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Der vulkanischste Körper des Sonnensystems, der Jupitermond Io, gesehen von der Raumsonde Galileo (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech)

Der vulkanischste Körper des Sonnensystems, der Jupitermond Io, ist seit mindestens 4,57 Milliarden Jahren in Aufruhr, seit seiner Geburt und der Entstehung der Sonne.

Das sind die Ergebnisse eines Wissenschaftlerteams, das Io mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) untersucht hat, um Schwefel und Chlor in der Atmosphäre des Jupitermondes aufzuspüren.

Wissenschaftler wissen, dass das gravitative Tauziehen zwischen Jupiter und den benachbarten jovianischen Monden Europa und Ganymed immense Gezeitenkräfte im Inneren von Io erzeugt, die seinen intensiven Vulkanismus verursachen. Was bisher nicht klar war, war, wie lange der Einfluss des Jupiters und seiner Monde schon auf Io gewirkt hat. Denn der ständige Lavastrom, der durch den extremen Vulkanismus auf der Oberfläche entsteht, sorgt dafür, dass dieser Mond immer noch frisch aussieht.

„Die Oberfläche von Io ist sehr ‚jung‘, was bedeutet, dass die Lavaströme und vulkanischen Ablagerungen alle Merkmale verdecken, die älter als etwa 1 Million Jahre sind“, sagte Katherine de Kleer, Teamleiterin und Assistenzprofessorin für Planetenwissenschaften und Astronomie am Caltech, gegenüber kosmischeweiten.de. „Daher war es bisher nicht möglich, etwas über die vulkanische Geschichte von Io zu erfahren, die über die letzten Millionen Jahre hinausgeht, was aus geologischer Sicht sehr jung ist.

„Io stellte ein großes Rätsel dar, weil seine Oberfläche keine Aufzeichnungen über seine Geschichte enthält, wie es bei den Oberflächen weniger aktiver Monde der Fall ist.“

Mehrere fraktale Filter/Schichten zeigen das in psychedelischen Farben gerenderte IO. (Bildnachweis: NASA / SwRI / MSSS/MikPetter)

Io’s Atmosphäre kann das Alter seines Vulkanismus nicht verbergen

Der extreme Vulkanismus von Io hängt von der genauen Anordnung der 3 Monde und dem rhythmischen Gravitationstanz ab, in dem sie Jupiter umkreisen.

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„Io befindet sich in einer orbitalen Resonanz mit Europa und Ganymed, was bedeutet, dass ihre Umlaufzeiten ein ganzzahliges Vielfaches voneinander sind“, so de Kleer. Auf jeweils vier Umläufe von Io kommen genau zwei Umläufe von Europa und ein Umlauf von Ganymed. Das bedeutet, dass sich die Schwerkraft der Monde bei jedem Umlauf an der gleichen Stelle befindet und die Bahnen von Kreisen in Ellipsen umgewandelt werden“, so de Kleer, und fügte hinzu, dass sich der Abstand der Monde vom Jupiter bei ihren Umläufen ändert, so dass sie die wechselnde Schwerkraft des Jupiters spüren. Die wechselnde Schwerkraft des Jupiters, die Io spürt, führt zu Gezeiten auf dem Mond, und die Form von Io wird bei jedem Umlauf, der nur 1,8 Tage dauert, gestaucht und gedehnt. Dadurch entsteht Reibung in seinem Mantel, die genug Hitze erzeugt, um Gestein zu schmelzen.

Die Anziehungskraft von Jupiter, Europa und Ganymed auf Io erzeugt Gezeitenkräfte, die so stark sind, dass sie die Oberfläche des Mondes um bis zu 100 Meter (330 Fuß) heben und senken können. Das ist so, als würde die Erdoberfläche in New York plötzlich über die Spitze der Freiheitsstatue springen.

Die große Frage ist: Passiert das schon so lange, wie es diese Monde gibt?

„Computersimulationen, die in den letzten 20 Jahren veröffentlicht wurden, haben gezeigt, dass Io, Europa und Ganymed bereits während ihrer Entstehung in ihre derzeitige resonante Umlaufbahnkonfiguration eingefangen worden sein könnten“, so de Kleer weiter. „Diese Resonanz ist es, die letztendlich den Vulkanismus verursacht. Es macht also Sinn, dass, wenn die Monde seit ihrer Entstehung in dieser Konfiguration waren, auch Io in diesem Zeitraum vulkanisch gewesen wäre.“

Juno beobachtete den Jupitermond Io in sichtbarem und infrarotem Licht während eines Vorbeiflugs am 1. Mai 2023 und lieferte diese zusammengesetzte Ansicht, die heiße Stellen auf der Oberfläche der vulkanisch aktivsten Welt des Sonnensystems zeigt. (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/SwRI/ASI/INAF/JIRAM)Da die Wissenschaftler nicht in der Lage waren, Informationen darüber zu erhalten, wie lange Io bereits stark vulkanisch aktiv ist, nutzten de Kleer und seine Kollegen ALMA, eine Anordnung von 66 Radioantennen in der Atacama-Wüste in Nordchile, um in der dünnen Atmosphäre des Planeten nach Hinweisen zu suchen.

Insbesondere suchten sie nach stabilen Isotopenradios von schwefel- und chlorhaltigen Molekülen. Das Team fand heraus, dass beide Elemente in schweren Isotopenvarianten – Atome mit einer höheren Anzahl von Neutronen – im Vergleich zum Durchschnittswert, der im gesamten Sonnensystem gefunden wurde und das Ergebnis leichterer Isotope aus den oberen Atmosphären anderer Welten ist, stärker vorhanden sind.

Auf Io führt der Vulkanismus dazu, dass das Material kontinuierlich zwischen dem Inneren des Mondes und seiner Atmosphäre recycelt wird, und de Kleer und sein Team fanden heraus, dass der Jupitermond dadurch 94 bis 96 % seiner leichteren Schwefelisotope verloren hat. Dies ist etwas, das nur angesichts des Milliarden Jahre währenden Vulkanismus möglich gewesen wäre, der bis zur Entstehung von Io zurückreicht.

„Anhand der Schwefelisotope in der Atmosphäre von Io konnten wir ableiten, dass Io seit Milliarden von Jahren schwefelhaltiges Gas produziert – und damit vulkanisch aktiv ist“, so de Kleer. „Dies ist eine schöne Bestätigung einiger früherer Vorhersagen, die gemacht wurden.“

Für de Kleer sind die Ergebnisse Ausdruck einer langjährigen Faszination für Io, die Antworten auf drängende Fragen liefert: „Die Frage nach der langfristigen Entwicklung von Io fasziniert mich schon so lange, wie ich Io untersuche“, sagte sie. „Ich interessiere mich nicht nur dafür, wie Planeten und Monde heute sind, sondern auch dafür, wie sie so geworden sind, wie sie sind.“

Und die Caltech-Professorin ist mit Io auch noch nicht fertig. Nachdem sie Fragen über die feurige Natur des Jupitermondes beantwortet hat, möchte sie wissen, ob er jemals einen kühleren Aspekt hatte und ob dieser durch seinen Vulkanismus zerstört wurde.

„Als Nächstes würde ich gerne wissen, ob Io einst einen Wasserozean und eine Eiskruste besaß, wie seine Nachbarn Europa und Ganymed, die dann durch Vulkanismus oder auf andere Weise zerstört wurde“, so de Kleer abschließend.

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Donnerstag (18. April) in der Zeitschrift Science veröffentlicht.