Древнейший вулканизм в Солнечной системе поднял шансы на жизнь в системе Юпитера

Ио — самое вулканически активное на сегодня тело в Солнечной системе. Извержения «переделывают» поверхность этого спутника Юпитера быстрее, чем метеориты, и это при том, что обычно тела такой малой массы не могут поддерживать вулканическую активность. В новом исследовании ученые рассчитали, что спутник, вероятно, такой «горячий» на протяжении всего существования. Этот вывод имеет значение для всей системы Юпитера.

Ио — самое вулканически активное тело Солнечной системы и один из крупнейших спутников. Для тел таких размеров глубоко нетипична длительная вулканическая активность, потому что у них просто нет достаточно глубоких недр, и внутреннее тепло само по себе долго не держится. Но Ио летает в орбитальном резонансе с Европой и Ганимедом, двумя другими спутниками Юпитера. Через приливное гравитационное воздействие этот «танец» разогревает Ио внутри. Конечно, Юпитер тоже играет роль, но соседи-спутники усиливают эффект. Как показало моделирование, троица вышла на резонанс вскоре после формирования. Тогда и приливный разогрев спутники ощущают на протяжении всей истории Солнечной системы. Значит, Ио вулканически активна все 4,57 миллиарда лет: либо постоянно, либо циклами.

Невозможно проверить это предположение, изучая поверхность Ио. Вулканы обновляют рельеф спутника со скоростью 0,1-1 сантиметр в год. Из-за этого по кратерам от астероидов ученые могут «расшифровать» лишь последние несколько миллионов лет его истории. Зато полную «историю» может хранить атмосфера.

«Если Ио была вулканически активна на протяжении всей своей истории, то объем вещества, выброшенного на ее поверхность, должен в десятки или даже сотни раз превышать объем ее мантии», — объяснила Кэтрин де Клир (Kathrine de Kleer), планетолог из Калифорнийского технологического института, главный автор нового исследования.

Получается, чтобы поддерживать такой ритм, Ио должна «перерабатывать» извергнутую материю обратно в мантию. При этом при извержениях в атмосферу попадают летучие соединения. Самые легкие из них — с изотопами полегче — поднимаются достаточно высоко, чтобы вырваться в космос, а тяжелые рано или поздно опускаются. Так со временем «классическое» соотношение изотопов элементов нарушается — соединений с тяжелыми изотопами оказывается аномально много. Именно это и проверяли ученые в новой работе.

Авторы нового исследования изучили газы в атмосфере Ио с помощью комплекса радиотелескопов ALMA. Данные собирали в мае 2022 года. Они отслеживали вариации моноокиси серы, диоксида серы, хлорида натрия и хлорида калия. Их целью было определить соотношения серы-34 к сере-32 и хлора-37 к хлору-35. Результаты работы вышли в журнале Science. Одновременно в журнале Journal of Geophysical Research: Planets вышла сопутствующая статья об истории приливного нагрева и цикле изотопов серы на Ио.

Из анализа метеоритов ученые знают, что на момент формирования Солнечной системы на один атом серы-34 приходилось 23 атома более легкой серы-32. Друг от друга они отличаются двумя нейтронами. Если вулканы извергаются на Ио не так уж долго, то современное соотношение не должно кардинально отличаться. Анализ данных ALMA показал, что у Ио это соотношение изменилось примерно на один к 16,8.

Проведя расчеты, ученые пришли к выводу, что Ио уже потеряла 94-99 процентов своей серы. Для потери такого количества серы Ио должна была терять массу со скоростью в 0,5-5 раз больше, чем сегодня (1-3 тысячи килограммов в секунду), на протяжении всей своей истории. Отсюда можно сделать предположение, что в прошлом были периоды, когда Ио теряла материю гораздо быстрее. Важно, что речь идет о сере, которая не находится в ядре (на серу в ядре приходится 80-97 процентов всей серы спутника). Анализ соотношения изотопов хлора подтвердил эти выводы.

«Приливный нагрев, вызываемый резонансом, — важный источник тепла в спутниках, и он способен подпитывать геологическую активность. Ио — самый экстремальный пример такого воздействия, поэтому мы используем ее как лабораторию для понимания механизма приливного нагрева», — объяснила де Клир.

Кстати, многократная «переработка» мантии Ио означает, что у планетологов есть уникальная возможность точно узнать химический состав глубоких слоев спутника. Для этого нужно собрать образцы извергаемой материи.

Продолжительность вулканизма на Ио означает, что все это время поддерживалось приливное воздействие. Значит, между спутниками давно установился орбитальный резонанс, что имеет значение для всех участвующих тел, в том числе для Европы. Получается, этот спутник тоже все это время грелся изнутри. Европа — одно из самых перспективных обитаемых тел в Солнечной системе. Доказательство наличия постоянного источника тепла играет большое значение для гипотез о способности этого спутника поддерживать жизнь.