Зонд NASA впервые заглянул под поверхность спутника Ио и обнаружил там неожиданный источник мощного нагрева
Космический аппарат Juno NASA впервые измерил температуру под поверхностью Ио — спутника Юпитера, считающегося самым вулканически активным миром Солнечной системы. Полученные данные выявили значительный нагрев в неглубоких слоях грунта спутника, а также показали, что большая часть его поверхности удивительно гладкая и состоит из материала с очень низкой плотностью.
Результаты исследования, опубликованные в Journal of Geophysical Research: Planets, открывают новые возможности для изучения как вулканических, так и ледяных миров за пределами Земли. Данные были получены во время двух близких пролётов Juno над спутником Ио.
Экстремальная вулканическая активность Ио обусловлена приливным разогревом. Спутник постоянно растягивается и сжимается под воздействием мощной гравитации Юпитера, поскольку движется по слегка вытянутой орбите. В результате внутри Ио выделяется в несколько раз больше тепла, чем внутри Земли.
До сих пор почти все сведения о тепловой энергии Ио получали с помощью инфракрасных наблюдений, которые позволяют измерять только температуру поверхности. Новые результаты основаны на данных микроволнового радиометра MWR, установленного на борту Juno.
«Микроволновой радиометр Juno напрямую наблюдал тепловой поток Ио, заглядывая под его поверхность», — заявил соавтор исследования и главный научный руководитель миссии Juno Скотт Болтон из Юго-Западного исследовательского института в Сан-Антонио.
По его словам, неожиданная возможность исследовать недра каменистого спутника имеет важное значение и для изучения вулканов на Земле. Если использовать аналогичный прибор вблизи земного вулкана, он также может обнаружить характерный температурный градиент под поверхностью и предоставить новые сведения о процессах, происходящих внутри вулканов.
Микроволновой радиометр Juno изначально создавался для изучения атмосферы Юпитера. Шесть его микроволновых антенн работают как единый научный инструмент и одновременно регистрируют излучение в широком диапазоне длин волн — примерно от 1,3 до 51 сантиметра.
Разные длины волн позволяют исследовать разные глубины. Во время расширенной миссии этот прибор уже использовался для наблюдений за тремя галилеевыми спутниками Юпитера — Ганимедом, Европой и Ио.
«Каждая длина волны исследует разную глубину, что даёт новый способ изучать глубокую атмосферу планет-гигантов и подповерхностные слои ледяных и каменистых спутников», — отметил Болтон.
При изучении Ганимеда и Европы учёные исследовали десятки километров под поверхностью, предполагая, что их ледяные оболочки в основном состоят из чистой воды. Однако возможность исследовать вулканические породы Ио стала неожиданным открытием.
Во время пролётов 30 декабря 2023 года и 3 февраля 2024 года космический аппарат Juno, работающий на солнечной энергии, проходил примерно в 1500 километрах от поверхности спутника.
Радиометр измерил тепловое излучение Ио на глубинах от нескольких сантиметров до нескольких метров. Во всех исследованных районах температура увеличивалась более чем на 22 градуса Цельсия всего за несколько метров погружения в грунт.
По словам ведущего автора исследования Шеннон Браун из Лаборатории реактивного движения NASA, такой температурный градиент значительно круче того, который можно объяснить только солнечным нагревом.
Полученные данные допускают два возможных объяснения. Согласно первому, тепло постоянно поднимается через кору за счёт теплопроводности. Такой фоновый тепловой поток составляет от 1 до 3 ватт на квадратный метр и локально является относительно небольшим.
Однако в масштабах всего спутника выделяемая энергия может быть в 30 раз больше среднего теплового потока Земли. Второе объяснение заключается в том, что прибор регистрировал остывающие лавовые потоки, покрытые слоем затвердевшей коры толщиной примерно от 9 до 11 метров.
По оценкам исследователей, такие участки могут одновременно покрывать около 10 процентов поверхности Ио.
«Ио даёт уникальную возможность понять, как приливный разогрев работает во Вселенной — это фундаментальный процесс, который обеспечивает теплом и энергией миры, находящиеся далеко от своих звёзд», — сказал Болтон.
По его словам, этот механизм может не только создавать самое вулканически активное тело Солнечной системы, каким является Ио, но и поддерживать подповерхностные океаны на спутниках планет-гигантов, включая Европу и Ганимед.
До сих пор учёные могли наблюдать тепло, выходящее на поверхность Ио или выбрасываемое во время извержений. Новые данные впервые позволяют изучать, как тепло перемещается из внутренних областей спутника к его поверхности.
Ещё одним важным результатом двух пролётов стало обнаружение неожиданно гладкой поверхности Ио. Ранее учёным были хорошо известны высокие горы спутника, однако данные микроволнового радиометра показали, что за пределами горных районов на Ио существуют обширные гладкие участки протяжённостью 100 километров и более.
Juno пролетал над частично перекрывающимися районами Ио под разными углами, что позволило исследователям изучить отражение микроволн от поверхности. По принципу это напоминает наблюдение за океаном из иллюминатора самолёта, когда солнечные блики становятся заметны только под определёнными углами.
«За пределами гор поверхность Ио больше напоминает Великие равнины Северной Америки. И хотя Ио является каменистым телом, его поверхностный материал имеет очень низкую плотность и больше напоминает пемзу или рыхлый вулканический пепел, чем твёрдую породу», — отметил Браун.
Таким образом, новые наблюдения Juno показали, что Ио представляет собой не просто мир с экстремальными вулканическими извержениями. Под его поверхностью продолжается мощное движение тепла, а значительная часть внешнего слоя спутника может состоять из необычайно лёгкого и рыхлого вулканического материала.
Исследование в журнале Journal of Geophysical Research: Planets.