Jupiterův měsíc Io je vulkanicky aktivní po miliardy let

Jupiterův měsíc Io je vulkanicky nejaktivnějším místem ve Sluneční soustavě. Během své 1,8denní oběžné dráhy je tento měsíc pravidelně gravitačně stlačován Jupiterem, což vede k sopečným erupcím větším, než kterékoliv dnes na Zemi. Io, Europa a Ganymed jsou v orbitální konfiguraci známé jako Laplaceova rezonance: na každý oběh Ganymeda dokončí Europa přesně dva oběhy a Io přesně čtyři. V této konfiguraci se měsíce navzájem gravitačně přitahují takovým způsobem, že obíhají po eliptických, spíše než kruhových, oběžných drahách. Takové dráhy umožňují gravitaci Jupitera zahřívat nitra měsíců, což způsobuje vulkanismus Io a dodává teplo do podpovrchového tekutého oceánu na ledové Evropě.

Jak dlouho Io zažívá tento sopečný boom? Jinými slovy, jak dlouho jsou Jupiterovy měsíce v této konfiguraci? Dvě nové studie od výzkumníků z Caltechu měřily izotopy síry v atmosféře Io a určily, že měsíce byly uzamčeny v tomto rezonančním tanci po miliardy let. Kapalný oceán Europy byl dlouho považován za potenciální místo pro vývoj života a přesné pochopení toho, jak dlouho byly oběžné dráhy těchto měsíců ovlivněny tímto způsobem, je zásadní pro charakterizaci jeho dlouhodobé obyvatelnosti. Články se objevily v časopisech Science a JGR-Planets 18. dubna 2024.

Na Zemi můžeme najít podpisy minulých událostí prostřednictvím fosilií a kráterů. Io se však neustále proměňuje, takže jeho povrch je starý jen asi milion let, zatímco samotný měsíc je starý kolem 4,5 miliardy let. Aby vědci pochopili, jak dlouho tento Jupiterův měsíc zažívá vulkanismus, zkoumali chemikálie v jeho atmosféře.

Io neobsahuje vodu, takže hlavní složkou plynů, které chrlí ze svých sopek, je síra, což vede k atmosféře, která je z 90 procent tvořena oxidem siřičitým. Během dynamických vulkanických cyklů Io se plyny v blízkosti povrchu ponoří zpět do nitra a jsou znovu vráceny do atmosféry.

Atomy síry na Io mají několik různých forem neboli izotopů. Izotopy jsou varianty daného prvku s různým počtem neutronů. Například síra-32 a síra-34 mají stejný počet protonů (16), ale první má 16 neutronů a druhý jich má 18. Neutrony navíc dělají prvek fyzicky těžší, takže v atmosféře Io se lehčí izotopy s větší pravděpodobností nacházejí nahoře, zatímco těžší izotopy jsou s větší pravděpodobností dole, blízko povrchu měsíce Io.

Povrch není jediným neustále se měnícím místem na Io – jeho atmosféra je také vysávána do vesmíru rychlostí asi jedné tuny za sekundu kvůli srážkám s nabitými částicemi v magnetickém poli Jupitera. Vzhledem k tomu, že lehčí izotop síry, síra-32, je hojnější v blízkosti vrcholu atmosféry, kde k těmto srážkám dochází, tento izotop se neúměrně vyčerpává ve srovnání s jeho těžším protějškem. Pochopení toho, kolik lehké síry chybí, může napovědět, jak dlouho byl měsíc vulkanický. K tomu vědci využili radioteleskop ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) v Chile k měření izotopů síry na Io.

Z meteoritů, které jsou zbytky z rané fáze Sluneční soustavy, vědci zjistili, že Sluneční soustava vznikla s poměrem zhruba 23 atomů síry-32 na každý jeden atom síry-34. Pokud by se Io od svého vzniku nezměnil, měl by dnes stejný poměr. Nová studie však ukázala, že Io ztratil 94 až 99 procent své původní síry – a to znamená, že měsíc byl vulkanicky aktivní po miliardy let, zatímco po celou dobu ztrácel síru do vesmíru.

Trvání vulkanismu na Io naznačuje, že se velmi brzy po vzniku měsíců zablokoval v orbitální rezonanci s Europou a Ganymedem. To podporuje předpovědi z modelů za posledních 20 let, které ukazují, že tyto Galileovské měsíce – Io, Europa, Ganymed – by měly vstoupit do této rezonance velmi brzy po svém vzniku.

„Jupiterův systém je jen jedním z mnoha příkladů měsíců a dokonce i exoplanet, které se vyskytují v těchto typech rezonancí,“ říká Katherine de Kleerová, odborná asistentka planetární vědy a astronomie na Hufstedler Family Scholar a hlavní autorka vědecké práce. „Slapové ohřívání, které je způsobeno takovými rezonancemi, je hlavním zdrojem tepla pro měsíce a může pohánět jejich geologickou aktivitu. Io je toho nejextrémnějším příkladem, takže jej používáme jako laboratoř pro pochopení přílivového ohřevu obecně.“

V dokumentu JGR-Planets, který vedl bývalý postdoktorand z Caltechu Ery Hughes, tým provedl sofistikované modelování sírového systému Io, aby prozkoumal potenciální scénáře pro historii měsíce, včetně těch, ve kterých byl Io v minulosti ještě vulkaničtější, než je dnes.

„Protože chybí spousta lehké síry, atmosféra, kterou dnes měříme, je relativně 'těžká', pokud jde o síru. Klíčem k dosažení tak těžké síry v atmosféře Io je proces pohřbívání těžké síry zpět do nitra Io, takže mohou být uvolňovány vulkány znovu a znovu,“ říká Hughes, nyní geochemik sopečných tekutin z GNS Science na Novém Zélandu.

Dalším cílem vědců je zjistit, jaké další plyny Io mohl ztratit v průběhu své dlouhé dynamické historie. Například, zatímco Io vypadá, že neobsahuje žádnou vodu, ostatní galileovské měsíce jí mají dostatek. Měl Io kdysi ve svém nitru vodu a následně ji ztratil vulkanismem?

Zdroj: https://www.caltech.edu/about/news/jupiters-moon-io-has-been-volcanically-active-for-billions-of-years a https://www.sci.news/astronomy/volcanically-active-io-12879.html

autor: František Martinek