Hoe Enceladus aan zijn tijgerstrepen kwam

Foto boven: De ‘tijgerstrepen’ in het zuidpoolgebied van Enceladus. Van rechts naar links liggen Alexandrië, Caïro, Baghdad, Damascus en ‘E’. De laatste aanduiding is niet officieel. (NASA/ESA/JPL/SSI)

De ‘tijgerstrepen’ werden in 2005 ontdekte door de Amerikaanse ruimtesonde Cassini en zijn later vernoemd naar plaatsen in de Arabische vertellingen in Duizend-en-een-nacht. Het gaat om vijf breuken van ongeveer 130 kilometer lang, twee kilometer breed en 500 meter diep die op regelmatige afstanden van zo’n 35 kilometer van elkaar liggen. Uit deze breuken ontsnappen constant pluimen of ‘gordijnen’ van waterdamp, ijskristallen, stikstof en eenvoudige organische verbindingen en daarmee zijn deze breuken de meest actieve structuren op Enceladus.

Geisers van waterdamp, ijskristallen, stikstof en eenvoudige organische verbindingen boven de ‘tijgerstrepen’ in het zuidpoolgebied van Enceladus, gefotografeerd door Cassini op 21 november 2009. (NASA/JPL)

Zo’n regelmatig patroon van actieve breuken komt op geen enkele andere ijswereld in het zonnestelsel voor en tot nu toe heeft geen enkel onderzoek of rekenmodel gelijktijdig kunnen verklaren waarom deze breuken alleen aan de zuidpool zijn ontstaan, waarom ze op regelmatige afstanden van zo’n 35 kilometer van elkaar liggen en waarom ze uniek zijn voor Enceladus. Maar volgens Douglas Hemingway en collega’s zouden hun berekeningen, die zij op 9 december in Nature Astronomy publiceerden, zo’n verklaring een stuk dichterbij kunnen brengen.

De gassen en ijsdeeltjes die uit de breuken ontsnappen zijn afkomstig van een ondergrondse oceaan die zich waarschijnlijk rond de gehele ijsmaan uitstrekt. Daaruit hebben astronomen afgeleid dat de tijgerstrepen open breuken zijn die helemaal door de plaatselijk 8 à 9 kilometer dikke ijskorst boven deze ondergrondse oceaan heen lopen. De oceaan bevriest niet doordat hij wordt verwarmd door de getijdenkrachten. En die treden op doordat Enceladus niet exact bolrond is en in een ietwat elliptische baan rond Saturnus draait.

De 500 kilometer grote Enceladus wordt daardoor tijdens iedere omloop – in anderhalve dag – steeds wat uitgerekt en ingedrukt en dat ’kneden’ levert als gevolg van de inwendige wrijving warmte op. De temperatuur in dit gebied ligt daardoor 50 tot 80 graden hoger dan elders. In de loop van de tijd varieert deze opwarming echter als gevolg van veranderingen in de baan van Enceladus. De getijdenverwarming was (en is) altijd het sterkst in de poolgebieden van deze maan, waardoor de ijskorst hier altijd het dunst is gebleven. En daardoor zou er in deze poolgebieden het gemakkelijkst een breuk kunnen ontstaan.

Deze breuk zou volgens de Hemingway en collega’s ontstaan kunnen zijn in een periode waarin het inwendige van Enceladus wat minder getijdenwarmte produceerde en dus wat afkoelde. De onderzijde van de ijskorst groeide iets aan, waardoor de tegendruk van de daaronder liggende oceaan toenam. In de ijskorst ontstonden daardoor trekspanningen, die aan een van de polen – waar de ijsschil altijd al het dunst was geweest – zo groot werden dat het ijs daar open spleet. In dit geval in het zuidpoolgebied, maar het had evengoed in het noordpoolgebied kunnen gebeuren. De spleet begon in het bovenste deel van de ijskorst en zou zich helemaal tot aan de oceaan hebben voortgeplant.

Nadat deze eerst breuk was ontstaan, nam de tegendruk in de ondergrondse oceaan af en verdween de mogelijkheid dat ook in het noordpoolgebied – of elders in de ijskorst – een soortgelijke breuk kon ontstaan. De onderzoekers suggereren dat deze eerste breuk Baghdad Sulcus was, die direct over de selenografische zuidpool van Enceladus loopt. Bovendien maakt deze breuk een hoek van 30 graden met de as van de sterkste getijdenkrachten in Enceladus, waardoor de dagelijkse vervormingen in het inwendige hier bijna maximaal waren en voldoende groot om tot het opensplijten van de breuk te leiden. Dit verklaart wellicht ook de oriëntatie van de tijgerstrepen, mits de ijsschil als geheel sinds hun ontstaan niet is verschoven.

Het ontstaan van de andere breuken zou volgens de theorie van de drie astronomen een gevolg van nummer één zijn geweest. Nadat Baghdad was ontstaan, steeg het ondergrondse oceaanwater iets en kwam het boven in de breuk in contact met het daar heersende ijskoude vacuüm van de interplanetaire ruimte. Het water ging ‘koken’ c.q. verdampen en bevroor tevens tot ijskristallen die erupties boven deze breuk veroorzaakten en dat nog steeds doen.

Dit turbulente proces zou, in combinatie met het door de getijdenkrachten cyclisch ‘doorspoelen’ van de met water gevulde breuk, tevens voorkomen hebben dat Baghdad weer dichtvroor. Ongeveer 90 procent van het erupterende materiaal viel weer naar het oppervlak van Enceladus terug. Het kwam daar vooral terecht op de flanken van Baghdad en daarmee wellicht het ontstaan van de twee heuvelruggen ter weerszijden van deze breuk kunnen verklaren. Deze ruggen zijn volgens de waarnemingen van Cassini nu zo’n honderd meter hoog en drie kilometer breed.

Het gestaag op de flanken van Baghdad neerdalende materiaal verhoogde het gewicht van deze flanken en veroorzaakte op grotere afstanden van de breuk buigspanningen in het ijs. Deze spanningen werden op een bepaald moment zo groot dat ze ook tot breukvorming – op ongeveer gelijke afstanden van Baghdad – leidden. Zo zouden Cairo en Damascus zijn ontstaan, beide op zo’n 35 kilometer van Baghdad gelegen.

Die afstand werd onder andere bepaald door de dikte en de elastische en thermische eigenschappen van de ijskorst. Volgens de berekeningen van de astronomen valt een afstand van 35 kilometer goed te rijmen met de ijsdikte van 8 à 9 kilometer die is afgeleid uit de topografie, zwaartekracht en poolbeweging in het zuidpoolgebied. Het moment waarop deze secundaire breuken ontstonden werd bepaald door het tempo van de erupties van Baghdad en de hoeveelheid materiaal die weer terugviel op de flanken van deze breuk. Schattingen leveren een tijdsduur van bijna een miljoen jaar op.

Ook de twee secundaire breuken werden actief, kregen door hun erupties verhoogde flanken die de ijskorst verderop deden doorbuigen en uiteindelijk twee tertiaire breuken veroorzaakten. Dat waren Alexandrië en een onvolledige, niet tot aan de oceaan doorlopende breuk die de Amerikaanse planeetwetenschappers An Yin en Robert Pappalardo onofficieel met ‘E’ wordt aangeduid. Hemingway en collega’s wijzen er op dat een soortgelijk scenario van breukvorming is gesuggereerd voor het verklaren van de onderlinge afstanden van vulkanen boven de zogeheten hotspots in de aardmantel, hoewel daar natuurlijk heel andere materialen en temperaturen in het spel zijn.

Volgens de astronomen zou deze cyclus van het ontstaan van breuken op verschillende manieren kunnen stoppen of uitdoven. Als een eruptie te zwak wordt, kunnen de buigspanningen in het ijs niet de kritische waarde bereiken om na een bepaalde tijd het ijs verderop te doen opensplijten. En als het eruptietempo door het ontstaan van latere breuken afneemt, wordt de kans op breukvorming verderop ook kleiner.

Verder is het een bekend feit dat de dikte van de ijskorst op grotere afstand van Enceladus’ zuidpool toeneemt, waardoor breukvorming daar misschien sowieso moeilijker werd. En tot slot speelt ook de zwaartekracht bij dit alles een belangrijke rol. De tijgerstrepen zijn uniek voor Enceladus en komen op grotere ijsmanen als bijvoorbeeld Ganymedes, Callisto en Titan niet voor. Dit komt volgens de astronomen doordat door de sterkte van hun zwaartekracht de horizontale krachten in de ijskorst zo groot zijn dat het ijs er niet kan opensplijten. Het luistert dus allemaal heel nauw en daarom zal het laatste woord over deze theorie voorlopig nog niet zijn gesproken.

Dit artikel is oorspronkelijk verschenen in het magazine ZENIT. Lees in het magazine ZENIT alles over sterrenkunde, ruimteonderzoek, weer en klimaat. Met iedere maand achtergrondartikelen en de laatste ontwikkelingen uit de wetenschap. Klik hier voor meer informatie.