Forskare kan säga två saker med säkerhet om Io. För det första är denna Jupiters innersta måne det mest vulkaniska föremålet i det kända universum. Dess yta är prickad med så många lava-pytande calderor att den liknar en ugnsbakad ostpizza; dess lysande floder av smält sten sträcker sig slingrande från horisont till horisont; och dess ändlösa utbrott sprutar stora ark av materia in i rymdens vakuum.
För det andra vet ingen riktigt djupet av denna iögonfallande klots eldiga förskansning. Matas Ios vulkaner från reservoarer precis under jordskorpan, eller hämtar de sin energi från en värmekälla som stiger mycket djupare, nära månens arga hjärta? Att lösa detta mysterium kan hjälpa till att avslöja hur Ios månbror Europa och andra isiga månar lyckas ta emot stora, potentiellt beboeliga oceaner av flytande vatten, trots den solfattiga kylan i det yttre solsystemet. Nu har författarna till en ny studie precis publicerat Naturlig astronomi Jag tror att de har ett svar: de förlitar sig på nästan “ytnivå” värmemotorer som inte är begravda för långt under den surrealistiska ytan av Io.
“Forskning som denna ger ovärderlig insikt i mångfalden av vulkanisk aktivitet och den inre uppvärmningen av andra världar”, säger Anna Gülcher, en planetforskare vid California Institute of Technology som inte var involverad i den nya studien. Även om tidningens slutsatser inte är entydiga, hjälper de forskare att reda ut sina modeller av var och hur värmen kommer från annars frusna främmande månar.
På vissa sätt kan Ios inre värme tillskrivas närvaron av Europa och dess närmaste grannmåne, Ganymedes: båda formar Ios bana runt Jupiter till en distinkt icke-cirkulär oval, som skickar den hypervulkaniska månen att flyga närmare gasjätten och sedan sig bort från honom och hans slitande gravitationsgrepp. Detta resulterar i tidvatten inom Io som klämmer ihop månens geologiska inälvor och genererar enorma mängder magmabildande friktionsvärme. Frågan är var inom Io denna uppvärmning är koncentrerad – och, genom proxy, var tidvattenuppvärmningen för Europa och andra oceaniska månar också kan vara koncentrerad.
Mönster bland vulkaner som bryter ut på Io – de vars termiska utsläpp kan spåras av passerande rymdfarkoster – kommer sannolikt att ge ledtrådar. Forskare har ägnat årtionden åt att spåra dem genom att på distans kartlägga de flesta av Ios vulkaniska hotspots, men de runt polerna har visat sig vara svåra att upptäcka. Lyckligtvis lyckades NASA:s oförskämda rymdfarkost Juno skymta Ios mössor, vilket gör det möjligt för forskare att skapa en global karta över månens vulkaniska hotspots.
Dessa infraröda Juno-bilder “visar saker som ingen har sett tidigare”, säger Ashley Davies, vulkanolog och planetforskare vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory och en av studiens författare. I synnerhet visar de att betydligt mer vulkanisk värme kommer från Ios lägre breddgrader och ekvatorialområden, medan dess poler är jämförelsevis ljumma. Detta tyder på att Ios tidvattenuppvärmning inte är koncentrerad till stora djup, utan snarare högre upp, närmare skorpan.
“Vi har velat ha den här datamängden i årtionden, och nu är den äntligen här”, säger Katherine de Kleer, en planetforskare vid California Institute of Technology som inte var involverad i den nya studien. “Modellerna [have differed] där smältningen sker mest, oavsett om det är nere vid gränsen mellan kärnan och manteln eller nära ytan.” Dessa två kontrasterande scenarier har olika implikationer för var Ios vulkanism slutligen har sitt ursprung på månens yta. Övervägande djupare tidvattenuppvärmning skulle leda till kraftig vulkanism vid polerna, medan grundare bakning skulle utlösa vulkanbränder på lägre breddgrader.
För att ta reda på vilken av dessa modeller som fungerade bäst krävdes en global karta över Ios vulkanutbrott. Men utan några rymdfarkoster dedikerade enbart till att förhöra Io, förblev kartor över dess vulkaniska hotspots – särskilt de i dess polära områden – ofullständiga. Tidigare rymdfarkoster med infraröda kameror genomförde mestadels förbiflygningar med ekvatorialutsikt över Io.
Juno kom till undsättning 2016 när den gick in i Jupiters polarbana. Genom att dra nytta av detta nya perspektiv använde forskare rymdfarkostens Jovian Infrared Auroral Mapper (JIRAM) instrument, designat främst för att studera Jupiters magnetfält och polära norrsken, för att ta en längre titt på Ios poler.
I den nya studien undersökte författarna 266 vulkaniska hotspots på månen. Den här kartan visade att Ios lägre breddgrader avger 60 procent mer vulkanisk värme per ytenhet än polerna. Den bästa förklaringen till denna dikotomi är att Ios tidvattenuppvärmning sker mestadels på grunda djup, antingen inom en kittliknande övre mantel eller i ett delvis eller helt smält stenigt hav precis under jordskorpan.
“Jag lutar mot ett magmahav”, säger Davies. Bevisen är dock osäkra: positionerna för vulkanutbrott matchar inte perfekt förväntningarna på en uppvärmningshypotes. “Io kommer att vara mycket mer komplicerad än dessa slutmedlemsmodeller”, tillägger Davies.
Polerna är också vulkaniskt aktiva, vilket tyder på att en liten tidvattenuppvärmning sker på djupet. “Det finns förmodligen en viss grad av smältning överallt”, säger de Kleer. Märkligt nog avger nordpolen mer än dubbelt så mycket vulkanisk värme per ytenhet som de sydligaste områdena i Io. Det är oklart varför; Davies tror att en geologisk barriär under Sydpolen – kanske en tjockare skorpa eller annan värmebeständig tektonisk struktur – förhindrar flödet av hett berg till ytan.
Även om dessa resultat ligger närmast en röntgenbild av denna ultravulkaniska sfär, är de fortfarande föremål för stora osäkerheter. Forskare (inklusive studieförfattarna) kan inte ens vara säkra på att mönstret av vulkaniska termiska utsläpp från Io är en tillförlitlig indikator på månens värmeflöde. “Magma kommer till ytan varhelst den kan, även om den inte är direkt ovanför smältkällan”, säger Tracy Gregg, en planetarisk vulkanolog vid universitetet i Buffalo som inte var inblandad i studien. Dessa omväxlande migrationer gör det svårare att bestämma den primära platsen för tidvattenuppvärmningen på Io.
Ett annat problem är att denna karta över Ios vulkaniska hotspots bara är en ögonblicksbild av tid som inte kan sättas i sten (smält eller på annat sätt). Ios vulkaner har något gemensamt med de på jorden: vissa förblir aktiva under lång tid, medan andra bara upplever korta utbrott. “Det är glädjen med Io,” det faktum att dess eldiga ansikte ständigt förändras, säger Jani Radebaugh, en planetgeolog vid Brigham Young University som inte var inblandad i studien. “Det är omöjligt att någonsin kartlägga hela Ios vulkanism.”
Det globala porträttet av månutbrott i den här artikeln kan vara det första i sitt slag, men det kommer inte att bli det sista. Framtida ögonblicksbilder av Ios vulkaniska hotspots kan se väldigt annorlunda ut än den här, vilket kan stödja en annan slutsats. För närvarande är dock denna termiska ögonblicksbild i stort sett överensstämmande med tidigare forskning som använde fördelningen av vulkaner som bryter ut eller vilande på månen för att bestämma platsen för Ios värmemotor – och det verkar som om denna motor är ytlig, inte djup.
Junos nästa förbiflygning av Io hittills är planerad till december, vilket ger rymdfarkosten ytterligare en möjlighet att observera månens svårfångade vulkanutbrott. Forskare kan inte vänta med att öppna den här julklappen. “Detta är den renaste formen av upptäckt man kan tänka sig”, säger Davies. “Det är en absolut spänning att se dessa saker.”