Ио: Путеводитель по луне Юпитера

Друзья, давайте взглянем поближе на Ио — самую вулканически-активную планету в Солнечной системе

Луна Юпитера Ио — самый вулканически-активный мир в Солнечной системе. Это изображение пятой луны Юпитера с высоким разрешением было получено космическим аппаратом NASA "Галилео" и опубликовано 18 декабря 1997 года.

Впечатляющее планетарное тело Ио — самая внутренняя пятая по счёту луна Юпитера и самое вулканически активное тело в Солнечной системе. Это единственное тело за пределами Земли, на котором наблюдается активный вулканизм в огромных масштабах.

Первые изображения, полученные космическим аппаратом "Вояджер-1", пролетавшим мимо Ио в 1979 году, поразили научное сообщество, показав активные вулканические шлейфы, поднимающиеся на высоту до 300 км над поверхностью Ио. После получения дополнительных изображений с космического телескопа Хаббл и космического аппарата Галилео (1996-2000 гг.) мы поняли, что это удивительное тело усеяно сотнями вулканических центров, около 70 из которых являются активными. Как показано на приведенном здесь снимке, поверхность Ио необычайно красочна: жёлтые, оранжевые, красные и чёрные цвета отражают разнообразные по составу извержения - от огромных излияний базальтовой лавы до массивных залежей серы. Отсутствие ударных кратеров на поверхности Ио соответствует молодому периоду активного вулканизма, который похоронил старые структуры лавой, серой и пирокластическими материалами, сформировав ямочную, пеструю кору, которую мы видим сегодня.

Поверхность Ио меняется с невероятной скоростью. Вулканические трещины источают лаву на поверхность луны, заполняя ударные кратеры и создавая новые поймы жидких пород. Хотя точный состав Ио неизвестен, это, скорее всего, расплавленная сера и её соединения или силикатная порода, по данным NASA. Кроме того, тонкая атмосфера луны состоит в основном из диоксида серы.

Факты об Ио

• Возраст: Ио около 4,5 миллиардов лет, примерно столько же, сколько и Юпитеру.
• Расстояние от Юпитера: Ио — пятая луна от Юпитера. Её среднее орбитальное расстояние составляет около 422 000 км. Для обращения вокруг Юпитера Ио требуется 1,77 земных суток. Ио находится в приливной зоне, поэтому к Юпитеру всегда обращена одна и та же сторона.
• Размер: Радиус Ио составляет 1 821,3 км, что делает его немного больше земной луны. Она имеет слегка эллиптическую форму, а ее самая длинная ось направлена в сторону Юпитера. Среди галилеевых спутников Ио занимает третье место, уступая Ганимеду и Каллисто, но опережая Европу, как по массе, так и по объему.
• Температура: Температура поверхности Ио в среднем составляет около минус 130 градусов по Цельсию, что приводит к образованию сернистых снежных полей. Однако температура вулканов Ио может достигать 1 649 градусов по Цельсию. Ио часто называют небесным телом огня и льда.
• Расстояние от Земли: На самом близком к Земле расстоянии, когда Юпитер и Земля находятся по одну сторону от Солнца, расстояние до Ио может составлять всего 588 миллионов км, согласно данным космического научного сайта The Nine Planets. Но на максимальном расстоянии до Ио может быть до 968 миллионов км.

Орбитальная зона и вулканизм

Поверхность Ио усеяна вулканами и лавовыми озёрами. Здесь космический аппарат NASA "Галилео" сделал снимок Ио в разгар извержения вулкана.

Вулканическая активность Ио была впервые обнаружена миссиями NASA "Вояджер" в 1979 году. Вулканизм луны обусловлен мощными приливными силами.

Поскольку Ио движется по эллиптической орбите вокруг Юпитера, сила гравитации Юпитера на Ио меняется в зависимости от того, насколько близко его луна находится к газовому гиганту. Эти гравитационные колебания создают постоянное давление на внутреннюю часть Ио в разных направлениях, что приводит к выпуклости поверхности Ио на 100 метров, по данным NASA . В результате этого движения камни Ио перемалываются друг о друга, выделяя огромное количество тепла — в 20 раз больше, чем на Земле.

Если бы Ио была единственной луной Юпитера, её орбита, скорее всего, давно бы "установилась" в круг, но постоянное, непрерывное отталкивание от внешних соседей Ио — Европы и Ганимеда, не дает этому случиться. Ио не может избежать этой вечной игры в гравитационное перетягивание каната и последующего планетарного нагрева.

Состав Ио

По данным Европейского Космического Агентства , поверхность Ио состоит в основном из серы и диоксида серы. На поверхности были замечены пятна сернистого инея, а также сотни вулканов.

По данным ЕКА, атмосфера Ио, состоящая из диоксида серы, чрезвычайно разрежена — давление на поверхности составляет примерно одну миллиардную часть давления земной атмосферы.

• 1.Литосфера. Верхняя часть мантии, литосфера, состоит из базальта и серы, выпавших из различных вулканов на Ио.
• 2. Мантия. Считается, что мантия Ио состоит из богатого магнием минерала форстерита, а до 20% мантии может быть расплавленной.
• 3.Ядро. Измерения, проведенные космическими аппаратами "Вояджер" и "Галилео", позволяют предположить, что в центре Ио находится богатое железом ядро.

Как Ио влияет на Юритер?

Луна Юпитера Ио может быть небольшой (размером примерно с земную луну) по сравнению с планетой (внутри Юпитера может поместиться более 1300 земных шаров), но луна всё равно оказывает могущественное влияние на свою родительскую планету.

Орбита Ио пересекает мощные магнитные линии Юпитера, превращая Ио в электрический генератор. По данным NASA , Ио может развивать напряжение в 400 000 вольт, создавая электрический ток в 3 миллиона ампер. Затем он проходит обратный путь вдоль линий магнитного поля Юпитера и вызывает световые бури в верхних слоях атмосферы Юпитера.

При вращении Юпитера магнитные силы ежесекундно отбирают около тонны материала Ио. Материал становится ионизированным и образует пончико-образное облако излучения, называемое плазменным тором. Некоторые ионы втягиваются в верхние слои атмосферы Юпитера и создают авроры. Пример такой активности был замечен космическим телескопом "Хаббл", который обнаружил влияние Ио и другой луны Юпитера, Ганимеда, в аврорах Юпитера в 2018 году. Дальнейшие доказательства того, что вулканы Ио и электрический ток приводят в движение авроры Юпитера, были обнаружены в исследовании 2022 года.

Составное изображение авроры на Юпитере, полученное с помощью спектрографа визуализации космического телескопа Хаббл.

Ио также имеет разрушающуюся атмосферу, согласно наблюдениям телескопа Gemini North на Гавайях и Техасского эшелонированного кросс-эшелевого спектрографа (TEXES). Газовая оболочка из диоксида серы замерзает, пока Ио находится в тени Юпитера каждый день.

Когда Ио возвращается под солнечный свет, замёрзший диоксид серы снова превращается в газ. Учёные давно подозревали о существовании этого явления, но только после этого исследования, в ходе которого впервые удалось увидеть атмосферу Ио в темноте, исследователи нашли подтверждающие доказательства.

Обнаружение и присвоение имени

Ио была первой из лун Юпитера, открытой итальянским астрономом Галилео Галилеем 8 января 1610 года. По данным NASA , он обнаружил луну за день до этого, но смог отличить Ио от Европы, другой луны Юпитера, только следующей ночью.

Это открытие, наряду с открытием трех других лун Юпитера, стало первым случаем обнаружения луны, вращающейся вокруг планеты, отличной от Земли. Открытие Галилея в конечном итоге привело к пониманию того, что планеты вращаются вокруг Солнца, а не наша Солнечная система вращается вокруг Земли.

Галилей сначала назвал эту луну Юпитером I. В середине 1800-х годов луна была переименована в Ио. В греческой мифологии Ио была жрицей Геры (жены Зевса) и дочерью Инаха, царя Аргоса. Зевс (аналог римского бога Юпитера) влюбился в неё, но превратил её в корову, чтобы его не застала с ней его жена Гера (или Юнона).

Миссии к Ио

Хотя к Ио не было отправлено ни одной специальной миссии, несколько космических аппаратов пролетали мимо Юпитера и наблюдали его луны. Первым в 1973 году прибыл аппарат NASA "Пионер-10", за ним в 1974 году последовал "Пионер-11". Зонды NASA "Вояджер-1" и "Вояджер-2" вернулись к системе, сделав поразительные фотографии во время пролета в 1979 году.

В период с 1995 по 2002 год космический аппарат NASA "Галилео" совершил несколько пролетов Ио и предоставил нам самые близкие на сегодняшний день виды вулканической луны. В 2000 году "Кассини" изучал Ио во время прол`та по пути к Сатурну.

Несмотря на то, что в настоящее время не запланировано никакой специальной миссии для изучения Ио, другие миссии уже находятся вблизи луны, например, космический аппарат Juno и другие аппараты будут находиться там в ближайшие годы. Миссия Европейского космического агентства JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer), запуск которой намечен на 2023 год, будет направлена на Европу, Ганимед и Каллисто. В 2024 году миссия NASA Europa Clipper планирует исследовать обитаемость другой галилеевой луны, Европы.

Поверхность ИО остаётся неизменной, несмотря на вулканизм

Хотя зонды "Вояджер" сфотографировали большую часть поверхности Ио, учёные подозревают, что она, вероятно, меняется со временем из-за постоянного вулканизма. Хаббл - единственный телескоп, который может отследить такие изменения, разрешая детали на поверхности Ио размером до 150 миль в поперечнике. Хотя Ио находится в 2 000 раз дальше Луны и имеет примерно такой же диаметр, "Хаббл" разрешает поверхность Ио примерно с такой же детализацией, с какой земная Луна видна невооруженным глазом.

• 1. — Изображение геологически активного заднего полушария луны Юпитера Ио, полученное 15 марта 1992 года, когда Ио находилась на расстоянии 22 530 816 км от Земли. Hubble распознаёт особенности размером до 150 миль в поперечнике.
• 2. — На фотографии того же полушария в ультрафиолетовом свете (УФ) видна поверхность Ио. Области, которые выглядят яркими в видимом свете, тёмные в ультрафиолетовом. Наиболее вероятное объяснение заключается в том, что большие участки Ио покрыты сернистым инеем. Поскольку диоксид серы является сильным поглотителем ультрафиолетового излучения, богатые диоксидом серы области тёмные в ультрафиолете, хотя они яркие в видимом свете.
• 3. — Изображение Ио, сделанное 13 лет назад космическим аппаратом "Вояджер" на расстоянии около 400 000 км
• 4. — Синтетическое изображение "Вояджера", модифицированное для соответствия разрешению Hubble, в связи с тем, что Hubble находится в тысячу раз дальше от Ио, чем "Вояджер" во время ближайшего сближения. Прямое сравнение визуального изображения FOC в видимом свете с этим синтетическим изображением "Вояджера" показывает отсутствие изменений в крупномасштабном распределении поверхностных материалов за 13 лет, прошедших между двумя наблюдениями.

Для поиска возможных изменений структуры поверхности исследователи сравнили изображения FOC в видимом свете с "синтетическим" изображением "Вояджера", которое было изменено для соответствия разрешению Hubble. Астрономы пришли к выводу, что заднее полушарие Ио, которое, как известно, является более геологически активным, не претерпело заметных изменений за 13 лет, прошедших между наблюдениями "Вояджера" и Hubble.

Детальный анализ изображений все еще проводится для поиска менее очевидных изменений. Две небольшие области, примерно 200 миль в поперечнике, похоже, претерпели незначительные изменения.

Это отсутствие крупномасштабных изменений является загадочным, так как вулканизм Ио должен приводить к тому, что луна покрывается водой со скоростью несколько дюймов в год. Одна из возможностей заключается в том, что существует постоянное равновесие между вулканическими извержениями и неизвестными процессами, которые могут удалить или покрыть вулканические обломки. Это позволило бы сохранить общий вид поверхности Ио в течение длительного времени.

В ультрафиолетовом свете (УФ) поверхность Ио выглядит совершенно иначе. Области, которые выглядят яркими в видимом свете, темнеют в ультрафиолетовом. Наиболее вероятное объяснение заключается в том, что большие участки Ио покрыты сернистым инеем. Поскольку диоксид серы является сильным поглотителем ультрафиолетового излучения, области, богатые диоксидом серы, темные в ультрафиолете, хотя они яркие в видимом свете. Доктор Парессе отмечает, что есть также регионы, которые являются яркими или темными на снимках, сделанных в обоих диапазонах волн. Это говорит о том, что размер зерен диоксида серы также может играть роль в яркости. Отражательная способность диоксида серы очень чувствительна к размеру зерен в ультрафиолетовом диапазоне волн.

Астроном-любитель Джим Секоски сделал снимки Ио в ближнем инфракрасном диапазоне (7100 ангстрем), которые дополняют снимки FOC, предоставляя новые ограничения на состав поверхности Ио. Некоторые модели предсказывают наличие на поверхности базальтов и оксида полисеры. Но эти тёмные соединения не видны на снимках Hubble с большей длиной волны. Это ещё больше подтверждает модель, согласно которой на поверхности Ио преобладают сера и диоксид серы.

Секоски сделал снимки Ио, выходящего из тени Юпитера, чтобы найти свидетельства испарения инея, который мог образоваться на Ио, пока он охлаждался за Юпитером. Это было бы заметно, если бы Ио был на 10 процентов ярче, чем во время выхода из затмения. Секоски не увидел никаких признаков явления "послезатмения", о котором периодически сообщают наземные наблюдатели с 1964 года. Секоски считает, что отрицательные результаты означают, что эффект послезатмения, если он и существует, может быть вызван спорадической вулканической активностью.

Исследователи продолжают разрабатывать модели сложной структуры и состава поверхности Ио для учёта изображений Hubble и одновременных спектроскопических наблюдений. Поскольку Ио является самой динамичной и развивающейся луной Солнечной системы, Хаббл будет и дальше использоваться для обнаружения изменений в атмосфере Ио и на его поверхности.