Спектроскопия выявила на спутниках карбонатные минералы и CO₂, указывающие на внутреннее происхождение половины углекислоты, — вторая половина образуется под ударами заряженных частиц из магнитосферы самого Урана
40 лет назад «Вояджер-2» передал снимки ледяных спутников Урана — Ариэль, Умбриэль, Титании и Оберона — с каньонами, гладкими равнинами и возможными следами криовулканизма. Но определить химию поверхности зонд не мог. Наземные обсерватории десятилетиями пытались разглядеть состав этих лун, однако земная атмосфера блокирует «ключевую» полосу углекислого газа.
Спектрограф на борту космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST) впервые заглянул в этот диапазон без помех — и загадка происхождения CO₂ на спутниках Урана получила ясный ответ.
Группа из Университета Джонса Хопкинса проанализировала наблюдения JWST, выполненные в сентябре 2023 года отдельно для ведущего (всегда направлено в сторону движения спутника по орбите) и ведомого полушарий каждого спутника. Данные показали, что CO₂ концентрируется на ведомых сторонах — тех, которые принимают на себя основной поток заряженных частиц из магнитосферы Урана: электроны, протоны и тяжёлые ионы бомбардируют водяной лёд и углеродсодержащий материал реголита, запуская радиолитический синтез углекислоты. При этом внутренние луны Ариэль и Умбриэль оказались значительно богаче CO₂, чем внешние Титания и Оберон.
Однако «Джеймс Уэбб» обнаружил то, чего наземные телескопы никогда не видели. На ведущих полушариях всех четырёх спутников — где радиолитическая накачка заведомо слабее — уверенно зарегистрирована та самая «ключевая» полоса 4,27 микрометра. Более того, в спектрах спутников Ариэль и Умбриэль проявились отчётливые линии кристаллического льда CO₂, которые формируются только в толстых отложениях, а также широкая полоса на 4,02 микрометра, соответствующая карбонатным минералам — таким же, как на Церере и спутнике Юпитера Каллисто. Карбонаты образуются, когда CO₂ взаимодействует с силикатными породами в присутствии жидкой воды. На Ариэль и Умбриэль спектрометр также зафиксировал признаки клатратов CO₂ — соединений, в которых молекулы углекислоты заперты в клетках водяного льда и которые обычно формируются под высоким давлением в глубоких недрах.
Совокупность находок проявляет полный цикл образования: тонкая корка из мелкозернистого инея CO₂ покрывает более толстый слой крупнозернистого льда углекислоты с примесью клатратов. Часть CO₂ мигрирует по поверхности в зависимости от сезонного нагрева, скапливаясь в холодных ловушках в экваториальных широтах. Но главный вывод работы — одного радиолиза для объяснения всего наблюдаемого CO₂ недостаточно. Карбонаты и клатраты, пространственно не привязанные исключительно к ведомым полушариям, требуют второго механизма поставки: выхода углекислоты из недр спутников.
Если интерпретация верна, то недра спутников Ариэль и Умбриэль когда-то содержали жидкую воду — а значит, в поясе Урана могли существовать условия для пребиотической химии. Окончательный ответ потребует орбитальной миссии с картирующим инфракрасным спектрометром и масс-спектрометром, но до её запуска логика механизма остаётся за наблюдениями «Джеймса Уэбба».