Fale lawy w największym kraterze wulkanicznym Io

Seria zdjęć LBTO przedstawiająca Europę przechodzącą na tle dysku Io. Loki Patera to jasna gorąca plama w górnej części dysku. Europa wydaje się ciemna ponieważ lód wodny na jej powierzchni pochłania padające na niego promieniowanie słoneczne, a dwutlenek siarki na powierzchni Io nieco mniej pochłania tę długość fali. Źródło: Large Binocular Telescope Observatory

Wykorzystując rzadką konfigurację orbitalną Io i Europy – dwóch księżyców Jowisza, naukowcy stworzyli wyjątkowo szczegółową mapę największego jeziora lawy na Io – najbardziej aktywnym wulkanicznie obiekcie Układu Słonecznego.

8 marca 2015 roku Europa przeleciała dokładnie przed Io, stopniowo blokując promieniowanie emitowane przez ten wulkaniczny księżyc. Z uwagi na fakt, że powierzchnia Europy pokryta jest lodem wodnym, odbija ona bardzo mało promieniowania w zakresie podczerwonym, dzięki czemu naukowcy mogli precyzyjnie wyizolować ciepło pochodzące z wulkanów na powierzchni Io.

Dane w podczerwieni wskazują, że temperatura powierzchni potężnego stopionego jeziora lawy na Io stopniowo rosła od jednego końca ku drugiemu – oznacza to, że od zachodu na wschód w tempie kilometra dziennie przetoczyły się przez nią dwie fale lawy.

Odwracająca się lawa jest popularnym wytłumaczeniem okresowego jaśnienia i przyciemniania gorącej plamy o nazwie Loki Patera. Jako najaktywniejszy wulkan na Io, który z kolei jest najaktywniejszym wulkanicznie obiektem Układu Słonecznego, Loki Patera rozciąga się na 200 kilometrów. Gorący obszar patery ma powierzchnię 21 500 kilometrów kwadratowych.

Astronomowie na Ziemi po raz pierwszy dostrzegli zmienną jasność Io w latach siedemdziesiątych, jednak dopiero gdy Voyager 1 i 2 przeleciały w jego pobliżu w 1979 roku jasne stało się, że odpowiadają za to erupcje wulkaniczne na powierzchni. Pomimo szczegółowych zdjęć uzyskanych w trakcie misji Galileo pod koniec lat dziewięćdziesiątych i na początku XX wieku, astronomowie wciąż nie ustalili czy pojaśnienia na powierzchni Loki Patera – które powtarzają się co 400-600 dni – spowodowane są przez odwracającą się lawę w masywnym jeziorze lawy czy okresowymi erupcjami, które wynoszą na powierzchnię olbrzymie ilości lawy.

Jeżeli Loki Patera jest morzem lawy, to rozciąga się ono na obszarze ponad milion razy większym od typowych jezior lawowych na Ziemi –  mówi Katherine de Kleer, doktorantka na UC Berkeley oraz główna autorka opracowania. W tym scenariuszu, fragmenty chłodnej skorupy toną odsłaniając żarzącą się świeżą magmę pod spodem i powodując pojaśnienia w podczerwieni.

To pierwsza wartościowa mapa całej patery –  mówi współautorka opracowania Ashley Davies z JPL w Pasadenie, która od lat bada wulkany na Io. Przedstawia ona nie jedną, a dwie fale rozciągające się po paterze. To dużo bardziej złożony proces niż dotąd podejrzewaliśmy.

To duży krok naprzód na drodze do zrozumienia wulkanizmu na Io, który obserwujemy od ponad 15 lat, a w szczególności aktywności wulkanicznej w Loki Patera  – dodaje Imke de Pater, profesor astronomii z UC Berkeley.

De Kleer jest główną autorką artykułu opisującego nowe wyniki, który ukaże się dzisiaj (11 maja) w periodyku  Nature.

Zdjęcia zostały wykonane za pomocą dwóch luster Wielkiego Teleskopu Lornetkowego (LBTO, ang. Large Binocular Telescope Observatory) znajdującego się w południowo-wschodniej Arizonie, które zostały połączone w interferometr za pomocą zaawansowanego systemu optyki adaptacyjnej.

Dwa lata wcześniej, LBTO uzyskał pierwsze naziemne zdjęcia dwóch pojedynczych gorących plam na Loki Patera. Możliwe to było dzięki unikalnej rozdzielczości wykorzystywanego jako interferometr LBT – w tym trybie pracy LBT ma rozdzielczość porównywalną z pojedynczym teleskopem o średnicy lustra głównego rzędu 23 metrów – zauważa Christian Veillet, współautor i dyrektor LBTO. Jednak tym razem uzyskana wyjątkowa rozdzielczość jest skutkiem obserwacji Loki Patera podczas okultacji przez Europę.

Europa potrzebowała 10 sekund aby całkowicie zakryć Loki Patera. Docierało do nas tak dużo promieniowania podczerwonego, że byliśmy w stanie podzielić obserwacje na interwały 1/8 sekundy, między którymi Europa przesuwała się zaledwie kilka kilometrów nad powierzchnią Io – mówi współautor Michael Skrutskie z University of Virginia. Obserwacje pozwoliły astronomom stworzyć mapę termiczną Loki Patera o rozdzielczości lepszej niż 10 kilometrów czyli dziesięciokrotnie lepszą niż jest to zazwyczaj możliwe za pomocą interferometru LBT na tej długości fali (4,5 mikronów).  Mapa temperatur przedstawia płynną zmianę temperatury na powierzchni jeziora – od 270K na zachodnim krańcu do 330 K na południowo-wschodnim.

Wykorzystując informacje o temperaturze i tempie chłodzenia magmy zebrane podczas badania wulkanów na Ziemi, de Kleer była w stanie obliczyć ile wcześniej magma została odsłonięta na powierzchni Io. Okazało się to być na 180-230 dni przed obserwacjami na zachodnim końcu oraz 75 dni na wschodnim – co zgadza się z wcześniejszymi danymi o tempie odwracania lawy.

Co ciekawe, odwracanie lawy rozpoczęło się w różnych momentach po dwóch stronach chłodnej wyspy na środku jeziora, która jest tak od czasu, kiedy sonda Voyager sfotografowała Io w 1979 roku.

Prędkość odwracania lawy jest różna po obu stronach wyspy, co może mieć coś wspólnego ze składem chemicznym magmy lub ilością rozpuszczonego gazu w bąblach w magmie – mówi de Kleer.

Jeziora lawy takie jak Loki Patera odwracają się bowiem ochładzana skorupa na powierzchni powoli gęstnieje, aż do momentu kiedy jest gęstsza od magmy znajdującej się pod niej i powoli w niej tonie ciągnąc za sobą pobliskie fragmenty skorupy w fali propagującej po powierzchni.

De Kleer oraz de Pater chcą obserwować kolejne okultacje Io aby zweryfikować wyniki swoich badań, ale na kolejną odpowiednią konfigurację muszą poczekać do 2021 roku.

Źródło: UC Berkeley

Artykuł źródłowy: http://nature.com/articles/doi:10.1038/nature22339