Недавние пролеты над огненным миром опровергают ведущую теорию его внутренней структуры и показывают, как мало известно о геологически активных лунах.
Фотография: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калтех/SwRI/ASI/INAF/JIRAM.Сохранить Сохранить
Оригинальная версия этой истории была опубликована в журнале Quanta Magazine.
Первая встреча Скотта Болтона с Ио произошла летом 1980 года, сразу после того, как он окончил колледж и начал работать в NASA. Космический аппарат Voyager 1 пролетел мимо этой луны Юпитера, впервые увидев активный вулканизм в мире, отличном от Земли. Зонтичные выбросы магматического вещества взлетели в космос со всей поверхности Ио. «Они выглядели удивительно красиво», — сказал Болтон, который сейчас работает в Юго-Западном исследовательском институте в Техасе. «Это было похоже на то, как нарисовал художник. Я был поражен тем, насколько экзотично это выглядело по сравнению с нашей луной».
Ученые, такие как Болтон, с тех пор пытаются понять бурный вулканизм Ио. Ведущая теория заключается в том, что прямо под корой луны скрывается глобальный океан магмы, обширный непрерывный запас жидкой породы. Эта теория прекрасно согласуется с несколькими наблюдениями, включая те, которые показывают примерно равномерное распределение вулканов Ио, которые, похоже, черпают энергию из одного и того же вездесущего, адского источника расплава.
Но теперь, похоже, ад Ио исчез — или, скорее, его там никогда не было. Во время недавних пролетов вулканического спутника космическим аппаратом НАСА «Юнона» ученые измерили гравитационное воздействие Ио на Юнону, используя мельчайшие колебания космического аппарата, чтобы определить распределение массы спутника и, следовательно, его внутреннюю структуру. Ученые сообщили в Nature, что ничего существенного не плещется прямо под корой Ио.
«Нет мелководного океана», — сказал Болтон, возглавляющий миссию Juno.
Независимые ученые не нашли никаких недостатков в исследовании. «Результаты и работа абсолютно надежны и весьма убедительны», — сказала Кэтрин де Клер, планетолог из Калифорнийского технологического института.
Данные вновь открыли тайну, которая распространяется и на другие каменистые миры. Вулканизм Ио поддерживается гравитационным механизмом, называемым приливным нагревом, который расплавляет породу в магму, извергающуюся с поверхности. В то время как Ио является олицетворением этого механизма, приливное нагревание также нагревает многие другие миры, включая соседа Ио, ледяную луну Европу, где, как считается, тепло поддерживает подземный соленый океан. НАСА запустило космический аппарат Clipper стоимостью 5 миллиардов долларов, чтобы исследовать небо Европы на предмет признаков жизни в предполагаемом подземном океане.
Карта поверхности Ио, созданная с помощью снимков миссий Voyager 1 и Galileo, показывает широкое распространение вулканов на спутнике. Большое красное кольцо — сернистые осадки из струи вулкана Пеле.
Фотография: Геологическая служба СШАНо если на Ио нет магматического океана, что это может означать для Европы? И ученые теперь задаются вопросом, как вообще работает приливной нагрев?
Плавящаяся магма
Тепло движет геологией, каменистым фундаментом, на котором строится все остальное, от вулканической активности и атмосферной химии до биологии. Тепло часто возникает в результате формирования планеты и распада ее радиоактивных элементов. Но более мелкие небесные объекты, такие как луны, имеют лишь крошечные запасы таких элементов и остаточного тепла, и когда эти запасы иссякают, их геологическая активность стабилизируется.
Или, по крайней мере, так должно быть, но, похоже, что-то дарует геологическую жизнь небольшим телам по всей Солнечной системе еще долгое время после того, как они должны были геологически погибнуть.
Ио — самый яркий член этого загадочного клуба — картина Джексона Поллока в цветах выжженного апельсина, багрянки и рыжевато-коричневого. Открытие его переполненных котлов лавы — одна из самых известных историй в планетной науке, поскольку их существование было предсказано еще до того, как они были обнаружены.
Зонд NASA Voyager 1 сфотографировал Ио в 1979 году, открыв первый проблеск вулканизма за пределами Земли. На этой фотомозаике виден шлейф лавы, исходящий из Локи Патера, который теперь известен как крупнейший вулкан на Луне.
Фотография: NASA/JPL/USGS2 марта 1979 года в статье в журнале Science размышляли о странной орбите Ио. Из-за положений и орбит соседних лун орбита Ио является эллиптической, а не круговой. И когда Ио находится ближе к Юпитеру, он испытывает более сильное гравитационное притяжение со стороны газового гиганта, чем когда он находится дальше. Авторы исследования пришли к выводу, что гравитация Юпитера должна постоянно разминать Ио, тянув его поверхность вверх и вниз на расстояние до 100 метров и, согласно их расчетам, создавая внутри него много фрикционного тепла — механизм, который они описали как «приливной нагрев». Они предположили, что Ио может быть самым сильно нагретым каменистым телом в Солнечной системе. «Можно предположить, что будет иметь место широко распространенный и повторяющийся поверхностный вулканизм», — написали они.
Всего три дня спустя мимо пролетел Voyager 1. На снимке, сделанном 8 марта, запечатлены два гигантских шлейфа, выгибающихся над его поверхностью. Исключив все другие причины, ученые NASA пришли к выводу, что Voyager видел вулканические извержения инопланетного мира. Они сообщили о своем открытии в журнале Science в июне того же года, всего через три месяца после предсказания.
Планетарное научное сообщество быстро объединилось вокруг идеи, что приливное нагревание внутри Ио ответственно за непрекращающийся вулканизм на поверхности. «Неизвестная часть, которая была открытым вопросом десятилетий, — это то, что это означает для внутренней структуры», — сказал Майк Сори, планетарный геофизик из Университета Пердью. Где сосредоточено это приливное нагревание внутри Ио, и сколько тепла и плавления оно генерирует?
Космический аппарат NASA Galileo изучал Юпитер и несколько его лун на рубеже тысячелетий. Одним из его инструментов был магнитометр, и он уловил необычное магнитное поле, исходящее от Ио. Сигнал, казалось, исходил от электропроводящей жидкости — на самом деле, большого количества жидкости.
После многих лет исследований ученые пришли к выводу в 2011 году, что Галилео обнаружил глобальный магматический океан прямо под корой Ио. В то время как мантия Земли в основном твердая и пластичная, считалось, что недра Ио заполнены океаном жидкой породы толщиной 50 километров, или почти в пять раз толще Тихого океана в его самой глубокой точке.
Аналогичное магнитное поле исходило и от Европы — в этом случае, по-видимому, созданное огромным океаном соленой воды. Последствия были глубокими: при наличии большого количества каменистого материала приливное нагревание может создать океаны магмы. При наличии большого количества льда оно может создать океаны потенциально пригодной для жизни жидкой воды.
Акт об исчезновении вулканов
К тому времени, как космический аппарат Juno начал вращаться вокруг Юпитера в 2016 году, убеждение, что на Ио есть магматический океан, было широко распространено. Но Болтон и его коллеги хотели перепроверить.
Последовательность снимков, сделанных в течение восьми минут зондом NASA New Horizons в 2007 году, показывает извержение вулканического региона Tvashtar Paterae. Шлейф на этом изображении в ложных цветах поднимается на 330 километров от поверхности луны.
Видео: NASA/Лаборатория прикладной физики Университета Джонса Хопкинса/Юго-западный исследовательский институтВо время пролетов в декабре 2023 года и феврале 2024 года Juno приблизилась на расстояние в 1500 километров к выжженной поверхности Ио. Хотя замечательные изображения активных вулканов привлекли всеобщее внимание, целью этих пролетов было выяснить, действительно ли под каменистой оболочкой луны находится магматический океан.
Для расследования команда использовала необычный инструмент: радиопередатчик Juno, который общается с Землей, отправляя и принимая сигналы. Из-за неравномерно распределенной массы Ио его гравитационное поле не является идеально симметричным. Это неравномерное гравитационное поле слегка изменяет движение Juno, когда он пролетает мимо, заставляя его немного ускоряться или замедляться.
Это означает, что радиопередачи Juno будут испытывать эффект Доплера, когда длина волны слегка смещается в ответ на неравномерное гравитационное поле Ио. Рассматривая невероятно малые сдвиги в передачах, команда Болтона смогла создать высокоточную картину гравитационного поля Ио и использовать ее для определения его внутренней структуры. «Если бы действительно существовал глобальный океан магмы, вы бы увидели гораздо больше искажений, когда Ио вращался вокруг Юпитера, и когда приливные силы сгибали его и изменяли его форму», — сказал Эшли Дэвис, вулканолог из Лаборатории реактивного движения NASA, который не принимал участия в новом исследовании.
Но команда Болтона не обнаружила такого уровня искажения. Их вывод был однозначен. «Не может быть мелководного магматического океана, питающего вулканы», — сказал соавтор исследования Райан Парк, соисследователь Juno в Лаборатории реактивного движения.
Миссия «Кассини-Гюйгенс» сфотографировала Ио на фоне Юпитера в 2001 году.
Фотография: NASA/JPL/University of ArizonaТак что же еще может питать вулканы Ио?
На Земле отдельные резервуары магмы разных типов — от смолообразной вязкой материи, которая питает взрывные извержения, до более жидкой, похожей на мед субстанции, которая вырывается из некоторых вулканов, — расположены в коре на разных глубинах, и все они созданы взаимодействием тектонических плит, движущихся частей головоломки, из которых состоит поверхность Земли. У Ио нет тектоники плит и (возможно) разнообразия типов магмы, но ее кора, тем не менее, может быть усеяна резервуарами магмы. Это было одним из первоначальных направлений мысли, пока данные Галилея не убедили многих в теории магматического океана.
Новое исследование не исключает гораздо более глубокого магматического океана. Но этот глубинный тайник должен быть заполнен магмой, настолько богатой железом и плотной (из-за своей большой глубины), что ей будет трудно мигрировать на поверхность и питать вулканизм Ио. «И на некоторой глубине становится сложно отличить то, что мы называем глубоким магматическим океаном, от жидкого ядра», — сказал Парк.
Для некоторых это порождает неразрешимую проблему. Магнитометр Галилео обнаружил признаки неглубокого магматического океана, но данные гравитации Юноны решительно исключили это. «Люди на самом деле не оспаривают результаты магнитометра, поэтому вам приходится согласовывать их со всем остальным», — сказал Джани Радебо, планетарный геолог из Университета имени Бригама Янга.
Исследователи расходятся во мнениях относительно наилучшей интерпретации данных Galileo. Магнитные сигналы «были восприняты как, вероятно, лучшее доказательство существования магматического океана, но на самом деле они не были такими уж сильными», — сказал Фрэнсис Ниммо, планетолог из Калифорнийского университета в Санта-Крузе и соавтор нового исследования. Индукционные данные не могли различить частично расплавленную (но все еще твердую) внутреннюю часть и полностью расплавленный магматический океан, сказал он.
Тяжелая вода
Возможно, главная причина, по которой ученые изучают Ио, заключается в том, что он учит нас основам приливного нагрева. Приливной нагревательный двигатель Ио остается впечатляющим — там явно много магмы, питающей вулканы, генерируется. Но если он не создает подповерхностный магматический океан, означает ли это, что приливной нагрев не создает и водные океаны?
Ученые уверены, что это так. Никто не сомневается, что на спутнике Сатурна Энцеладе, который также нагревается приливами, есть подземный соленый океан; космический аппарат Кассини не только обнаружил признаки его существования, но и напрямую взял образцы извергающейся из южного полюса спутника воды. И хотя есть некоторый скептицизм относительно того, есть ли на Европе океан, большинство ученых считают, что он есть.
Гладкая, слегка поцарапанная поверхность ледяного спутника Юпитера Европы, сфотографированная космическим аппаратом Juno в 2022 году, не показывает никаких признаков того, что находится под ней: по всей вероятности, это огромный соленый океан.
Фотография: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSSВажно отметить, что в отличие от странного магнитного поля Ио, которое, казалось, указывало на то, что оно скрывает в себе целый океан жидкости, собственный магнитный сигнал Европы эпохи Галилея остается устойчивым. «Это довольно чистый результат на Европе», — сказал Роберт Паппалардо, научный сотрудник проекта миссии Европы в Лаборатории реактивного движения. Ледяной спутник находится достаточно далеко от Юпитера и интенсивной плазменной космической среды Ио, поэтому собственный сигнал магнитной индукции Европы «действительно выделяется».
Но если обе луны нагреваются приливами, почему только у Европы есть внутренний океан? По словам Ниммо, «существует фундаментальное различие между океаном жидкой воды и океаном магмы. Магма хочет вырваться; вода на самом деле этого не делает». Жидкая порода менее плотная, чем твердая порода, поэтому она хочет подняться и быстро извергнуться; новое исследование предполагает, что она не задерживается на глубине внутри Ио достаточно долго, чтобы сформировать массивный, взаимосвязанный океан. Но жидкая вода, что необычно, плотнее, чем ее твердая ледяная форма. «Жидкая вода тяжелая, поэтому она собирается в океан», — сказал Сори.
«Я думаю, что это общая картина сообщения из этой статьи», — добавил Сори. Приливное нагревание может быть не в состоянии создать магматические океаны. Но на ледяных лунах оно может легко создать водянистые океаны из-за странной низкой плотности льда. И это говорит о том, что у жизни есть множество потенциально пригодных для жизни сред по всей Солнечной системе, которые она может назвать домом.
Плакат Ада Дитя
Открытие того, что на Ио отсутствует неглубокий магматический океан, подчеркивает, как мало известно о приливном нагреве. «Мы никогда по-настоящему не понимали, где в недрах Ио плавится мантия, как этот расплав мантии попадает на поверхность», — сказал де Клер.
Наша собственная Луна также демонстрирует свидетельства первобытного приливного нагрева. Ее самые древние кристаллы образовались 4,51 миллиарда лет назад из потока расплавленной материи, выброшенной с Земли гигантским ударным событием. Но многие лунные кристаллы, похоже, образовались из второго резервуара расплавленной породы 4,35 миллиарда лет назад. Откуда взялась эта более поздняя магма?
Ниммо и соавторы предложили одну идею в статье, опубликованной в Nature в декабре: возможно, земная луна была похожа на Ио. Луна тогда была значительно ближе к Земле, и гравитационные поля Земли и Солнца боролись за контроль. На определенном пороге, когда гравитационное влияние обоих было примерно равным, луна могла временно принять эллиптическую орбиту и подвергнуться приливному нагреву из-за гравитационного перемешивания Земли. Ее внутренняя часть могла снова расплавиться, вызвав неожиданный вторичный всплеск вулканизма.
Однако где именно в недрах Луны был сосредоточен приливной нагрев и, следовательно, где происходило все это таяние, неясно.
Возможно, если Ио можно понять, то и нашу луну тоже можно понять, а также несколько других спутников в нашей солнечной системе со скрытыми приливными двигателями. Пока что этот вулканический шар остается сводящим с ума непостижимым. «Ио — сложный зверь», — сказал Дэвис. «Чем больше мы за ним наблюдаем, тем сложнее данные и анализы, тем более загадочным он становится».
Оригинальная статья перепечатана с разрешения журнала Quanta Magazine, редакционно независимого издания Фонда Саймонса, чья миссия заключается в расширении понимания науки общественностью путем освещения научных разработок и тенденций в области математики, физических и биологических наук.
Источник: www.wired.com
