Jupiter’s moon Io has been continuously shaped by volcanic activity for billions of years — possibly even for the Solar System’s entire 4.57-billion-year history, a study suggests.
The findings, published in Science on 18 April1, have implications for the search for extraterrestrial life and for the understanding of volcanic moons and planets, including Earth.
Io is the most volcanically active place in the Solar System, with hundreds of volcanoes on its surface. This makes it difficult to study the moon’s past. The moon is continuously resurfaced by the constant flow of runny lava and ash settling from volcanic plumes, obscuring any physical evidence of its history. The volcanic activity arises because Io’s orbit of Jupiter is synchronized with the orbits of two neighbouring moons, Europa and Ganymede. The gravitational interactions between them make Io’s orbit elliptical and periodically squeeze the moon’s centre, causing friction and heating.
Sulfur studies
When Io’s volcanoes erupt, they spew sulfur-rich gases into the atmosphere. The researchers were able to use this sulfur as “a tracer for studying Io’s long-term evolution”, explains Katherine de Kleer, a planetary scientist at the California Institute of Technology in Pasadena and a co-author of the study.
Throughout the Solar System, the ratio between two sulfur isotopes — sulfur-32 and the slightly heavier sulfur-34 — is relatively constant, says de Kleer. Using the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, a radio telescope in Chile, she and her and colleagues measured sulfur emissions in Io’s atmosphere and calculated the ratio between the two isotopes.
Their observations revealed that Io has lost 94–99% of its originally available sulfur. At the top of its atmosphere, the ratio of sulfur isotopes is slightly skewed towards the lighter variant, and these gases rich in sulfur-32 are “being stripped off the top of the atmosphere at a loss of about one tonne per second”, de Kleer says. Over billions of years, this discrepancy has accumulated, and Io’s overall sulfur composition has become heavier. By extrapolating from the current rate at which the lighter sulfur is being lost, the researchers calculated that Io’s volcanoes have been erupting for most of its history.
Io, mặt trăng của Sao Mộc, liên tục được nhào nặn bởi các hoạt động núi lửa trong hàng tỷ năm – theo gợi ý từ một nghiên cứu thì thậm chí có thể quá trình này đã kéo dài trong toàn bộ lịch sử 4.57 tỷ năm của Hệ Mặt Trời.
Các phát hiện được công bố trên tạp chí Science vào ngày 18 tháng 4 góp một phần ý nghĩa quan trọng trong việc tìm kiếm sự sống ngoài trái đất và giúp chúng ta hiểu thêm về các mặt trăng và hành tinh có núi lửa, trong đó bao gồm cả Trái Đất.
Io là nơi có hoạt động núi lửa mạnh mẽ nhất trong Hệ Mặt Trời với hàng trăm núi lửa trên bề mặt. Điều này khiến cho việc nghiên cứu về quá khứ của nó trở nên khó khăn hơn. Bề mặt của Io liên tục được tái tạo bởi các dòng chảy dung nham và tro bụi lắng xuống từ các cột khói núi lửa khiến bất kỳ chứng cứ nào trong lịch sử của nó cũng bị chôn vùi. Hoạt động núi lửa ở Io là do quỹ đạo của nó quanh Sao Mộc bị đồng bộ với quỹ đạo của hai mặt trăng lân cận là Europa và Ganymede. Các tương tác do lực hấp dẫn giữa chúng khiến quỹ đạo của Io trở thành hình ê-líp và Io thường xuyên bị nén ở phần trung tâm, gây ra ma sát và tạo nhiệt.
Các nghiên cứu về lưu huỳnh
Các núi lửa của Io khi phun trào, chúng đẩy khí giàu lưu huỳnh vào bầu khí quyển. Theo Katherine de Kleer, khoa học gia nghiên cứu về hành tinh tại Viện Công Nghệ California tại Pasadena và cũng là đồng tác giả của nghiên cứu kể trên, lưu huỳnh trở thành “manh mối để nghiên cứu về quá trình tiến hóa lâu dài của Io”.
Trong toàn bộ Hệ Mặt Trời, tỷ lệ giữa hai đồng vị lưu huỳnh - sulfur-32 và nặng hơn một chút là sulfur-34 - tương đối ổn định, theo de Kleer. Cô đã cùng các đồng nghiệp sử dụng kính thiên văn vô tuyến ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) tại Chile để đo lượng khí lưu huỳnh trong bầu khí quyển của Io và tính toán tỷ lệ giữa hai đồng vị.
Quan sát của họ cho thấy Io đã mất từ 94 đến 99% lượng lưu huỳnh có sẵn ban đầu. Ở lớp cao nhất trong bầu khí quyển, tỷ lệ giữa hai đồng vị hơi lệch về phía đồng vị nhẹ hơn, và lớp khí giàu sulfur-32 này đang "bị loại bỏ khỏi lớp ngoài cùng của khí quyển với tốc độ khoảng một tấn mỗi giây", de Kleer nói. Quá trình này diễn ra trong hàng tỷ năm khiến cho đồng vị sulfur nặng chiếm tỷ lệ ngày càng nhiều hơn. Dựa vào tốc độ hao hụt hiện tại của đồng vị sulfur nhẹ, các nhà nghiên cứu đã tính toán để đưa ra kết quả cho thấy các hoạt động núi lửa đã diễn ra trong phần lớn lịch sử của Io.