NASA’s Juno-Sonde hat atemberaubende Bilder von Jupiters vulkanischem Mond Io (links) aufgenommen, einschließlich Nahaufnahmen der aus der Oberfläche austretenden Rauchschwaden (rechts) (Bildnachweis: (links) NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS Bildbearbeitung durch Emma Wälimäki; (innen) NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/AndreaLuck)
Jupiters vulkanischer Mond Io scheint keinen unterirdischen Ozean aus Magma zu haben, was einige Fragen darüber klärt, wie die Vulkane auf Io ausbrechen, und allgemeinere Fragen über ähnliche Magma-Ozeane auf anderen Monden und Planeten aufwirft.
Daten früherer Missionen hatten Planetenforscher zu der Frage veranlasst, ob Io nicht nur Schmelztaschen, sondern eine 50 Kilometer tiefe Magmaschicht enthält: einen mondweiten Ozean aus geschmolzenem Gestein. In den 1990er Jahren führte die Galileo-Mission der NASA magnetische Induktionsmessungen durch, die auf eine solche Schicht hindeuteten, während in jüngerer Zeit die Verteilung der Vulkane auf Io, die von der Juno-Mission der NASA zum Jupiter kartiert wurden, als Hinweis auf einen globalen Magma-Ozean gewertet wurde, der die Wärme über den Mond verteilt.
Aber neue Messungen von Juno in Verbindung mit Archivdaten der Galileo-Mission haben die Möglichkeit eines Magmaozeans unter der Oberfläche von Io scheinbar zu Grabe getragen.
Bis zu 400 Vulkane brechen auf der Oberfläche von Jupiters innerstem Mond Io aus, wobei praktisch jeder Quadratzentimeter des Mondes mit Lavaebenen bedeckt ist. Die ausbrechende Lava (geschmolzenes Gestein, das an die Oberfläche gelangt) stammt aus „Schmelzbereichen“ im Erdmantel, die aufsteigende Taschen mit Magma (geschmolzenes Gestein, das sich noch im Untergrund befindet) sind.
Die Energie zum Schmelzen des Gesteins im Mantel von Io käme von der Gezeitenerwärmung im Einflussbereich von Jupiters Gravitationsfeld – Io bewegt sich auf einer exzentrischen Umlaufbahn um Jupiter, und sein Abstand zum Riesenplaneten kann um 3.500 Kilometer variieren. Das bedeutet, dass sich die Schwerkraft, die Io von Jupiter erfährt, während seiner gesamten Umlaufbahn ändert und das Innere des Mondes verdreht und zusammendrückt, was dazu führt, dass Energie in Form von Wärme freigesetzt wird.
Zusammen mit ähnlichen, aber kleineren Gravitationsgezeiten von den anderen Monden Europa, Ganymed und Kallisto bedeutet dies, dass eine enorme Menge an Gezeitenenergie in das Innere von Io geleitet wird, aber reicht diese Energie aus, um eine Schicht des Mantels vollständig geschmolzen zu halten?
Juno erreichte Jupiter im Jahr 2016 und hat den Riesenplaneten seither über 60 Mal umrundet, aber in den letzten Jahren ist er immer näher herangekommen und hat die großen Galileischen Monde überflogen. Am 30. Dezember 2023 und am 3. Februar 2024 flog Juno bis auf 1.500 Kilometer an Io heran.
Seitdem hat die Sonde weitere Vorbeiflüge an Io durchgeführt, und in der Nähe von Io stört die Schwerkraft des Mondes die Funksignale, die von Juno an die Sonde gesendet werden. In Verbindung mit Archivdaten der Raumsonde Galileo konnten die Forscher unter der Leitung von Ryan Park vom Jet Propulsion Laboratory der NASA bei diesen beiden Vorbeiflügen das Gravitationsfeld von Io messen und feststellen, wie es sich verändert, wenn der vulkanische Mond durch die Schwerkraft des Jupiters (und seiner anderen Monde) zusammengedrückt und gedehnt wird.
Wenn Io einen unterirdischen Ozean aus Magma hätte, würde sich der Mond unter der Schwerkraft des Jupiters erheblich verformen. Die Doppler-Messungen deuten jedoch darauf hin, dass Io ziemlich starr ist, was bedeutet, dass sein Inneres ziemlich fest ist. Es kann keinen Magma-Ozean geben.
Eine künstlerische Illustration, die die innere Struktur von Io zeigt. Die Studie des Juno-Wissenschaftsteams deutet darauf hin, dass Io keinen flachen globalen Magmaozean besitzt, sondern einen größtenteils festen Mantel (grüne Farbtöne) mit erheblicher Schmelze (gelb und orange), der einen flüssigen Kern (rot/schwarz) überlagert. (Bildnachweis: NASA/Caltech-JPL/SwRI)
Wenn es keinen Magma-Ozean gibt, woher kommt dann die „Schmelze“, die als Lava aus den Vulkanen austritt? Auf der Erde wird die Schmelze durch tektonische Kräfte erzeugt. Da die Schmelze eine geringere Dichte und damit einen größeren Auftrieb hat als der sie umgebende feste Erdmantel, steigt das Magma nach oben und tritt über Vulkane aus. Auf Io scheint es zwar keinen globalen Magmaozean zu geben, aber es muss Taschen mit Magma geben, die durch Vulkane aufsteigen und an die Oberfläche gelangen können.
Vergleiche können auch zwischen Io und dem Erdmond gezogen werden. Auf den ersten Blick sehen sie sich nicht sehr ähnlich – der Erdmond ist karg und träge, Io ist von Vulkanen bedeckt. Dabei ist Io in Durchmesser und Dichte nur 5 % größer als der Mond. Außerdem verfügte unser Mond in den ersten 100 Millionen Jahren seiner Existenz über einen Magmaozean, der aus den Trümmern eines gewaltigen Einschlags auf der jungen Erde entstand. Nach und nach entwich die Wärme aus dem Erdmond und der Magmaozean verfestigte sich. Das Team um Park argumentiert, dass die Gezeitenerwärmung allein nicht ausreicht, um einen Magmaozean entstehen zu lassen – es braucht schon etwas Dramatisches wie die Entstehung des Erdmondes, um genügend Energie zu erzeugen.
Die Erkenntnisse haben auch weitergehende Auswirkungen auf Exoplaneten. Astronomen finden viele Exoplaneten auf sehr engen Umlaufbahnen um die kleinsten Sterne, die so genannten M-Zwerge. Da sie so nahe beieinander liegen, sind sie der Gezeitenerwärmung ausgesetzt, und die Astronomen hatten sich gefragt, ob sie globale Ozeane aus Magma besitzen. Das Io-Jupiter-System ähnelt in seiner Größe einem Exoplaneten, der einen M-Zwerg umkreist, und wenn der vulkanische Io keinen Magmaozean hat, dann haben Exoplaneten auf engen Umlaufbahnen um M-Zwerge vielleicht auch keinen.
Die Ergebnisse wurden in Nature veröffentlicht.
