Twintigduizend mijlen onder een buitenaardse zee

Rond de majestueuze planeet Jupiter draaien 69 manen, een daarvan heet Europa. De temperatuur op haar oppervlak is meer dan 120 graden onder het nulpunt. Verborgen onder haar ijzige oppervlak bevindt zich een honderd kilometer diepe oceaan. Die oceaan omvat de hele maan en bevat meer water dan alle oceanen op aarde. Dat is op zich al heel bijzonder, maar omdat vloeibaar water een van de vereisten voor leven is, bestaat er een kans dat het in deze oceaan voorkomt. Vaststellen of er inderdaad sporen van leven zijn is een complexe uitdaging, de dikke ijslaag bovenop de oceaan verhindert ons om naar binnen te kijken. Hoe kunnen we dan toch te weten komen wat er zich in die oceaan zit? Misschien zouden we door het ijs kunnen boren en met een duikboot de oceaan verkennen, zoals Kapitein Nemo in twintigduizend mijlen onder zee? Dat is makkelijker gezegd dan gedaan, zeker als je beseft dat het ijs op z’n minst enkele kilometers dik is. Aan zo’n technische uitdaging is de mensheid nog lang niet toe. Er is wel een andere manier om een idee te krijgen van de inhoud van de oceaan, die zelfs binnen ons technologisch bereik ligt.

Waarnemingen van de Hubble ruimtetelescoop wijzen er namelijk op dat er soms water ontsnapt uit het binnenste van Europa, vermoedelijk via barsten in het ijs. Van waaruit het water ontsnapt kunnen we niet precies bepalen met de beelden van Hubble. Dat ontsnappende water vormt meer dan 100 kilometer hoge waterpluimen, een soort ‘watervulkanen’ of geisers. Door zo’n pluim heen vliegen met een ruimtetuig en tegelijkertijd stalen nemen geeft ons directe toegang tot de inhoud van de oceaan, zonder dat we zelfs moeten landen op het oppervlak. De eerste ruimtemissie die misschien van deze gelegenheid gebruik zou kunnen maken is de Jupiter Icy moon Explorer (JUICE), een project van de European Space Agency (ESA). Deze ruimtesonde wordt momenteel gebouwd en de lancering is gepland voor 2022.

De eerste waterpluimen zijn pas ontdekt nadat de plannen voor JUICE al vastlagen. Daarom is een van de onderzoeksvragen waar ik mij gedurende mijn doctoraat mee heb bezig gehouden: kunnen we met het bestaande ontwerp van de JUICE-missie het materiaal van die waterpluim bestuderen?

Volgens de huidige planning zullen er twee flybys van Europa gemaakt worden, waarbij JUICE tot ongeveer 400 km van het oppervlak zal naderen. JUICE heeft 11 wetenschappelijke experimenten aan boord, een daarvan bestaat uit een pakket van meerdere deeltjesdetectoren. Die instrumenten detecteren elektronen, ionen en neutrale deeltjes in de nabijheid van het ruimtetuig en verzamelen informatie over hun energie, de richting waar ze vandaan komen en hun samenstelling. Het zijn de ideale instrumenten om deeltjes van een uitbarstende watervulkaan op te vangen. Rest ons nog de vraag: is dit haalbaar, gezien de vlieghoogte van de JUICE-missie? Kunnen we voldoende deeltjes opvangen in de detectoren?

Om dit te onderzoeken heb ik computersimulaties ontworpen die bestuderen hoe de waterdeeltjes van de watervulkaan zich voortbewegen door de ruimte en hoe ze gedetecteerd kunnen worden. Hieruit bleek dat ze zich op twee manieren door de ruimte kunnen verplaatsen. De meeste gedragen zich als een soort kanonballen, ze worden omhoog geschoten bij de uitbarsting en vallen daarna weer terug naar het oppervlak van Europa. Onder invloed van het magnetisch veld van Jupiter gedraagt een klein deel zich op een heel ongewone manier. De deeltjes vallen niet meer terug naar het oppervlak maar bewegen weg van Europa in een aaneenschakeling van kleine sprongetjes. Met kennis over de fysische wetten achter deze bewegingen is het mogelijk om in een computersimulatie de beweging van de deeltjes na te bootsen. Op die manier kunnen we berekenen of de missie voldoende deeltjes zal kunnen detecteren.

Wat vertellen de simulaties ons? Van beide types deeltjes bereiken er genoeg het JUICE-ruimteschip om een detectie mogelijk te maken. Dat is goed nieuws. Voorzichtigheidshalve ben ik er in de simulaties ook vanuit gegaan dat er duizend keer minder materiaal vrijkomt bij de watervulkaanuitbarsting dan wat we verwachten op basis van de waarnemingen. Dit betekent dat we de waterdeeltjes met een zeer ruime marge kunnen detecteren. Daarom zal het ook mogelijk zijn om andere substanties dan water te onderscheiden in de waterpluim. Het zijn juist die substanties die ons gaan vertellen of de oceaan van Europa echt leefbaar is en of er eventueel ook leven in voorkomt. We zouden dan bijvoorbeeld het volgende te weten kunnen komen: in welke mate is de oceaan van Europa zout, en biedt dit kansen voor leven? Zien we moleculen die kunnen dienen als grondstof voor leven? In het beste geval treffen we zelfs moleculen aan waarvan we weten dat ze niet zomaar in de natuur gevormd kunnen worden zonder de hulp van leven.

Op het definitieve antwoord moeten we nog even wachten. De lancering van JUICE staat gepland in 2022 en omdat Jupiter niet naast de deur is, is de aankomst ook pas voorzien rond 2030. Ik ben alvast aan het aftellen, jij ook?