Io'nun volkanik aktivitesi milyarlarca yıl öncesine dayanıyor: Caltech

Jüpiter'in uydusu Io, güneş sistemindeki volkanik açıdan en aktif yerdir. Bu ay, 1,8 günlük yörüngesi sırasında Jüpiter'in çekimsel baskısına maruz kalıyor ve bu da bugün Dünya'dakilerden daha büyük volkanik patlamalara neden oluyor.

Io, Europa ve Ganymede, Laplace rezonansı olarak bilinen bir yörünge konfigürasyonundadır: Ganymede'nin (Jüpiter'den en uzak üçü) her yörüngesi için, Europa tam olarak iki yörüngeyi tamamlar ve Io tam olarak dört yörüngeyi tamamlar. Bu konfigürasyonda, aylar öyle bir çekim kuvvetiyle birbirine çekilir ki, dairesel yerine eliptik yörüngelere girmeye zorlanırlar. Bu tür yörüngeler, Jüpiter'in yer çekiminin uyduların iç kısımlarını ısıtmasına olanak tanıyarak Io'nun volkanize olmasına ve Europa'nın buzlu yüzeyinin altındaki sıvı okyanusa ısı eklemesine neden olur.

Io ne zamandır volkanik huzursuzluk yaşıyor? Başka bir deyişle, Jüpiter'in uyduları ne zamandır bu konfigürasyondadır?

Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü'nden araştırmacılar tarafından yapılan iki yeni çalışma, Io'nun atmosferindeki kükürt izotoplarını ölçtü ve uyduların milyarlarca yıldır bu rezonans dansına kilitlendiğini belirledi. Europa'nın sıvı okyanusu uzun süredir yaşamın evrimi için potansiyel bir alan olarak görülüyor ve bu uyduların bu şekilde yörüngede ne kadar süre döndüğünü tam olarak anlamak, onların uzun vadeli yaşanabilirliğini karakterize etmek için çok önemli. Makaleler Science ve JGR-Planets dergilerinde 18 Nisan'da yayınlandı.

Dünyadaki fosiller ve kraterler aracılığıyla geçmiş olayların izlerini bulabiliriz. Ancak Io sürekli bir dönüşüm halindedir, dolayısıyla yüzeyi yalnızca bir milyon yaşında iken Ay'ın kendisi yaklaşık 4,5 milyar yaşındadır. Araştırmacılar bu uydunun ne kadar süredir volkanizma yaşadığını anlamak için atmosferindeki kimyasalları inceledi.

Io'da su bulunmadığından yanardağlardan yayılan gazların ana bileşeni kükürttür ve bu da yüzde 90'ı kükürt dioksitten oluşan bir atmosfere neden olur. Io'nun dinamik volkanik döngüleri sırasında, yüzeye yakın gazlar tekrar içe doğru kaynaşarak atmosfere geri döner.

Io'daki kükürt atomlarının birkaç farklı şekli veya izotopu vardır. İzotoplar, belirli bir elementin farklı sayıda nötron içeren farklı formlarıdır. Örneğin, kükürt-32 ve kükürt-34'ün her ikisi de aynı sayıda protona (16) sahiptir, ancak ilkinde 16, ikincisinde ise 18 nötron vardır. Ekstra nötronlar elementi fiziksel olarak daha ağır hale getirir, dolayısıyla Io'nun atmosferinde daha hafif izotoplar bulunur. Bunlar daha üstte bulunurken, daha ağır izotopların altta, yani Ay'ın yüzeyine yakın bir yerde bulunma olasılıkları daha yüksektir.

Io'nun sürekli değişen tek özelliği yüzey değil, çünkü atmosferi de Jüpiter'in manyetik alanındaki yüklü parçacıklarla çarpışmalar nedeniyle saniyede bir ton hızla uzaya çekiliyor. Daha hafif kükürt izotopu kükürt-32, bu çarpışmaların meydana geldiği atmosferin üst kısmına yakın yerlerde daha bol olduğundan, bu izotop, daha ağır muadili ile karşılaştırıldığında orantısız bir şekilde tükenmiştir. Ne kadar hafif kükürtün eksik olduğunu anlamak, Ay'ın ne kadar süredir volkanik olduğuna dair ipuçları verebilir.

Bunu yapmak için araştırmacılar, Io'daki kükürt izotoplarını ölçmek için Şili'deki ALMA (Atacama Büyük Milimetre/Milimetre-altı Dizisi) teleskopunu (volkanlarla çevrili bir teleskop) kullandılar.

Araştırmacılar, erken güneş sisteminin kalıntıları olan meteoritlerden, güneş sisteminin her kükürt-34 atomuna karşılık yaklaşık 23 kükürt-32 atomundan oluştuğunu belirlediler. Eğer Io oluşumundan bu yana değişmeseydi bugün de aynı orana sahip olacaktı. Ancak yeni çalışma, Io'nun orijinal kükürtünün yüzde 94 ila 99'unu kaybettiğini gösteriyor; bu, ayın milyarlarca yıldır volkanik olarak aktif olduğu ve öteden beri uzaya kükürt kaybettiği anlamına geliyor.

Io'nun volkanik faaliyetinin süresi, uyduların oluşmasından hemen sonra Europa ve Ganymede ile bir yörünge rezonansında sıkışıp kaldığını gösteriyor. Bu, Galileo'nun uydularının (Io, Europa ve Ganymede) oluşumlarından çok erken bir zamanda bu rezonansa girmeleri gerektiğini gösteren son 20 yıldaki model öngörülerini desteklemektedir.

“Jovian sistemi, bu tür rezonansta meydana gelen birçok ay ve hatta ötegezegen örneğinden sadece bir tanesidir” diyor. Catherine de Clare, gezegen bilimi ve astronomi alanında yardımcı doçent, Hofstedler Family Scholar ve Science makalesinin ilk yazarı. “Bu tür yankıların neden olduğu gelgit ısınması, aylar için önemli bir ısı kaynağıdır ve onların jeolojik aktivitelerini besleyebilir. Io bunun en uç örneğidir, bu yüzden onu gelgit ısınmasını daha genel olarak anlamak için bir laboratuvar olarak kullanıyoruz.”

Caltech'te eski bir doktora sonrası araştırmacı olan Airey Hughes liderliğindeki JGR-Planets makalesinde ekip, Io'nun geçmişte volkanik olarak daha aktif olduğu senaryolar da dahil olmak üzere Ay'ın tarihine ilişkin olası senaryoları araştırmak için Io'nun sülfür sisteminin karmaşık modellemesini yürüttü. Şimdi. Bugün.

“Çok fazla hafif kükürt kaybolduğu için, bugün ölçtüğümüz atmosfer kükürt açısından nispeten 'ağır'. Io'nun atmosferinde bu kadar ağır kükürt elde etmenin anahtarı, ağır kükürtün Io'nun iç kısmına geri gömülmesi işlemidir, böylece yeniden gömülür.” Yeni Zelanda'daki GNS Science'ta volkanik akışkan jeokimyacısı olan Hughes, “Volkanlar onları tekrar tekrar serbest bırakabilir” diyor. “Modellerimiz, kükürtün, atmosferden çöken kükürt açısından zengin permafrost ile magmanın kendisi arasındaki etkileşimler nedeniyle Io'nun kabuğunda sıkışıp kaldığını ve sonunda onun Io'nun iç kısmına gömülmesine izin verdiğini gösteriyor.”

Araştırmacılar bundan sonra Io'nun uzun dinamik tarihi boyunca başka hangi gazları kaybetmiş olabileceğini bulmayı hedefliyor. Örneğin Io'da hiç su yok gibi görünse de diğer Galile uydularında çok fazla su var. Io'nun bir zamanlar içinde su varken onu volkanlara mı kaptırdı?

Makalenin başlığı “Io'da uzun vadeli volkanizma için izotopik kanıtlar”. Caltech'teki diğer ortak yazarlar Hughes ve W'dir. John EllerProfesör Robert B. Keskin Jeoloji ve Jeokimya. Diğer ortak yazarlar Santa Cruz'daki Kaliforniya Üniversitesi'nden Frances Nimmo; NASA'ya bağlı California Teknoloji Enstitüsü tarafından yönetilen Jet Propulsion Laboratuvarı'ndan Amy Hoffman (Doktora 10); New York Üniversitesi'nden Statia Loszcz Cook; ve NASA'nın Goddard Uzay Uçuş Merkezi'nden Cathy Mandt. Finansman, Ulusal Bilim Vakfı, Caltech Karşılaştırmalı Gezegensel Evrim Merkezi, NASA'nın Rosetta Veri Analiz Programı, Jet Propulsion Laboratuvarı ve NAASC tarafından sağlandı.

JGR-Planets makalesi “Gelgit ısınmasının geçmişini anlamak için Io'nun kükürt izotop döngüsünü kullanmak” başlığını taşıyor. Airey Hughes, çalışmanın ilk yazarıdır. Caltech'teki diğer ortak yazarlar De Clare ve Eller'dir. Diğer ortak yazarlar Nimmo, Mandt ve Hoffman'dır. Finansman 3CPE, Ulusal Bilim Vakfı, NASA ROSES Rosetta Veri Analiz Programı ve Jet Propulsion Laboratuvarı tarafından sağlandı.