Pozornost vědců se už skoro padesát let upíná k měsícům Jupiteru, jehož mimořádná velikost jde ruku v ruce s extrémními podmínkami, které panují na jeho přirozených satelitech. Na některých z nich, jako na Europě či Enceladu, se pod krustou ledu skrývají obrovské oceány vody, zatímco na Io neustále zuří horké peklo. Právě to vědce už dlouho zajímá.

Měsíc Io je nejvulkaničtějším objektem Sluneční soustavy. Vypadá jako rezavá koule. Jeho kamenná lávová moře předčí svou velikostí i největší pozemská města a jeho sopečné erupce svítí na obloze jako pekelné deštníky. Badatelé však až dosud neměli bližší představu o jeho minulosti ani o tom, jak dlouho už trvá jeho sopečná činnost. Věděli jen to, že nijak neslábne a že vždy zhruba jednou za milion let se měsíc v důsledku sopečné činnosti „převléká“ – tedy že se zcela obnovuje jeho povrch.

Z výsledků nové studie, uveřejněné v dubnu 2024 v časopise Science, vyplývá, že povrch Io nepřetržitě vybuchuje už miliardy let – dost možná, že dokonce 4,5 miliardy let, což je stejně dlouho, jako existuje celá Sluneční soustava.

Kompozitní záběry, zachycující vulkanickou aktivita na měsíci Io, pořídil snímkovací systém viditelného a infračerveného spektra sondy Juno. Tyto složené snímky pomáhají vědcům lépe pochopit umístění a variace aktivních vulkánů na povrchu měsíce.
info

Kompozitní záběry, zachycující vulkanickou aktivita na měsíci Io, pořídil snímkovací systém viditelného a infračerveného spektra sondy Juno. Tyto složené snímky pomáhají vědcům lépe pochopit umístění a variace aktivních vulkánů na povrchu měsíce.

„Io vidíme v podobě, v jaké existuje už od začátku,“ říká Jani Radebaughová, planetární geoložka na Univerzitě Brighama Younga. Díky tomu jej můžeme považovat za cosi jako stroj času, jehož nepoddajný tepelný motor, poháněný gravitačními přílivy, nám může vyprávět o světech blízkých i vzdálených.

„Tento proces probíhá v celé Sluneční soustavě i u exoplanet,“ říká Katherine de Kleerová, planetární astronomka z Caltechu a hlavní autorka studie. „Měsíc Io zkoumáme proto, abychom tomuto univerzálnímu procesu lépe porozuměli.“

Kdo topí pod kotlem?

Základní kameny zkoumání Jupiterova měsíce byly položeny v roce 1979, kdy nezávislý tým vědců spočítal, že Io může mít silný, ale neobvyklý zdroj tepla, a pořídil fotografie obřích „chocholů“ vulkanické hmoty prýštící nad jeho povrch.

Tehdejší výpočty vycházely ze zvláštní trasy, kterou dvojice měsíců Europa a Ganymedes pravidelně opisuje na své cestě vesmírem. Oba jsou poblíž Io a pokaždé, když Ganymedes oběhne Jupiter jednou, stihne to Europa dvakrát, a Io dokonce čtyřikrát. Tento rytmus, známý jako rezonance, mění oběžnou dráhu Io, jež je v důsledku toho spíše eliptická než kruhová.

Jakmile se Io na své nepravidelné dráze ocitne nejblíže Jupiteru, působí na něho silnější gravitační pole, než když se od něj vzdálí a jeho gravitace je slabší. Tyto výkyvy vyvolávají na povrchu Io příliv a odliv podobný slapovým jevům na Zemi způsobeným gravitační silou Měsíce. Na Io jsou však tyto projevy mnohem silnější. Hladina oceánu díky nim stoupá a klesá v rozsahu neuvěřitelných 100 metrů. Dochází tak k obrovskému tření produkujícímu velké množství tepla, při kterém se taví obrovské množství hornin. Za dobu existence Io takto nejspíš vznikl už celý oceán magmatu, jenž je hnací silou divokých erupcí na povrchu. Proudí zde hadovité řeky lávy delší, než je většina pozemských vodních toků, prýští sloupy lávy bohaté na síru a rozlévají se tu obří kotle tekuté horniny, jakési brány do „podzemí“.

„Je to úžasné,“ říká de Kleerová. „Na tomto měsíci jsou sopky, které nám umožňují nahlédnout do dějů odehrávajících se uvnitř.“

Výčet extrémních vulkanických jevů na Io však zdaleka nekončí erupcemi. Kromě sloučenin síry měsíc „vykašlává“ také plyny obsahující chlorid sodný a chlorid draselný, solemi, jimiž si u nás na Zemi dochucujeme jídlo. „Je to jako plynná kuchyňská sůl, která vychází ze sopky,“ říká de Kleerová.

Velká část vyvrženého materiálu navíc vystřeluje skrze tenkou atmosféru měsíce Io do vesmíru, kde se spojí se slunečním zářením, elektricky se nabudí a dopadne na zmagnetizovanou „oblohu“ Jupiteru, v níž vybuchuje jako silná polární záře, která připomíná tu na Zemi.

Odhad stáří podle „zbytků zásob síry“

Vědci při zkoumání vulkanické činnosti Io zjistili, že její základní hnací silou je mechanismus známý jako slapový ohřev, který je zároveň jediným tamním zdrojem tepla. Zajímalo je, jestli uvnitř měsíce působil vždycky. Během výzkumu však zjistili, že veškeré důkazy o dávných geologických procesech navždy pohřbily lávové proudy, jež se na jeho povrchu rychle, opakovaně rozlévají.

„Z povrchu Io nedokážeme vyčíst, co se stalo před více než milionem let,“ říká de Kleerová. Se svou skupinou proto zvolila jiný přístup – soustředila se na oblohu měsíce.

Každou sekundu své existence Io totiž přichází až o tři tuny materiálu v důsledku uvolňování sopečných plynů a atmosférické eroze. „Svou hmotu uvolňuje do vesmíru podobně jako třeba kometa,“ říká Apurva Oza, planetární astrofyzik z Laboratoře proudového pohonu NASA.

Nová studie předpokládala, že dnešní erupce na Io musejí být relativně bohatší na těžší izotopy některých látek, protože lehčí izotopy mohou v horní části atmosféry snadněji uniknout do vesmíru. Jestliže by se týmu podařilo změřit, v jakém poměru jsou těžké izotopy v atmosféře vůči těm lehčím, mohl by vypočítat, jak dlouho trvalo, než zásoby podzemních sloučenin síry dosáhly současného stavu. Byl to tedy poměrně složitý postup, který však brzy přinesl ovoce.

Tým pod vedením de Kleerové se zaměřil na pozorování plynů v atmosféře Io – především síry, k čemuž použil soustavu ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) v Chile. Zároveň provedl odhad původních zásob těžších a lehčích izotopů, a to (mimo jiné) na základě analýzy „starých“ meteoritů, představujících cenné svědectví o průměrném chemickém složení hmoty v počátcích Sluneční soustavy.

Na základě těchto výpočtů vědci zjistili, že vysoký podíl těžších izotopů síry v dnešní atmosféře svědčí o tom, že měsíc už přišel o 94 až 99 procent svých původních zásob síry. Jediným vysvětlením, které dává smysl a dobře zapadá do již spočítaných modelů vývoje „mateřské planety“ i Jupiterových vnitřních měsíců, je podle vědců to, že Io takto síru vyvrhuje možná už 4,5 miliardy let.

Stejná věčná síla

„Dynamika oběžných drah u přirozených planetárních satelitů může být velmi neuspořádaná,“ říká James Tuttle Keane, planetární vědec z Laboratoře tryskového pohonu NASA. Měsíce planet se mohou pohybovat po stabilních oběžných drahách, ale také se mohou srážet či úplně opustit Sluneční soustavu. V případě Io, Ganymeda a Europy to vypadá, že se pohybují podobným způsobem už miliardy let a „a současný vzhled měsíce Io do jisté míry reprezentuje stav, v němž se nachází už od svého vzniku“, uzavírá Keane.