The missions of exploration to the outer Solar System launched in the late 20th century revealed that the Solar System harbours multiple ocean worlds. Water, an essential solvent for life, might exist in liquid phase beneath the ice crusts of these planetary bodies, sustained by primordial heat and the energy dissipated from gravitational interactions, both from the parental giant planet they orbit and from resonance with nearby moons. The effect of this heat would be further enhanced by the presence of dissolved salts and antifreeze compounds that would prevent the complete freezing of the subsurface oceans. In addition, layers of insulating minerals in the crust and/or ocean, such as clathrate hydrates, would help to retain the heat, preventing its loss to space and creating favourable conditions for habitability.
The key evidence supporting the existence of these subsurface oceans in the outer Solar System has been provided by several discoveries from NASA-led space missions. The Galileo spacecraft detected a self-induced magnetic signal on Jupiter’s moon Europa, suggesting the presence of a salty ocean interacting with the giant planet’s magnetic field. The Cassini spacecraft identified kilometer-high plumes of water vapour containing hydrogen, carbon dioxide, methane, and other long-chain hydrocarbons, along with sodium salts such as chlorides, carbonates, and phosphates, emanating from the southern pole of Saturn’s moon Enceladus. In addition, infrared and ultraviolet spectrometers on-board the Galileo and Dawn spacecrafts detected salts on Europa and the dwarf planet Ceres. On Europa, sulphates, along with halite and carbonates, were primarily identified, while on Ceres, calcium-magnesium, sodium, and ammonium carbonates, as well as sodium and ammonium chlorides, were found. These deposits were associated with tectonic, impact, or cryovolcanic structures, suggesting an endogenous origin, having been transferred to the surface from the ocean or from subsurface reservoirs within the crust. Phyllosilicate, minerals formed by aqueous alteration and which constitute a significant part of the composition of Ceres’ water-ice crust, along with its core of hydrated silicates, also support this hypothesis. These large-scale hydrothermal water-rock interactions can only be explained by the existence of a global subsurface ocean. These findings have expanded the concept of the habitable zone, previously restricted to inner solar system planets with water on the planetary surface, to now include the possibility of deep habitats beneath ice crusts.
However, the characterization of the habitable zone within planetary bodies does not end with confirming the presence of liquid water; it also requires sources of energy and elements such as carbon (C), hydrogen (H), oxygen (O), nitrogen (N), phosphorus (P), and sulphur (S), which are the basic building blocks of life. The direct contact between the subsurface ocean and a geothermal rocky mantle of mafic/ultramafic rocks is particularly significant. Mantle degassing, combined with water-rock interactions and those occurring under hydrothermal conditions, would provide the essential sources —nutrients and chemical energy— to sustain a chemolithoautotrophic ecosystem in environments akin to their terrestrial analogues, such as hydrothermal vents and methane cold seeps. The activity of the latter is regulated by the release of carbon gases from subsurface reservoirs and/or by clathrate hydrate dissociation events. Europa and Enceladus would meet this requirement, but the case of Ceres is more complex as it is currently considered a relict ocean world. Located in the asteroid belt, Ceres does not experience the same tidal forces that sustain geothermal activity on moons like Europa and Enceladus. The only factors that might potentially maintain the presence of liquid reservoirs in its crust are primordial heat, its high ammonium content (an antifreeze compound), and the presence of clathrate hydrate layers. Despite this, Ceres may be exhibiting some apparent geological activity. Between 2012 and 2013, the ESA’s Herschel Space Telescope detected water vapour plumes emerging from mid-latitude regions. This discovery led to two possible explanations: sublimation processes or ongoing cryovolcanism in the crust.
The potential geological activity within these ocean worlds, particularly in environments analogous to hydrothermal systems and cold seeps on the terrestrial seafloor, as well as in cryomagmatic and tectonic processes in the crust, would promote the circulation of CHONPS elements and, in turn, the development of (bio)-geochemical cycles. From an astrobiological perspective, this would be crucial for ensuring the habitability of different environments that might exist within these ocean worlds, as it would regulate the distribution and abundance of these elements through their release via mineral alteration/dissolution and clathrate hydrate dissociation, and their retention through mineral crystallization and the formation of new clathrate hydrates.
Las misiones de exploración al Sistema Solar exterior lanzadas a finales del siglo XX revelaron que el sistema Solar alberga múltiples mundos oceánicos. El agua, solvente esencial para la vida, podría existir en su fase líquida bajo las cortezas de hielo de estos cuerpos, sostenida por el calor primordial y la energía disipada de las interacciones gravitacionales, tanto del planeta gigante al que orbitan como de la resonancia con otras lunas cercanas. El efecto de este calor se vería reforzada por la presencia de sales disueltas y compuestos anticongelantes que impedirían la congelación completa de los océanos subsuperficiales. Además, capas de minerales aislantes en la corteza y/o océano, como los clatratos hidratos, contribuirían a retener el calor evitando su pérdida al espacio y creando condiciones propicias para la habitabilidad.
Las evidencias clave que respaldarían la existencia de estos océanos subsuperficiales en el sistema exterior han sido proporcionadas por varios descubrimientos de misiones espaciales lideradas por la NASA. La sonda Galileo detectó una señal magnética autoinducida en la luna de Júpiter Europa, lo que sugeriría la presencia de un océano salado en interacción con el campo magnético del planeta gigante. La sonda Cassini, por su parte, identificó plumas kilométricas de vapor de agua, con contenidos en hidrógeno, dióxido de carbono y metano, entre otros hidrocarburos de cadena larga, y sales, como cloruros, carbonatos y fosfatos de sodio emanando del polo sur de la luna Encélado de Saturno. Además, los espectrómetros de infrarrojo y ultravioleta a bordo de las sondas Galileo y Dawn detectaron sales en Europa y el planeta enano Ceres. En Europa, se identificaron principalmente sulfatos, además de halita y carbonatos, mientras que en Ceres se identificaron carbonatos de calcio-magnesio, sodio y amonio, así como cloruros de sodio y amonio. Estos depósitos se encontraron asociados a estructuras tectónicas, de impacto o criovolcánicas, lo que sugerían un origen endógeno, habiendo sido transferidos a la superficie desde el océano o desde reservorios subsuperficiales de la corteza. Los filosilicatos, minerales formados por alteración acuosa y que constituyen una parte considerable de la composición de la corteza de hielo de agua de Ceres, junto con su núcleo de silicatos hidratados, también respaldarían esta hipótesis.
Estas interacciones hidrotermales agua-roca a gran escala solo podrían explicarse con la existencia de un océano subsuperficial global. Estos hallazgos ampliaron el concepto de la zona de habitabilidad, que antes se restringía a planetas del sistema interior con agua en la superficie planetaria, para incluir ahora la posibilidad de hábitats profundos bajo las cortezas de hielo.
No obstante, la caracterización de la zona habitable en el interior de cuerpos planetarios no concluye al confirmar la presencia de agua líquida, sino que también es esencial la existencia de fuentes de energía y de elementos como carbono (C), hidrógeno (H), nitrógeno (N), oxígeno (O), fósforo (P) y azufre (S), que conforman los componentes básicos de la vida. El contacto directo entre el océano subsuperficial y un manto rocoso geotérmico de rocas máficas/ultramáficas adquiere especial relevancia. La desgasificación del manto, junto con las interacciones agua-roca, así como las que ocurren en condiciones hidrotermales, proporcionarían los recursos necesarios –nutrientes y energía química– para sostener un ecosistema quimiolitoautótrofo en ambientes comparables a sus análogos terrestres, como las fuentes hidrotermales y las filtraciones frías de metano. La actividad de estas últimas, conocidas en inglés como cold seeps, está contralada por el escape de gases de carbono desde reservorios subsuperficiales y/o de eventos de disociación de clatratos hidratos.
Europa y Encélado cumplirían con este requisito, pero el caso de Ceres es más complejo ya que actualmente se le considera un mundo oceánico relicto. Situado en el cinturón de asteroides, Ceres no cuenta con las mismas fuerzas de marea que sustentan la actividad geotérmica en lunas como Europa y Encélado. Los únicos factores que podrían mantener la existencia actual de reservorios líquidos en su corteza serían el calor primordial, su alto contenido en amonio, un compuesto anticongelante, y la presencia de capas de clatratos hidratos. A pesar de ello, Ceres puede estar mostrando cierta actividad geológica aparente. Entre 2012 y 2013, el telescopio espacial Herschel de la ESA descubrió plumas de vapor de agua emergiendo de regiones de latitudes medias. A raíz de este hallazgo, surgieron dos posibles explicaciones: procesos de sublimación o que el criovolcanismo de la corteza continuaba activo. La potencial actividad geológica en el interior de estos mundos oceánicos, en particular en entornos análogos a los sistemas hidrotermales y cold seeps del fondo marino terrestre, así como en procesos criomagmáticos y tectónicos en la corteza, propiciaría la circulación de los elementos CHONPS y, con ello, el desarrollo de los ciclos (bio)-geoquímicos. Desde una perspectiva astrobiológica, esto sería clave para garantizar la habitabilidad de los distintos ambientes que pudieran existir en su interior, ya que regularía la distribución y abundancia de dichos elementos mediante su liberación a través de la alteración/disolución de minerales y la disociación de clatratos hidratos, y su retención a través de la cristalización de minerales y formación de nuevos clatratos hidratos.
