Найдавніший вулканізм у Сонячній системі підняв шанси на життя у системі Юпітера

Іо — вулканічно активне тіло Сонячної системи і один з найбільших супутників. Для тіл таких розмірів глибоко нетипова тривала вулканічна активність, тому що у них просто немає достатньо глибоких надр, і внутрішнє тепло по собі довго не тримається. Але Іо літає в орбітальному резонансі з Європою та Ганімедом, двома іншими супутниками Юпітера. Через приливний гравітаційний вплив цей «танець» розігріває Іо всередині. Звісно, ​​Юпітер теж грає роль, але сусіди-супутники посилюють ефект. Як показало моделювання, трійця вийшла на резонанс невдовзі після формування. Тоді й приливне розігрів супутники відчувають протягом усієї історії Сонячної системи. Отже, Іо вулканічно активна всі 4,57 мільярда років: або завжди, або циклами.

Неможливо перевірити це припущення, вивчаючи поверхню Іо. Вулкани оновлюють рельєф супутника зі швидкістю 0,1-1 сантиметр на рік. Через це за кратерами від астероїдів вчені можуть «розшифрувати» лише останні кілька мільйонів років його історії. Проте повну «історію» може зберігати атмосфера.

«Якщо Іо була вулканічно активна протягом усієї своєї історії, то обсяг речовини, викинутої на її поверхню, повинен у десятки або навіть сотні разів перевищувати обсяг її мантії», — пояснила Кетрін де Клір (Kathrine de Kleer), планетолог із Каліфорнійського технологічного інституту, головний автор нового дослідження

Виходить, щоб підтримувати такий ритм, Іо має «переробляти» викинуту матерію назад у мантію. При цьому при виверження в атмосферу потрапляють леткі сполуки. Найлегші з них — з легшею ізотопами — підіймаються досить високо, щоб вирватися в космос, а важкі рано чи пізно опускаються. Так згодом «класичне» співвідношення ізотопів елементів порушується — з’єднань із важкими ізотопами виявляється аномально багато. Саме це й перевіряли вчені у новій роботі.

Автори нового дослідження вивчили гази в атмосфері Іо за допомогою комплексу радіотелескопів ALMA. Дані збирали у травні 2022 року. Вони відстежували варіації моноокису сірки, діоксиду сірки, хлориду натрію та калію хлориду. Їх метою було визначити співвідношення сірки-34 до сірки-32 та хлору-37 до хлору-35. Результати роботи вийшли в журналі Science. Одночасно в журналі Journal of Geophysical Research: Planets вийшла супутня стаття про історію приливного нагріву та цикл ізотопів сірки на Іо.

З аналізу метеоритів вчені знають, що на момент формування Сонячної системи на один атом сірки-34 припадало 23 атоми легшої сірки-32. Один від одного вони відрізняються двома нейтронами. Якщо вулкани вивергаються на Іо не так довго, то сучасне співвідношення не повинно кардинально відрізнятися. Аналіз даних ALMA показав, що в Іо це співвідношення змінилося приблизно на один до 16,8.

Провівши розрахунки, вчені дійшли висновку, що Іо вже втратила 94-99 відсотків своєї сірки. Для втрати такої кількості сірки Іо мала втрачати масу зі швидкістю в 0,5-5 разів більше, ніж сьогодні (1-3 тисячі кілограмів на секунду), протягом усієї своєї історії. Звідси можна зробити припущення, що в минулому були періоди, коли Іо втрачала матерію набагато швидше. Важливо, що йдеться про сірку, яка не знаходиться в ядрі (на сірку в ядрі припадає 80-97 відсотків усієї сірки супутника). Аналіз співвідношення ізотопів хлору підтвердив ці висновки.

«Приливне нагрівання, викликане резонансом, — важливе джерело тепла в супутниках, і воно здатне підживлювати геологічну активність. Іо — найекстремальніший приклад такого впливу, тому ми використовуємо його як лабораторію для розуміння механізму приливного нагріву», — пояснила де Клір.

До речі, багаторазова «переробка» мантії Іо означає, що планетологи мають унікальну можливість точно дізнатися хімічний склад глибоких шарів супутника. Для цього потрібно зібрати зразки матерії, що вивергається.

Тривалість вулканізму на Іо означає, що весь цей час підтримувався вплив припливу. Отже, між супутниками давно встановився орбітальний резонанс, що має значення для всіх тіл, що беруть участь, у тому числі для Європи. Виходить, цей супутник також весь цей час грівся зсередини. Європа — одне з найперспективніших тіл у Сонячній системі. Доказ наявності постійного джерела тепла відіграє велике значення для гіпотез про можливість цього супутника підтримувати життя.