Scott Bolton s-a implicat pentru prima dată în Io în vara anului 1980, imediat după ce a început să lucreze la NASA, după terminarea facultății. Sonda spațială Voyager 1 a întrezărit pentru prima dată vulcanismul activ de pe o lume de dincolo de Pământ atunci când a zburat pe lângă luna lui Jupiter. Imaginile obținute de sondă au arătat cum materialul magmatic este expulzat în spațiu de pe toată suprafața lui Io, în erupții în formă de umbrelă. "A fost uimitor de frumos", spune Bolton, care lucrează acum la Southwest Research Institute din Texas:

De atunci, cercetători precum Bolton au încercat să înțeleagă vulcanismul haotic al lui Io. Una dintre principalele teorii este că are un ocean global de magmă, o masă vastă și lichidă de rocă, direct sub scoarța lunară. Această teorie se potrivește bine cu o serie de observații, inclusiv cele care arată o distribuție aproximativ uniformă a vulcanilor, care ar trebui să se alimenteze de la aceeași sursă infernală.

Cu toate acestea, informații recente sugerează că iadul imaginat nu există. În cadrul unui survol recent de către nava spațială Juno a NASA, experții au măsurat influența gravitațională a lui Io asupra lui Juno, și au reușit să determine distribuția masei sale, și prin urmare, structura sa internă. Experții au raportat în revista Nature că aceste măsurători indică că nu există o masă lichidă semnificativă direct sub crusta lui Io, iar rezultatele au fost confirmate din mai multe surse. "Munca și rezultatele par absolut solide și destul de convingătoare", spune Katherine de Kleer, cercetător planetar la CalTech.

Noile date ridică o mulțime de întrebări care se extind și la alte corpuri stâncoase. Vulcanismul lui Io este determinat de un mecanism gravitațional, încălzirea prin forțe mareatice, care topește roca și erupe la suprafață. Deși Io este un exemplu extrem de bun al acestui mecanism, acțiunea forțelor încălzește și multe alte lumi, inclusiv vecina lui Io, luna înghețată Europa, unde se crede că căldura susține un ocean de apă sărată subterană. NASA a lansat deja o sondă spațială pentru a cerceta atmosfera Europei în căutarea unor semne de viață care s-ar putea ascunde în presupusul ocean.

Magma topită

Căldura este forța motrică a geologiei, și stă la baza fizicii incipiente, de la activitatea vulcanică la chimia atmosferică și biologie. Căldura provine adesea din formarea unui corp și/sau din dezintegrarea elementelor radioactive. Cu toate acestea, corpurile mai mici, cum ar fi lunile, au doar rezerve mici de aceste elemente și de căldură reziduală, iar atunci când aceste rezerve sunt epuizate, activitatea lor geologică încetează, similar cum pare Luna. Sau cel puțin așa ar trebui să fie, dar se pare că ceva în sistemul solar furnizează activitate geologică unui număr destul de mare de corpuri cerești mici, mult timp după ce ar fi trebuit să se răcească.

Io este cel mai activ membru al acestui grup misterios, și chiar aspectul său este revelator: arată ca o pictură Jackson Pollock în portocaliu, violet și maro. Descoperirea magmei lichide este una dintre cele mai celebre povești din știința planetară, deoarece existența sa a fost prezisă chiar înainte de a fi detectată.

La 2 Martie 1979, s-a publicat în revista Science un articol în care autorii speculau cu privire la orbita ciudată a lui Io. Din cauza poziției și a orbitei sateliților vecini, orbita lui Io este mai degrabă eliptică decât circulară. Iar atunci când luna este mai aproape de Jupiter, este afectat gravitațional mai puternic din partea gigantului gazos decât atunci când este mai departe. Autorii consideră că gravitația lui Jupiter o "frământă" constant pe Io, deplasându-i suprafața cu până la 100 metrii la fiecare trecere. Au calculat că acest lucru produce o cantitate imensă de căldură: un mecanism pe care l-au numit încălzire mareatică.

Doar trei zile mai târziu, l-a vizitat Voyager 1, și a confirmat imediat teoria: o imagine creată pe 8 Martie a arătat două erupții gigantice care se ridicau deasupra suprafeței. După excluderea tuturor celorlalte cauze, cercetătorii NASA au ajuns la concluzia că Voyager a văzut erupții vulcanice pe o lume extraterestră. Descoperirea lor a fost publicată în revista Science în luna Iunie, la doar trei luni după prezicere.

Comunitatea științifică planetară a devenit rapid intrigată de ideea că încălzirea prin maree din interiorul lui Io ar putea fi responsabilă pentru vulcanismul de la suprafață. "Întrebarea deschisă timp de decenii a fost ce înseamnă acest lucru pentru structura internă", spune Mike Sori, fizician planetar la Universitatea Purdue. Unde ar putea fi concentrată încălzirea în interiorul lui Io, și câtă căldură este generată?

Nava spațială Galileo a studiat planeta Jupiter și câteva dintre lunile sale la începutul mileniului. Unul dintre instrumentele sale era un magnetometru, care a detectat un câmp magnetic curios, emanat de Io. Semnalul părea să provină de la un lichid conductor de electricitate de mărime destul de mare. După mai mulți ani de investigații, cercetătorii au ajuns la concluzia că Galileo a detectat un ocean global de magmă direct sub crusta lui Io.

Un câmp magnetic similar a fost detectat în Europa - despre care se credea că este generat de un ocean vast de apă sărată. Concluziile păreau clare: încălzirea prin maree poate crea oceane de magmă din multe aflorimente stâncoase. Iar cu gheață adăugată, ar putea forma oceane potențial locuibile.

A dispărut oceanul

În momentul în care nava spațială Juno a început să orbiteze Jupiter în 2016, era răspândit ideea că Io avea un ocean de magmă. Dar Bolton și colegii săi au dorit să verifice teoria încă o dată. În timpul misiunilor din Decembrie 2023 și Februarie 2024, Juno s-a apropiat la 1.500 kilometrii de suprafața fracturată a lui Io. Deși captarea vulcanilor activi au fost atracția principală, scopul principal al acestor misiuni a fost să afle dacă există într-adevăr un ocean de magmă sub suprafața stâncoasă a lunii.

Pentru a investiga, echipa a folosit un instrument mai puțin evident : transponderul radio al lui Juno, care comunică cu Pământul. Din cauza distribuției inegale a masei lui Io, câmpul său gravitațional nu este perfect simetric. Acest câmp gravitațional asimetric modifică subtil mișcarea lui Juno pe măsură ce trece pe lângă ea, permițând sondei să accelereze sau să frâneze ușor.

Acest lucru înseamnă că transmisiile radio ale Juno sunt afectate de efectul Doppler, în care lungimea de undă se modifică ușor din cauza câmpului gravitațional asimetric al lui Io. Observând aceste deplasări mici, echipa lui Bolton a reușit să construiască o imagine de precizie a câmpului gravitațional al lui Io, și să o folosească pentru a determina structura internă a sa. "Dacă ar exista un ocean global de magmă, ar trebui să vedem mult mai multe distorsiuni pe măsură ce Io orbitează în jurul lui Jupiter, și pe măsură ce forțele îi distorsionează și îi schimbă forma", a declarat Ashley Davies, vulcanolog la Jet Propulsion Laboratory al NASA.

Dar echipa lui Bolton nu a găsit astfel de distorsiuni. Concluzia lor a fost clară.

- a declarat Ryan Park, coautor al studiului și cercetător în cadrul proiectului Juno al Jet Propulsion Laboratory.

Dar ce altceva ar putea alimenta vulcanii lui Io? Scoarța terestră conține rezervoare distincte de magmă specifică la adâncimi diferite - de la materialul vâscos, asemănător gudronului, care alimentează erupțiile explozive, la materialul mai lichid, asemănător mierii, care curge din unii vulcani - create prin interacțiunile plăcilor tectonice, piesele mobile de puzzle care acoperă și formează suprafața Pământului. Io nu are plăci tectonice și (poate) nu are multă magmă, dar scoarța poate fi totuși plină de pachete.

Noua cercetare nu exclude prezența unui ocean de magmă mult mai adânc. Dar ar trebui să fie compus din magmă atât de bogată în fier și de densă (din cauza adâncimii sale mari) încât ar avea dificultăți în a se desprinde la suprafață și a alimenta vulcanii de pe Io. "Iar dincolo de o anumită adâncime, este greu de făcut distincția între ceea ce numim un ocean de magmă grea și ceea ce numim acum un ocean de magmă lichidă", spune Park.

Unii spun că acest lucru ridică probleme insolubile. Magnetometrul lui Galileo a detectat semne ale unui ocean de magmă de mică adâncime, dar datele gravitaționale ale lui Juno l-au exclus cu fermitate. "Nimeni nu contestă rezultatele magnetometrului, astfel încât acestea trebuie să fie reconciliate cu toate celelalte", spune Jani Radebaugh, cercetător planetar la Universitatea Brigham Young.

Însă nu toți experții sunt de acord cu privire la modul de interpretare a datelor furnizate de Galileo. Semnalele magnetice au fost considerate cea mai bună dovadă a prezenței unui ocean de magmă, dar de fapt nu au fost atât de puternice, spune Francis Nimmo, cercetător planetar la Universitatea din California și coautor al noului studiu. Datele de inducție nu fac distincția între un interior parțial topit (dar încă solid) și un ocean magmatic complet topit, spune el.

Apă grea

Principalul motiv pentru care cercetătorii studiază Io este pentru a afla mai multe despre elementele de bază ale încălzirii prin forțe gravitaționale. Motorul de încălzire al lui Io continuă să impresioneze și se pare că se produce multă magmă vulcanică. Dar dacă nu are un ocean de magmă subteran, înseamnă că încălzirea prin maree nu poate crea nici oceane de apă?

Cercetătorii rămân destul de încrezători că astfel de oceane se pot forma.

Sonda spațială Cassini nu numai că a detectat semne ale existenței acestuia, dar l-a și observat direct, când vaporii de apă au explodat de sub suprafață la polul de sud. Deși există scepticism cu privire la existența unui ocean pe Europa, majoritatea cercetătorilor sunt încrezători că acesta există.

În mod crucial, spre deosebire de câmpul magnetic ciudat al lui Io, care părea să sugereze că aceasta adăpostește un ocean de lichid specific, semnătura magnetică proprie a Europei, asemănătoare cu cea a lui Galileo, rămâne robustă. "Rezultatul este destul de clar pentru Europa", spune Robert Pappalardo, cercetător la Jet Propulsion Laboratory. Luna înghețată este suficient de departe de Jupiter și de mediul spațial intens plin de plasmă al lui Io, pentru ca propriul semnal de inducție magnetică să fie clar.

Dar dacă ambele luni sunt încălzite de maree, de ce doar Europa are un ocean sub suprafață? Potrivit lui Nimmo, diferența fundamentală dintre un ocean de apă lichidă și un ocean de magmă este că magma vrea să erupă, dar apa nu are tendințe de genul. Roca lichidă are o densitate mai mică decât roca solidă, așa că vrea să se ridice la suprafață erupând rapid. Noi cercetări sugerează că magma din Io nu este suficient de adâncă pentru a forma un ocean vast și continuu. Dar apa lichidă este neobișnuit de densă decât forma sa solidă de gheață. "Apa lichidă este grea, așa că se adună într-un ocean", spune Sori. "Cred că acesta este cel mai important mesaj al cercetării", adaugă cercetătorul.

Pridvorul iadului

Descoperirea faptului că este puțin probabil ca Io să aibă un ocean de magmă, chiar și la adâncimi mici, este o demonstrație excelentă a cât de puțin știm despre încălzirea mareică. "Nu am înțeles niciodată unde se topește mantaua în interiorul lui Io, și cum ajunge aceasta la suprafață", spune de Kleer.

Și pe Luna noastră putem vedea semne ale încălzirii antice prin maree. Cele mai vechi cristale ale companionului nostru s-au format acum 4,51 miliarde ani, din materialul topit ejectat de Pământ în urma unui impact gigantic. Dar se pare că majoritatea cristalelor de pe Lună s-au format din rocă topită dintr-o altă perioadă, acum 4,35 miliarde ani. De unde a provenit această magmă ulterioară?

Nimmo și co-autorii săi, într-o lucrare publicată în numărul din decembrie al Nature , au avansat o idee: poate că Luna Pământului a fost ca Io. Luna era mult mai aproape de Pământ la acea vreme, și era afectată atât de câmpul gravitațional al Pământului, cât și de cel al Soarelui. La un moment dat, când ambele câmpuri gravitaționale erau aproximativ egale, Luna ar fi putut intra temporar pe o orbită eliptică, și afectat de maree, declanșată de gravitația Pământului. Interiorul s-ar fi putut topi din nou, declanșând o surprinzătoare activitate vulcanică secundară.

Dar nu este încă clar unde anume s-a concentrat încălzirea mareică în interiorul Lunii și ce s-a topit. Poate că dacă vom reuși să o înțelegem pe Io, vom înțelege mai bine Luna noastră, precum și multe alte corpuri cerești din sistemul nostru solar cu motoare de maree ascunse. Pentru moment, globul vulcanic al lui Io rămâne un mister frustrant: