Ио представляет собой мир экстремальных физических условий. На сегодняшний день это самое вулканически активное тело в нашей планетной системе. Подобная активность обусловлена непрерывным воздействием гравитационных сил. Ио находится в состоянии приливного резонанса между Юпитером и другими крупными спутниками, что приводит к колоссальному внутреннему трению и нагреву его недр. Следствием этого процесса является образование на поверхности Ио более четырёхсот обширных патер или вулканических кратеров и депрессий, извергающих лаву. Согласно новому исследованию, препринт которого опубликован на платформе arXiv, астрофизики на протяжении десятилетий существенно недооценивали тепловую мощность этих структур. К такому выводу учёные пришли после анализа данных, полученных с помощью инфракрасного спектрометра JIRAM (Jupiter InfraRed Auroral Mapper), установленного на борту межпланетной станции Juno.
Патеры Ио можно рассматривать как гигантские лавовые озёра. С точки зрения термодинамики эти резервуары расплавленной породы состоят из двух основных частей. Первая - центральная часть озера, поверхность которого покрыта твёрдой коркой. Она образуется при остывании лавы, находящейся на поверхности в течение достаточно долгого времени. Несмотря на то, что эта область остается термически активной (её средняя температура колеблется в пределах 220–230 Кельвинов, что соответствует примерно от −53 до −43 °C, это значительно теплее окружающей среды спутника), она существенно холоднее открытых участков жидкой магмы.
Второй компонент образует периферийное кольцо вокруг центральной корки. Это зона экстремально высоких температур, достигающих 900 Кельвинов (около 625 градусов Цельсия). На первый взгляд может показаться парадоксальным, что внешние границы вулканических озер нагреты сильнее, чем их ядро. Однако этому есть строгое физическое объяснение. Дело в том, что затвердевшая в центре корка выполняет функцию теплоизолирующей крышки для расплавленных недр вулкана. Когда жидкая лава вступает в контакт с вакуумом на поверхности Ио, она стремительно кристаллизуется. На протяжении длительных периодов эта кора утолщается, создавая надёжный барьер между космическим холодом и циркулирующей внизу расплавленной массой.
На периферии озер, напротив, такая изоляционная крышка не успевает сформироваться. Активная магма, достигающая краёв патеры, контактирует с её стенками и не имеет достаточного времени для охлаждения. В ряде случаев этот процесс обусловлен поршневым эффектом, который изначально выступает драйвером активности этих вулканов. Дополнительный объём лавы, перемешивающийся под поверхностью в результате конвекции (аналогично процессам в мантии Земли), способен механически выдавливать наиболее горячую магму наружу, непосредственно к краям депрессии.
Одной из ключевых характеристик динамики этих лавовых потоков является их суммарное тепловое излучение. В предыдущих оценках энергетического баланса Ио использовались данные инфракрасных приборов, работающих преимущественно в одном узком диапазоне длин волн, так называемом М-диапазоне (около 4–5 микрометров). Недостаток этого метода заключается в том, что аппаратура М-диапазона обладает высокой чувствительностью к локальным высокотемпературным участкам, таким как периферийные кольца патер, но фактически не способна фиксировать слабое излучение обширных центральных участков, поскольку более холодные объекты излучают на более длинных волнах спектра.
Несмотря на существенно более низкую температуру, общая площадь застывшей корки многократно превышает площадь раскалённых периферийных колец. Следовательно, суммарная тепловая энергия, излучаемая этой огромной поверхностью, оказывается значительно выше, даже при низких локальных температурах. Оценки, приведённые в новой публикации, указывают на то, что современные представления об общем тепловом потоке Ио занижены как минимум на целый порядок.
В рамках исследования были проанализированы данные по 32 из 400 патер спутника. В качестве наиболее показательного примера авторы выделяют объект, получивший обозначение P63. Ранее считалось, что мощность его теплового излучения составляет около 7 гигаватт (по некоторым расширенным моделям до 20 гигаватт). Однако применение спектрометра JIRAM, способного учитывать тепловое излучение от более холодных участков вулканической коры, позволило скорректировать эту цифру до 80 гигаватт.
Помимо пересмотра показателей энергетической мощности, полученные данные позволили исследователям вычислить предполагаемый возраст обновления самой вулканической коры. Интегрировав поверхностные температуры в термодинамическую модель остывания, учёные установили, что возраст коры с температурой 200 Кельвинов составляет приблизительно 13 лет. Дополнительные статистические расчёты показывают, что характерный период полного обновления поверхности для подобных лавовых озёр укладывается в одно десятилетие.
Эти результаты, впрочем, порождают новую научную проблему. В распоряжении исследователей имеются оптические снимки Ио, сделанные аппаратом "Вояджер" в 1979 году, зондом "Галилео" в 1990-х годах и станцией Juno в наши дни. Сравнительный анализ этих архивов не выявляет существенных морфологических изменений в очертаниях лавовых озёр за прошедший период. Возникает закономерный вопрос: если термодинамические модели предполагают полное обновление поверхности каждые 10 лет, почему эти геологические трансформации не фиксируются визуально на протяжении почти полувека наблюдений за самым активным спутником?
Авторы работы отмечают ряд методологических ограничений своего исследования. Пространственное разрешение инструмента JIRAM не позволяет с абсолютной точностью картировать фактическую площадь холодной коры, поэтому исследователям пришлось частично опираться на данные миссий "Вояджер" и "Галилео", разрешение которых уступает современным стандартам. Кроме того, механическая экстраполяция выявленного роста тепловой мощности на все патеры Ио может оказаться некорректной. Многие из них не являются классическими лавовыми озерами и, следовательно, не обладают описанной бифуркационной тепловой структурой (с раскалённым краем и холодной сердцевиной).
Возможность прояснить эти вопросы появится в ближайшем будущем. Межпланетная станция Juno продолжает выполнение своей расширенной программы, совершая орбитальные маневры в системе Юпитера. Предполагается, что последующие сеансы связи с JIRAM и другими научными приборами аппарата предоставят более детализированные данные. На данный момент очевидно, что геологическая активность Ио представляет собой сложный механизм, который требует дальнейшего системного изучения.