämnare blandade.

"Det som förvånade oss var att mångfalden som Cassini såg kunde uppstå från droppar som i grunden kom från samma havsvatten", säger Sekine. "Våra experiment visar att när relativt stora havsdroppar fryser långsamt kan olika salter separera inom dem. Om dessa frusna droppar senare bryts sönder kan de producera mycket mindre iskorn, var och en med mycket olika kemisk sammansättning."

Upptäckterna kan också avslöja något om vad som händer inne i månens isiga skorpa. Tidigare studier antog i allmänhet att havsspray från Enceladus fryser snabbt och rör sig snabbt mot rymden strax efter att ha lämnat havet. De nya experimenten pekar mot ett annat scenario: dropparna kan initialt röra sig mycket långsammare genom det underjordiska ventilationssystemet och följa komplicerade vägar genom sprickor i isen innan de närmar sig ytan.

Forskarna föreslår att havsspray först bildar droppar som sträcker sig från tiotals till hundratals mikrometer i storlek. När dessa droppar långsamt rör sig genom djupare delar av ventilerna fryser de gradvis, vilket ger salterna tillräckligt med tid att separera i olika regioner. Närmare ytan förändras förhållandena. Gas börjar röra sig snabbare, och de frusna dropparna kan slå in i väggarna i smalare isiga kanaler i hög hastighet. Dessa kollisioner kan bryta dropparna i mycket mindre bitar. Varje fragment kan komma från en annan saltrik region inom den ursprungliga frusna droppen, vilket skapar korn med mycket olika kemisk sammansättning. Dessa fragment kan sedan fly ut i rymden och bli en del av Saturnus E-ring.

"Cass