Bølger af lava set i Ios største vulkankrater

Ved at drage fordel af en sjælden orbital justering mellem to af Jupiters måner, Io og Europa, forskere har fået et usædvanligt detaljeret kort over den største lavasø på Io, det mest vulkansk aktive legeme i solsystemet.

Den 8. marts 2015, Europa passerede foran Io, gradvist udelukke lyset fra den vulkanske måne. Fordi Europas overflade er belagt med vandis, det reflekterer meget lidt sollys ved infrarøde bølgelængder, giver forskere mulighed for nøjagtigt at isolere den varme, der kommer fra vulkaner på Ios overflade.

De infrarøde data viste, at overfladetemperaturen på Ios massive smeltede sø steg støt fra den ene ende til den anden, hvilket tyder på, at lavaen var væltet i to bølger, der hver fejede fra vest til øst på omkring en kilometer (3, 300 fod) om dagen.

At vælte lava er en populær forklaring på den periodiske oplysning og dæmpning af hot spot, kaldet Loki Patera efter den nordiske gud. (En patera er et skålformet vulkankrater.) Det mest aktive vulkanske sted på Io, som i sig selv er det mest vulkansk aktive legeme i solsystemet, Loki Patera er omkring 200 kilometer (127 miles) på tværs. Det varme område af pateraen har et overfladeareal på 21, 500 kvadratkilometer, større end Lake Ontario.

Jordbundne astronomer bemærkede først Ios skiftende lysstyrke i 1970'erne, men først da Voyager 1 og 2 rumfartøjerne fløj forbi i 1979, blev det klart, at det var på grund af vulkanudbrud på overfladen. På trods af meget detaljerede billeder fra NASAs Galileo-mission i slutningen af ​​1990'erne og begyndelsen af ​​2000'erne, astronomer fortsætter med at diskutere, om oplysningen ved Loki Patera - som forekommer hver 400. til 600. dag - skyldes lava, der vælter i en massiv lavsø, eller periodiske udbrud, der spreder lavastrømme over et stort område.

"Hvis Loki Patera er et hav af lava, den omfatter et område mere end en million gange så stort som en typisk lavasø på Jorden, sagde Katherine de Kleer, en UC Berkeley kandidatstuderende og undersøgelsens hovedforfatter. "I dette scenarie, portioner af kølig skorpevask, eksponerer den glødende magma nedenunder og forårsager en oplysning i det infrarøde."

"Dette er det første nyttige kort over hele pateraen, " sagde medforfatter Ashley Davies, af Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, som har studeret Ios vulkaner i mange år. "Det viser ikke én, men to genoplivede bølger, der fejer rundt om pateraen. Dette er meget mere komplekst, end hvad man tidligere har troet".

"Dette er et skridt fremad i forsøget på at forstå vulkanismen på Io, som vi har observeret i mere end 15 år, og især den vulkanske aktivitet ved Loki Patera, sagde Imke de Pater, en UC Berkeley professor i astronomi.

De Kleer er hovedforfatter på et papir, der rapporterer om de nye resultater, der vil blive offentliggjort den 11. maj i tidsskriftet Natur .

Kikkertteleskop vender to øjne mod Io

Billederne blev taget af de to 8,4 meter (27,6 fod) spejle fra Large Binocular Telescope Observatory i bjergene i det sydøstlige Arizona, koblet sammen som et interferometer ved hjælp af avanceret adaptiv optik til at fjerne atmosfærisk sløring. Anlægget drives af et internationalt konsortium med hovedkvarter ved University of Arizona i Tucson.

"To år tidligere, LBTO havde leveret de første jordbaserede billeder af to separate hot spots i Loki Patera, takket være den unikke opløsning, der tilbydes af den interferometriske brug af LBT, hvilket svarer til hvad et 23 meter (75 fod) teleskop ville give, " bemærkede medforfatter og LBTO-direktør Christian Veillet. "Denne gang, imidlertid, den udsøgte opløsning blev opnået takket være observationen af ​​Loki Patera på tidspunktet for en okkultation af Europa."

Europa tog omkring 10 sekunder at dække Loki Patera fuldstændigt. "Der var så meget infrarødt lys tilgængeligt, at vi kunne skære observationerne i en ottendedels sekunds intervaller, hvor Europas kant kun rykkede frem et par kilometer hen over Ios overflade, " sagde medforfatter Michael Skrutskie, fra University of Virginia, der ledede udviklingen af ​​det infrarøde kamera, der blev brugt til denne undersøgelse. "Loki blev dækket fra én retning, men afsløret fra en anden, netop det arrangement, der er nødvendigt for at lave et rigtigt kort over fordelingen af ​​varme overflader i pateraen."

Disse observationer gav astronomerne et todimensionelt termisk kort over Loki Patera med en opløsning bedre end 10 kilometer (6,25 miles), 10 gange bedre end normalt muligt med LBT-interferometeret ved denne bølgelængde (4,5 mikron). Temperaturkortet afslørede en jævn temperaturvariation over søens overflade, fra omkring 270 Kelvin i den vestlige ende, hvor væltningen så ud til at være begyndt, til 330 Kelvin i den sydøstlige ende, hvor den væltede lava var friskest og varmest.

Ved at bruge information om temperatur og afkølingshastighed af magma, der stammer fra undersøgelser af vulkaner på Jorden, de Kleer var i stand til at beregne, hvor nyligt nyt magma var blevet blotlagt ved overfladen. Resultaterne - mellem 180 og 230 dage før observationerne i den vestlige ende og 75 dage før i den østlige - stemmer overens med tidligere data om hastigheden og tidspunktet for væltet.

Interessant nok, væltningen startede på forskellige tidspunkter på to sider af en kølig ø i midten af ​​søen, der har været der lige siden Voyager fotograferede den i 1979.

"Væltningshastigheden er også forskellig på de to sider af øen, som kan have noget at gøre med sammensætningen af ​​magma eller mængden af ​​opløst gas i bobler i magmaen, " sagde de Kleer. "Der må være forskelle i magmaforsyningen til de to halvdele af pateraen, og uanset hvad der udløser starten på væltning, formår det at udløse begge halvdele på næsten samme tid, men ikke nøjagtigt. Disse resultater giver os et indblik i det komplekse VVS-system under Loki Patera."

Lavasøer som Loki Patera vælter, fordi den kølende overfladeskorpe langsomt tykner, indtil den bliver tættere end den underliggende magma og synker, trækker nærliggende skorpe med sig i en bølge, der forplanter sig hen over overfladen. Ifølge de Pater, efterhånden som skorpen går i stykker, magma kan sprøjte op som brandfontæner, beslægtet med, hvad der er blevet set i lavasøer på Jorden, men i mindre målestok.

De Kleer og de Pater er ivrige efter at observere andre Io-okkultationer for at verificere deres resultater, men de bliver nødt til at vente til næste justering i 2021. Indtil videre, de Kleer er glad for, at interferometeret, der forbinder de to teleskoper, den adaptive optik på hver og den unikke okkultation kom sammen som planlagt den aften for to år siden.

"Vi var ikke sikre på, at en så kompleks observation overhovedet ville virke, " hun sagde, "men vi var alle overraskede og glade for, at det gjorde det."