I misteriosi meccanismi interni di Io, la luna vulcanica di Giove

La versione originale di questa storia è apparsa su Quanta Magazine .

Il primo incontro di Scott Bolton con Io avvenne nell'estate del 1980, subito dopo la laurea e l'inizio del suo impiego alla NASA. La sonda Voyager 1 aveva sorvolato questa luna di Giove, cogliendo per la prima volta un'immagine di vulcanismo attivo su un pianeta diverso dalla Terra. Eruzioni di materia magmatica a forma di ombrello si riversavano nello spazio da tutta la superficie di Io. "Erano di una bellezza incredibile", ha detto Bolton, che ora lavora presso il Southwest Research Institute in Texas. "Era come se fosse stata disegnata da un artista. Ero stupito da quanto sembrasse esotica rispetto alla nostra luna."

Da allora, scienziati come Bolton hanno cercato di comprendere l'esuberante vulcanismo di Io. Una delle teorie più accreditate è che appena sotto la crosta lunare si nasconda un oceano di magma globale, una vasta riserva contigua di roccia liquida. Questa teoria si sposa perfettamente con diverse osservazioni, tra cui quelle che mostrano una distribuzione pressoché uniforme dei vulcani di Io, che sembrano attingere alla stessa onnipresente, infernale fonte di fusione.

Ma ora, sembra che l'inferno di Io sia svanito, o meglio, non sia mai esistito. Durante i recenti sorvoli della luna vulcanica da parte della sonda spaziale Juno della NASA, gli scienziati hanno misurato l'effetto gravitazionale di Io su Juno, utilizzando le più piccole oscillazioni della sonda per determinare la distribuzione di massa della luna e quindi la sua struttura interna. Gli scienziati hanno riportato su Nature che nulla di significativo si muove appena sotto la crosta di Io.

"Non esiste un oceano poco profondo", ha affermato Bolton, a capo della missione Juno.

Gli scienziati indipendenti non trovano difetti nello studio. "I risultati e il lavoro sono assolutamente solidi e piuttosto convincenti", ha affermato Katherine de Kleer , scienziata planetaria del California Institute of Technology.

I dati hanno riaperto un mistero che si estende anche ad altri mondi rocciosi. Il vulcanismo di Io è alimentato da un meccanismo gravitazionale chiamato riscaldamento mareale, che fonde la roccia in magma che erutta dalla superficie. Mentre Io è il simbolo di questo meccanismo, il riscaldamento mareale riscalda anche molti altri mondi, tra cui il vicino di Io, la luna ghiacciata Europa, dove si ritiene che il calore sostenga un oceano sotterraneo di acqua salata. La NASA ha lanciato la sonda Clipper da 5 miliardi di dollari per esplorare il cielo di Europa alla ricerca di segni di vita nel presunto oceano sotterraneo.

Ma se Io non ha un oceano di magma, cosa potrebbe significare per Europa? E gli scienziati ora si chiedono: come funziona il riscaldamento mareale?

Il calore è il motore della geologia, la base rocciosa su cui si fonda tutto il resto, dall'attività vulcanica alla chimica atmosferica e alla biologia. Il calore deriva spesso dalla formazione di un pianeta e dal decadimento dei suoi elementi radioattivi. Ma oggetti celesti più piccoli, come le lune, hanno solo piccole riserve di tali elementi e di calore residuo, e quando queste riserve si esauriscono, la loro attività geologica si appiattisce.

O almeno dovrebbe, ma qualcosa sembra garantire la vita geologica a piccole sfere sparse per il sistema solare, molto tempo dopo che avrebbero dovuto estinguersi geologicamente.

Io è il membro più appariscente di questo club enigmatico: un dipinto di Jackson Pollock dai toni arancio bruciato, cremisi e fulvo. La scoperta dei suoi calderoni di lava traboccanti è uno dei racconti più famosi della scienza planetaria, poiché la loro esistenza era stata prevista prima ancora di essere scoperta.

Il 2 marzo 1979, un articolo su Science rifletteva sulla strana orbita di Io. A causa delle posizioni e delle orbite delle lune vicine, l'orbita di Io è ellittica anziché circolare. E quando Io è più vicino a Giove, subisce un'attrazione gravitazionale più forte da parte del gigante gassoso rispetto a quando è più lontano. Gli autori dello studio calcolarono che la gravità di Giove dovesse quindi impastare costantemente Io, tirandone la superficie verso l'alto e verso il basso fino a 100 metri e, secondo i loro calcoli, generando al suo interno un notevole calore da attrito – un meccanismo che descrissero come "riscaldamento mareale". Ipotizzarono che Io potesse essere il corpo roccioso più intensamente riscaldato del sistema solare. "Si potrebbe ipotizzare che si verifichi un vulcanismo superficiale diffuso e ricorrente", scrissero.

Solo tre giorni dopo, la Voyager 1 sorvolò la Terra . Un'immagine scattata l'8 marzo documentò due giganteschi pennacchi che si inarcavano sulla sua superficie. Dopo aver escluso tutte le altre cause, gli scienziati della NASA conclusero che la Voyager aveva visto le eruzioni vulcaniche di un mondo alieno. Pubblicarono la loro scoperta suScience a giugno, appena tre mesi dopo la previsione.

La comunità scientifica planetaria si è rapidamente unita attorno all'idea che il riscaldamento mareale all'interno di Io sia responsabile dell'incessante vulcanismo in superficie. "La parte sconosciuta, che è stata una questione aperta per decenni, è cosa significhi per la struttura interna", ha affermato Mike Sori , geofisico planetario della Purdue University. Dove si concentra questo riscaldamento mareale all'interno di Io e quanto calore e fusione sta generando?

La sonda spaziale Galileo della NASA ha studiato Giove e diverse delle sue lune all'inizio del millennio. Uno dei suoi strumenti era un magnetometro, che ha rilevato un peculiare campo magnetico proveniente da Io. Il segnale sembrava provenire da un fluido elettricamente conduttivo – un fluido di grandi dimensioni, in realtà.

Dopo anni di studio, nel 2011 gli scienziati hanno concluso che Galileo aveva rilevato un oceano di magma globale appena sotto la crosta di Io. Mentre il mantello terrestre è per lo più solido e plastico, si pensava che il sottosuolo di Io fosse riempito da un oceano di roccia liquida spesso 50 chilometri, ovvero quasi cinque volte più spesso dell'Oceano Pacifico nel suo punto più profondo .

Anche da Europa proveniva un campo magnetico simile, apparentemente generato da un vasto oceano di acqua salata . Le implicazioni erano profonde: con un'abbondanza di materiale roccioso, il riscaldamento mareale può creare oceani di magma. Con abbondanza di ghiaccio, può creare oceani di acqua liquida potenzialmente abitabile.

Quando la sonda Juno iniziò a orbitare attorno a Giove nel 2016, la convinzione che Io avesse un oceano di magma era diffusa. Ma Bolton e i suoi colleghi volevano verificare ulteriormente.

Durante i sorvoli di dicembre 2023 e febbraio 2024, Juno si è avvicinata a 1.500 chilometri dalla superficie bruciata di Io. Sebbene le straordinarie immagini dei vulcani attivi abbiano attirato l'attenzione di tutti, l'obiettivo di questi sorvoli era scoprire se un oceano di magma si nascondesse davvero sotto la crosta rocciosa della luna.

Per indagare, il team ha utilizzato uno strumento insolito: il transponder radio di Juno, che comunica con la Terra inviando e ricevendo segnali. A causa della massa non uniformemente distribuita di Io, il suo campo gravitazionale non è perfettamente simmetrico. Questo campo gravitazionale irregolare altera sottilmente il moto di Juno durante il suo passaggio, causandone una leggera accelerazione o decelerazione.

Ciò significa che le trasmissioni radio di Juno subiranno l'effetto Doppler, in cui la lunghezza d'onda si sposta leggermente in risposta al campo gravitazionale irregolare di Io. Osservando le variazioni incredibilmente piccole nelle trasmissioni, il team di Bolton è stato in grado di creare un'immagine ad alta fedeltà del campo gravitazionale di Io e di utilizzarla per determinarne la struttura interna. "Se ci fosse davvero un oceano di magma globale, vedremmo molta più distorsione mentre Io orbita attorno a Giove e mentre le forze di marea lo flettono e ne cambiano la forma", ha affermato Ashley Davies , vulcanologa del Jet Propulsion Laboratory della NASA, non coinvolta nel nuovo studio.

Ma il team di Bolton non ha riscontrato questo livello di distorsione. La loro conclusione è stata chiara. "Non può esserci un oceano di magma superficiale che alimenta i vulcani", ha affermato il coautore dello studio Ryan Park , co-ricercatore di Juno presso il Jet Propulsion Laboratory.

Cos'altro potrebbe alimentare i vulcani di Io?

Sulla Terra, all'interno della crosta a varie profondità si trovano riserve discrete di magma di diverso tipo – dalla materia viscosa simile al catrame che alimenta le eruzioni esplosive a quella più fluida e simile al miele che fuoriesce da alcuni vulcani – tutte create dall'interazione delle placche tettoniche, i tasselli mobili del puzzle che compongono la superficie terrestre. Io è privo di tettonica a placche e (forse) di una varietà di tipi di magma, ma la sua crosta potrebbe comunque essere disseminata di riserve di magma. Questa era una delle linee di pensiero originali, finché i dati di Galileo non convinsero molti della teoria dell'oceano di magma.

Il nuovo studio non esclude un oceano di magma molto più profondo. Ma quella riserva abissale dovrebbe essere piena di magma così ricco di ferro e denso (a causa della sua grande profondità) da avere difficoltà a migrare in superficie e alimentare il vulcanismo di Io. "E a una certa profondità, diventa difficile distinguere tra quello che chiameremmo un oceano di magma profondo e un nucleo liquido", ha detto Park.

Per alcuni, questo solleva un problema inconciliabile. Il magnetometro di Galileo ha rilevato tracce di un oceano di magma superficiale, ma i dati gravitazionali di Juno lo hanno categoricamente escluso. "Non si mettono in discussione i risultati del magnetometro, quindi bisogna farli coincidere con tutto il resto", ha affermato Jani Radebaugh , geologo planetario della Brigham Young University.

I ricercatori non sono d'accordo sulla migliore interpretazione dei dati Galileo. I segnali magnetici "sono stati considerati probabilmente la prova migliore di un oceano di magma, ma in realtà non erano così intensi", ha affermato Francis Nimmo , planetologo presso l'Università della California, Santa Cruz, e coautore del nuovo studio. I dati di induzione non sono riusciti a distinguere tra un interno parzialmente fuso (ma ancora solido) e un oceano di magma completamente fuso, ha affermato.

Forse il motivo principale per cui gli scienziati studiano Io è perché ci insegna i fondamenti del riscaldamento mareale. Il motore di riscaldamento mareale di Io rimane impressionante: è chiaro che viene generato un grande quantitativo di magma che alimenta i vulcani. Ma se non produce un oceano di magma sotterraneo, significa che il riscaldamento mareale non genera nemmeno oceani d'acqua?

Gli scienziati rimangono convinti che sia così. Nessuno dubita che la luna di Saturno Encelado, anch'essa riscaldata dalle maree, contenga un oceano sotterraneo di acqua salata; la sonda Cassini non solo ne ha rilevato tracce, ma ne ha anche campionata direttamente una parte, eruttando dal Polo Sud della luna. E sebbene vi sia un leggero scetticismo sulla presenza di un oceano su Europa, la maggior parte degli scienziati è convinta di sì.

Fondamentalmente, a differenza dello strano campo magnetico di Io, che sembrava indicare la presenza di un oceano di fluido, il segnale magnetico di Europa, tipico dell'era Galileo, rimane robusto. "È un risultato piuttosto netto per Europa", ha affermato Robert Pappalardo , responsabile scientifico del progetto Europa presso il Jet Propulsion Laboratory. La luna ghiacciata è sufficientemente lontana da Giove e dall'intenso ambiente spaziale di Io, inondato di plasma, che il segnale di induzione magnetica di Europa "risalta davvero".

Ma se entrambe le lune sono riscaldate dalle maree, perché solo Europa ha un oceano interno? Secondo Nimmo, "c'è una differenza fondamentale tra un oceano di acqua liquida e un oceano di magma. Il magma tende a fuoriuscire; l'acqua in realtà no". La roccia liquida è meno densa della roccia solida, quindi tende a salire ed eruttare rapidamente; il nuovo studio suggerisce che non si sofferma in profondità all'interno di Io abbastanza a lungo da formare un enorme oceano interconnesso. Ma l'acqua liquida è, insolitamente, più densa della sua forma solida ghiacciata. "L'acqua liquida è pesante, quindi si raccoglie in un oceano", ha detto Sori.

"Credo che questo sia il messaggio più ampio di questo articolo", ha aggiunto Sori. Il riscaldamento mareale potrebbe avere difficoltà a creare oceani di magma. Ma sulle lune ghiacciate, può facilmente creare oceani d'acqua a causa della densità stranamente bassa del ghiaccio. E questo suggerisce che la vita abbia una moltitudine di ambienti potenzialmente abitabili in tutto il sistema solare.

La scoperta che a Io manca il suo oceano di magma superficiale sottolinea quanto poco si sappia sul riscaldamento mareale. "Non abbiamo mai veramente capito dove, all'interno di Io, il mantello si stia sciogliendo, né come questo fuso mantellico arrivi in ​​superficie", ha detto de Kleer.

Anche la nostra Luna mostra tracce di un riscaldamento mareale primordiale. I suoi cristalli più antichi si sono formati 4,51 miliardi di anni fa dal flusso di materia fusa espulso dalla Terra da un gigantesco impatto . Ma molti cristalli lunari sembrano essersi formati da un secondo serbatoio di roccia fusa 4,35 miliardi di anni fa. Da dove proveniva quel magma successivo?

Nimmo e coautori hanno proposto un'idea in un articolo pubblicato su Nature a dicembre: forse la luna terrestre era come Io. All'epoca la luna era significativamente più vicina alla Terra, e i campi gravitazionali della Terra e del Sole lottavano per il controllo. A una certa soglia, quando l'influenza gravitazionale di entrambi era pressoché uguale, la luna potrebbe aver temporaneamente adottato un'orbita ellittica e essersi riscaldata per effetto mareale a causa dell'impastamento gravitazionale terrestre. Il suo interno potrebbe essersi nuovamente sciolto, causando una sorprendente fioritura secondaria di vulcanismo.

Ma non è chiaro in quale punto esatto dell'interno della luna si sia concentrato il riscaldamento mareale, e quindi dove abbia avuto luogo tutta questa fusione.

Forse se Io può essere compreso, lo può essere anche la nostra Luna, così come molti altri satelliti del nostro sistema solare dotati di motori mareali nascosti. Per ora, questo globo vulcanico rimane esasperantemente imperscrutabile. "Io è una bestia complicata", ha detto Davies. "Più lo osserviamo, più sofisticati sono i dati e le analisi, più diventa enigmatico."

Articolo originale ripubblicato con autorizzazione di Quanta Magazine , una pubblicazione editorialmente indipendente della Simons Foundation, la cui missione è quella di migliorare la comprensione pubblica della scienza, occupandosi degli sviluppi e delle tendenze della ricerca in matematica, scienze fisiche e della vita.