Tajemnicze wewnętrzne funkcjonowanie Io, wulkanicznego księżyca Jowisza

Oryginalna wersja tej historii ukazała się w magazynie Quanta .

Pierwsze spotkanie Scotta Boltona z Io miało miejsce latem 1980 roku, tuż po ukończeniu college'u i podjęciu pracy w NASA. Statek kosmiczny Voyager 1 przeleciał obok tego księżyca Jowisza, rejestrując pierwszy przebłysk aktywnego wulkanizmu na świecie innym niż Ziemia. Parasolowate wybuchy materii magmowej wystrzeliły w kosmos z całej powierzchni Io. „Wyglądały niesamowicie pięknie” — powiedział Bolton, który obecnie pracuje w Southwest Research Institute w Teksasie. „Wyglądały, jakby narysował je artysta. Byłem zdumiony, jak egzotycznie wyglądały w porównaniu z naszym księżycem”.

Naukowcy tacy jak Bolton od tamtej pory próbowali zrozumieć bujny wulkanizm Io. Wiodącą teorią było to, że tuż pod skorupą księżyca kryje się globalny ocean magmy, ogromny, ciągły zapas płynnych skał. Teoria ta idealnie współgra z kilkoma obserwacjami, w tym tymi pokazującymi mniej więcej równomierne rozmieszczenie wulkanów Io, które wydają się czerpać z tego samego wszechobecnego, piekielnego źródła topnienia.

Ale teraz wygląda na to, że piekło Io zniknęło — albo raczej, że nigdy go tam nie było. Podczas ostatnich przelotów obok wulkanicznego księżyca przez sondę kosmiczną Juno NASA naukowcy zmierzyli grawitacyjny wpływ Io na Juno, wykorzystując najmniejsze wahania sondy kosmicznej do określenia rozkładu masy księżyca, a tym samym jego wewnętrznej struktury. Naukowcy poinformowali w Nature , że nic znaczącego nie chlupocze tuż pod skorupą Io.

„Nie ma płytkiego oceanu” – powiedział Bolton, który kieruje misją Juno.

Niezależni naukowcy nie mogą znaleźć żadnych wad w badaniu. „Wyniki i praca są całkowicie solidne i całkiem przekonujące” — powiedziała Katherine de Kleer , planetolog z California Institute of Technology.

Dane te ponownie otworzyły tajemnicę, która rozlewa się na inne skaliste światy. Wulkanizm Io jest napędzany przez mechanizm grawitacyjny zwany ogrzewaniem pływowym, który topi skałę w magmę, która wybucha z powierzchni. Podczas gdy Io jest sztandarowym przykładem tego mechanizmu, ogrzewanie pływowe ogrzewa również wiele innych światów, w tym sąsiada Io, lodowy księżyc Europa, gdzie ciepło, jak się uważa, podtrzymuje podziemny ocean słonej wody. NASA wystrzeliła wartą 5 miliardów dolarów sondę Clipper, aby przeszukać niebo Europy w poszukiwaniu oznak życia w proponowanym podziemnym oceanie.

Ale jeśli Io nie ma oceanu magmy, co to może oznaczać dla Europy? I naukowcy teraz się zastanawiają, jak w ogóle działa ogrzewanie pływowe?

Ciepło napędza geologię, skalisty fundament, na którym zbudowane jest wszystko inne, od aktywności wulkanicznej i chemii atmosfery po biologię. Ciepło często pochodzi z formowania się planety i rozpadu jej pierwiastków radioaktywnych. Jednak mniejsze obiekty niebieskie, takie jak księżyce, mają tylko niewielkie rezerwy takich pierwiastków i ciepła resztkowego, a gdy te rezerwy się wyczerpią, ich aktywność geologiczna staje się płaska.

Albo przynajmniej powinno, ale coś wydaje się zapewniać życie geologiczne małym obiektom w całym Układzie Słonecznym długo po tym, jak powinny one już geologicznie zniknąć.

Io jest najbardziej ekstrawaganckim członkiem tego zagadkowego klubu — spalonej pomarańczy, karmazynu i płowego obrazu Jacksona Pollocka. Odkrycie przepełnionych kotłów lawy jest jedną z najsłynniejszych opowieści w nauce o planetach, ponieważ przewidywano ich istnienie, zanim zostały odkryte.

2 marca 1979 r. w czasopiśmie Science ukazał się artykuł rozważający dziwną orbitę Io. Ze względu na położenie i orbity sąsiednich księżyców, orbita Io jest eliptyczna, a nie kołowa. A gdy Io znajduje się bliżej Jowisza, doświadcza silniejszego przyciągania grawitacyjnego ze strony gazowego olbrzyma niż gdy jest dalej. Autorzy badania doszli do wniosku, że grawitacja Jowisza musi zatem nieustannie ugniatać Io, ciągnąc jego powierzchnię w górę i w dół nawet o 100 metrów i, zgodnie z ich obliczeniami, generując w nim dużo ciepła tarcia — mechanizm, który opisali jako „ogrzewanie pływowe”. Przypuszczali, że Io może być najbardziej intensywnie rozgrzanym skalistym ciałem w Układzie Słonecznym. „Można spekulować, że wystąpi rozległy i nawracający wulkanizm powierzchniowy” — napisali.

Zaledwie trzy dni później Voyager 1 przeleciał obok . Zdjęcie zrobione 8 marca udokumentowało dwa gigantyczne pióropusze wyginające się nad jego powierzchnią. Po wykluczeniu wszystkich innych przyczyn naukowcy NASA doszli do wniosku, że Voyager widział erupcje wulkanów na obcym świecie. O swoim odkryciu poinformowali wScience w czerwcu, zaledwie trzy miesiące po prognozie.

Społeczność planetologów szybko zjednoczyła się wokół idei, że pływowe ogrzewanie wewnątrz Io jest odpowiedzialne za niekończącą się wulkanizację na powierzchni. „Nieznaną częścią, która była otwartym pytaniem przez dziesięciolecia, jest to, co to oznacza dla wewnętrznej struktury” — powiedział Mike Sori , planetarny geofizyk z Purdue University. Gdzie to pływowe ogrzewanie jest skupione wewnątrz Io i ile ciepła i topnienia generuje?

Statek kosmiczny Galileo NASA badał Jowisza i kilka jego księżyców na przełomie tysiącleci. Jednym z jego instrumentów był magnetometr, który wykrył osobliwe pole magnetyczne pochodzące z Io. Sygnał wydawał się pochodzić z przewodzącego prąd płynu — w rzeczywistości dużej ilości płynu.

Po latach badań naukowcy doszli w 2011 r. do wniosku , że Galileo wykrył globalny ocean magmy tuż pod skorupą Io. Podczas gdy płaszcz Ziemi jest w większości stały i plastyczny, uważano, że podpowierzchnia Io jest wypełniona oceanem płynnych skał o grubości 50 kilometrów, czyli prawie pięć razy grubszym niż Ocean Spokojny w jego najgłębszym punkcie .

Podobne pole magnetyczne pochodziło również z Europy — w tym przypadku najwyraźniej generowane przez ogromny ocean słonej wody . Implikacje były głębokie: przy dużej ilości materiału skalnego ogrzewanie pływowe może tworzyć oceany magmy. Przy dużej ilości lodu może tworzyć oceany potencjalnie nadającej się do zamieszkania wody w stanie ciekłym.

Kiedy sonda kosmiczna Juno zaczęła krążyć wokół Jowisza w 2016 r., powszechne było przekonanie, że Io ma ocean magmy. Ale Bolton i jego współpracownicy chcieli to sprawdzić.

Podczas przelotów w grudniu 2023 r. i lutym 2024 r. Juno zbliżyła się na odległość 1500 kilometrów od spalonej powierzchni Io. Chociaż niezwykłe obrazy aktywnych wulkanów przyciągnęły uwagę wszystkich, celem tych przelotów było sprawdzenie, czy pod skalistą powierzchnią księżyca rzeczywiście znajduje się ocean magmy.

Aby to zbadać, zespół użył nietypowego narzędzia: transpondera radiowego Juno, który komunikuje się z Ziemią, wysyłając i odbierając sygnały. Ze względu na nierównomiernie rozłożoną masę Io, jej pole grawitacyjne nie jest idealnie symetryczne. To nierównomierne pole grawitacyjne subtelnie zmienia ruch Juno podczas przelotu, powodując, że lekko przyspiesza lub zwalnia.

Oznacza to, że transmisje radiowe Juno będą podlegać efektowi Dopplera, w którym długość fali nieznacznie się przesunie w odpowiedzi na nierównomierne pole grawitacyjne Io. Analizując niezwykle małe przesunięcia w transmisjach, zespół Boltona był w stanie stworzyć obraz pola grawitacyjnego Io o wysokiej wierności i wykorzystać go do określenia jego wewnętrznej struktury. „Gdyby rzeczywiście istniał globalny ocean magmy, można by było zobaczyć o wiele więcej zniekształceń, gdy Io krąży wokół Jowisza, a siły pływowe uginają go i zmieniają jego kształt” — powiedział Ashley Davies , wulkanolog z Jet Propulsion Laboratory NASA, który nie był zaangażowany w nowe badanie.

Ale zespół Boltona nie znalazł takiego poziomu zniekształcenia. Ich wniosek był jasny. „Nie może być płytkiego oceanu magmy, który zasilałby wulkany” — powiedział współautor badania Ryan Park , współbadacz Juno w Jet Propulsion Laboratory.

Co jeszcze może zasilać wulkany na Io?

Na Ziemi, oddzielne zbiorniki magmy różnego typu — od smolistej lepkiej materii, która napędza wybuchy, po bardziej płynną, przypominającą miód substancję, która tryska z niektórych wulkanów — znajdują się w skorupie na różnych głębokościach, wszystkie utworzone przez interakcje płyt tektonicznych, ruchomych elementów układanki, z których składa się powierzchnia Ziemi. Io nie ma tektoniki płyt i (być może) różnorodności typów magmy, ale jego skorupa może być mimo to usiana zbiornikami magmy. Był to jeden z pierwotnych toków myślenia, dopóki dane Galileusza nie przekonały wielu do teorii oceanu magmy.

Nowe badanie nie wyklucza znacznie głębszego oceanu magmy. Ale ten abisalny zapas musiałby być wypełniony magmą tak bogatą w żelazo i gęstą (z powodu jej dużej głębokości), że miałaby trudności z migracją na powierzchnię i zasilaniem wulkanizmu Io. „A na pewnej głębokości staje się trudne rozróżnienie tego, co nazwalibyśmy głębokim oceanem magmy, od ciekłego jądra” — powiedział Park.

Dla niektórych to stwarza nierozwiązywalny problem. Magnetometr Galileusza wykrył oznaki płytkiego oceanu magmy, ale dane grawitacyjne Juno zdecydowanie to wykluczyły. „Ludzie tak naprawdę nie kwestionują wyników magnetometru, więc trzeba to dopasować do wszystkiego innego” — powiedział Jani Radebaugh , geolog planetarny z Brigham Young University.

Naukowcy nie zgadzają się co do najlepszej interpretacji danych Galileo. Sygnały magnetyczne „były prawdopodobnie uznawane za najlepszy dowód na istnienie oceanu magmy, ale tak naprawdę nie były aż tak silne” — powiedział Francis Nimmo , planetolog z University of California w Santa Cruz i współautor nowego badania. Dane indukcji nie były w stanie odróżnić częściowo stopionego (ale nadal stałego) wnętrza od całkowicie stopionego oceanu magmy — powiedział.

Być może głównym powodem, dla którego naukowcy badają Io, jest to, że uczy nas ona o podstawach ogrzewania pływowego. Silnik ogrzewania pływowego Io pozostaje imponujący — wyraźnie powstaje wiele magmy zasilającej wulkany. Ale jeśli nie produkuje podpowierzchniowego oceanu magmy, czy to oznacza, że ​​ogrzewanie pływowe również nie generuje oceanów wody?

Naukowcy są przekonani, że tak. Nikt nie wątpi, że księżyc Saturna Enceladus, który również jest ogrzewany pływowo, zawiera podziemny ocean słonej wody; sonda Cassini nie tylko wykryła oznaki jego istnienia, ale również bezpośrednio pobrała próbki z części oceanu, który wybuchł na biegunie południowym księżyca. I chociaż istnieje pewien sceptycyzm co do tego, czy Europa ma ocean, większość naukowców uważa, że ​​tak.

Co najważniejsze, w przeciwieństwie do dziwnego pola magnetycznego Io, które zdawało się wskazywać, że skrywa ono oceaniczny płyn, własny sygnał magnetyczny Europy z ery Galileusza pozostaje silny. „To całkiem czysty wynik dla Europy” — powiedział Robert Pappalardo , naukowiec projektu misji Europa w Jet Propulsion Laboratory. Lodowy księżyc jest wystarczająco daleko od Jowisza i intensywnego, zalanego plazmą środowiska kosmicznego Io, że własny sygnał indukcji magnetycznej Europy „naprawdę się wyróżnia”.

Ale jeśli oba księżyce są ogrzewane pływowo, dlaczego tylko Europa ma wewnętrzny ocean? Według Nimmo „istnieje zasadnicza różnica między oceanem ciekłej wody a oceanem magmy. Magma chce uciec; woda naprawdę nie”. Płynna skała jest mniej gęsta niż skała stała, więc chce szybko wznieść się i wybuchnąć; nowe badanie sugeruje, że nie pozostaje na głębokości wystarczająco długo wewnątrz Io, aby utworzyć ogromny, połączony ocean. Jednak ciekła woda jest, co niezwykłe, gęstsza niż jej stała lodowata forma. „Ciepła woda jest ciężka, więc zbiera się w oceanie” — powiedział Sori.

„Myślę, że to jest główny przekaz tego artykułu” – dodał Sori. Ogrzewanie pływowe może mieć trudności z tworzeniem oceanów magmy. Ale na lodowych księżycach może łatwo tworzyć oceany wodne ze względu na dziwnie niską gęstość lodu. A to sugeruje, że życie ma wiele potencjalnie nadających się do zamieszkania środowisk w całym Układzie Słonecznym, które może nazwać domem.

Odkrycie, że na Io brakuje płytkiego oceanu magmy, podkreśla, jak mało wiadomo o ogrzewaniu pływowym. „Nigdy tak naprawdę nie zrozumieliśmy, gdzie we wnętrzu Io płaszcz się topi, w jaki sposób ten topiony płaszcz wydostaje się na powierzchnię” — powiedział de Kleer.

Nasz własny księżyc również wykazuje dowody pierwotnego ogrzewania pływowego. Jego najstarsze kryształy powstały 4,51 miliarda lat temu ze strumienia stopionej materii, która została wyrzucona z Ziemi przez gigantyczne uderzenie . Jednak wiele kryształów księżycowych wydaje się powstawać z drugiego zbiornika stopionej skały 4,35 miliarda lat temu. Skąd wzięła się ta późniejsza magma?

Nimmo i współautorzy przedstawili jeden pomysł w artykule opublikowanym w Nature w grudniu: Być może księżyc Ziemi był jak Io. Księżyc znajdował się wówczas znacznie bliżej Ziemi, a pola grawitacyjne Ziemi i Słońca walczyły o kontrolę. Przy pewnym progu, gdy wpływ grawitacyjny obu był mniej więcej równy, księżyc mógł tymczasowo przyjąć orbitę eliptyczną i zostać nagrzany pływowo przez grawitacyjne ugniatanie Ziemi. Jego wnętrze mogło się ponownie stopić, powodując zaskakujący wtórny rozkwit wulkanizmu.

Jednak nie jest jasne, gdzie dokładnie we wnętrzu księżyca koncentrowało się ciepło pływowe, a tym samym gdzie następowało topnienie.

Być może jeśli Io można zrozumieć, to samo można zrobić z naszym księżycem — a także z kilkoma innymi satelitami w naszym układzie słonecznym z ukrytymi silnikami pływowymi. Na razie ta wulkaniczna kula pozostaje irytująco niezgłębiona. „Io to skomplikowana bestia” — powiedział Davies. „Im częściej ją obserwujemy, im bardziej wyrafinowane są dane i analizy, tym bardziej zagadkowa się staje”.

Oryginalny artykuł przedrukowano za zgodą Quanta Magazine , redakcyjnie niezależnej publikacji Fundacji Simonsa , której misją jest pogłębianie wiedzy naukowej wśród społeczeństwa poprzez relacjonowanie osiągnięć badawczych i trendów w matematyce, fizyce i naukach biologicznych.