College van de maand: De vulkanische wereld van Io
Figuur 1: Een van de nieuwe beelden van Io, gemaakt door Juno op 30 december 2023. Bron: NASA/JPL.
Op de valreep van 2023 publiceerde NASA nieuwe foto’s van Jupiters maan Io. Ruimtesonde Juno vloog op 30 december namelijk vlak langs de maan en zal dat begin februari nog een keertje doen. Op de nieuwe beelden is het turbulente landschap van Io gedetailleerd te zien, met zijn scherpe kliffen, gigantische bergen en vulkanische activiteit. Vandaar deze keer een college in het teken van de vulkanische wereld van de maan Io!
Ontdekking
Io is één van de vier Galileïsche manen die in 1610 werden ontdekt door de Italiaanse astronoom Galileo Galilei. De Galileïsche manen zijn de vier grootste manen van Jupiter: Callisto, Ganymedes, Europa en Io. De manen zijn vernoemd naar minnaressen van de god Zeus, die door de Romeinen Jupiter werd genoemd. De Galileïsche manen zijn zo groot dat je geen telescoop nodig hebt om ze te kunnen zien. Als Jupiter helder aan de hemel staat, kun je de manen met een verrekijker al zien.
De Galileïsche manen hebben een belangrijke rol gespeeld in de ontwikkeling van de astronomie in de 17e en 18e eeuw. Doordat Galilei zich realiseerde dat de manen om Jupiter heen draaien, kon hij bewijzen dat niet alles in de ruimte om de Aarde heen draait, de theorie die destijds werd aangenomen. Dit zou uiteindelijk leidden tot de adoptie van het Copernicaanse model van het zonnestelsel, waarbij de planeten om de zon draaien.
Figuur 2: Beeld gemaakt van Io door Voyager 1. Naast het oppervlak van Io, is ook de pluim van een enorme vulkanische uitbarsting te zien. Bron: NASA/JPL.
Missies naar Io
Io bleef een lichtpuntje rondom Jupiter tot het begin van de 20e eeuw, toen het mogelijk werd om grootschalige oppervlakte kenmerken vast te stellen. Pioneer 10 en 11 waren de eerste sondes die Io bezochten in 1973 en 1974. Met de data van deze sondes kon de massa en dichtheid worden geschat, welke erop duidde dat de maan vooral uit silicaatgesteente kon bestaan. Pioneer 11 wist een foto te maken van Io die een gele tint liet zien. Ook onthulden de Pioneers een dunne atmosfeer en de intense stralingsgolven die aanwezig zijn in Io’s baan om Jupiter.
De geologisch actieve wereld van Io werd pas echt onthuld in 1979 met de bezoekjes van Voyager 1 en 2. Met een geavanceerder fotografiesysteem konden beelden worden gemaakt van Io. Toen de Voyager-wetenschappers de beelden van Io voor het eerst zagen, beschreven ze het als een ‘beschimmelde pizza’. Een relatief jong oppervlak met een vreemd, veelkleurig landschap zonder inslagkraters kwam tevoorschijn. Analyse van de beelden toonde pluimen die bewezen dat Io vulkanisch actief was (zie Figuur 2). Ook werd met de Voyager data ontdekt dat de door de vulkanen geproduceerde pluimen uit zwavel- en zwaveldioxide bestaan.
In 1995 arriveerde de sonde Galileo bij Jupiter om onderzoek te doen naar het Jupiterstelsel: Jupiter en zijn ringen en manen. Uiteindelijk zou Galileo tot september 2003 rond Jupiter vliegen, waarna de sonde in Jupiter werd gecrashed. Tijdens deze missie is er veel beeldmateriaal verzameld en de sonde is ook een aantal keer vlak langs Io gevlogen. Galileo’s data bevestigde dat Io’s vulkanische uitbarstingen bestaan uit silica-rijk magma. Ook onthulde de sonde de geologische processen die plaatsvinden op Io’s oppervlakte. Zo werd ontdekt dat Io een grote ijzeren kern heeft en werd de omvang van Io’s vulkanische activiteit aangetoond.
Figuur 3: Geologische kaart van Io, geproduceerd met data van de Voyager en Galileo missies. De blauwe tinten markeren bergen, de rode tinten (vulkanische) kraters en alle andere tinten verschillende soorten vulkanische afzettingen. Figuur uit Williams et al. (2011).
In december 2000 had ruimtesonde Cassini, op weg naar Saturnus, een korte en verre ontmoeting met het Jupiterstelsel. Gezamenlijke metingen met Galileo toonden een nieuwe vulkanische pluim aan en gaven inzicht in Io’s aurora. In februari 2007 vloog sonde New Horizons, op weg naar Pluto en de Kuipergordel, langs het Jupiterstelsel. Wederom werd er vulkanische activiteit op Io waargenomen.
Sinds juli 2016 vliegt sonde Juno rondjes om Jupiter. Na verlenging van de missie in 2021 heeft de sonde al een paar bezoekjes gebracht aan Io en zal dat tot mei 2025 nog een aantal keer doen. Naast een aantal ontmoetingen op grotere afstand, zal Juno twee keer op een hoogte van slechts 1500 kilometer heel dicht langs Io vliegen. 30 december 2023 was de eerste keer en op 3 februari 2024 zal Juno dat voor de tweede keer doen. Het primaire doel van deze ontmoetingen is het bestuderen van Io’s zwaartekrachtveld en het maken van nieuwe beelden van Io’s oppervlak.
Figuur 4: Getijdenverwarming van Io. (a): De vier Galileïsche manen. De zwaartekrachtvelden van de andere manen trekken ook aan Io. (b): De baan van Io om Jupiter, waarbij Io’s vorm veranderd. (c): De baan van de aardse maan. Doordat de zwaartekracht van de aarde veel zwakker is dan die van Jupiter, word de aardse maan niet vervormd. Bron: Wikipedia
Getijdenverwarming
Io heeft meer dan 400 vulkanen en door alle bezoekjes aan de maan weten we dat minimaal 150 daarvan actief zijn. Daarmee is de maan het geologisch meest actieve object in het zonnestelsel. Deze extreme geologische activiteit wordt veroorzaakt door getijdenverwarming (zie Figuur 4). Bij dit proces zorgt een samenspel van de zwaartekrachtsvelden van Jupiters manen en het sterke zwaartekrachtsveld van Jupiter zelf voor het in en uit elkaar duwen van de manen. Hierdoor ontstaat frictie in het interieur van de manen, die op zijn beurt weer zorgt voor warmte. Door getijdenverwarming zijn er zeer waarschijnlijk oceanen van vloeibaar water te vinden onder de dikke ijskorsten van de manen Europa, Ganymedes en Callisto. In tegenstelling tot de meeste manen in de buitenste regionen van het zonnestelsel, welke grotendeels uit waterijs bestaan, bestaat Io voornamelijk uit silicaatgesteente dat een kern van gesmolten ijzer en ijzersulfide omringt. Getijdenwerking zorgt voor het smelten van het gesteente onder de korst, waardoor er onder Io’s korst een oceaan van magma te vinden is.
Vulkanisme op Io
Io’s vulkanische wereld is het makkelijkst uit te leggen met het heatpipe model. Hierbij zijn er uitbarstingen van lava die stollen en door daaropvolgende uitbarstingen weer worden begraven (zie Figuur 5).
Figuur 5: Het heatpipe model op Io. Getijdenverwarming zorgt voor vulkanische activiteit waarbij nieuw gevormd lava bovenop oude lava oppervlaktes wordt afgezet. Bron: Wikipedia, gebaseerd op O’Reilly & Davies (1981).
Doordat er op Io geen grote, hoge vulkanen zijn, word aangenomen dat het vulkanisme op korte geologische tijdschaal steeds verschuift. De vulkanische activiteit zorgt voor uitgestrekte lavavelden en pyroklastische afzettingen die zich voor honderden kilometers kunnen uitstrekken. Hierbij zijn de lichte vlekken op Io’s oppervlakte waarschijnlijk zwavelrijk en de donkere vlekken silicarijk.
De erupties schieten vulkanisch materiaal de atmosfeer in die pluimen van wel 500 kilometer hoog kunnen vormen. Voyager data liet zien dat de vulkanen hiermee niet alleen Io’s dunne atmosfeer voedden, maar ook een spoor van deeltjes achterlaten in Io’s baan rondom Jupiter. Interactie met Jupiters magnetosfeer zorgt ervoor dat deze deeltjes geïoniseerd worden, wat zorgt voor de intense stralingsgolven die aanwezig zijn in en rondom Io’s baan om Jupiter.
Tektoniek op Io
Naast vulkanen zijn er ook enorme bergen te vinden op Io, zie bijvoorbeeld de uitstekende punten op Figuur 1. De grootste berg op Io heeft een hoogte van ruim 17 kilometer, dat is twee keer zo hoog als de Mount Everest. Deze bergen ontstaan omdat er geen ruimte is voor al het lava om terug te zakken naar de basis van de lithosfeer. In plaats daarvan worden veel gesteente langs breuken terug naar de oppervlakte geduwd. Io’s bergen kunnen natuurlijk niet oneindig doorgroeien. Onder invloed van zwaartekracht zorgen massabewegingen voor de afbraak van de bergen. Aan de voet van Io’s bergen zijn daarom vaak afzettingen van deze aardverschuivingen te zien.
Figuur 6: Spanningen in Io’s korst zorgen voor verschillende soorten breuken die de gesteentes omhoog duwen. Hierdoor ontstaan de gigantische bergen. Het rode materiaal is gesmolten gesteente en het bruine materiaal grote brokken gestolde lava. Figuur uit Keszthelyi et al. (2022).
De toekomst
Naast een aantal bezoekjes door ruimtesonde Juno in de nabije toekomst, staan er nog twee missies naar het Jupiterstelsel op het programma. JUICE is momenteel onderweg en Europa Clipper zal naar verwachting dit jaar gelanceerd worden. Deze missies zullen geen bezoekjes brengen aan Io, maar met geavanceerde systemen zullen ze wel een oogje in het zeil houden. JUICE zal daarnaast de compositie van Io’s oppervlakte in kaart brengen. Het duurt nog tot 2030 voordat beide sondes bij Jupiter aankomen, maar tot die tijd kunnen we genieten van de prachtige beelden van Juno en alle eerdere missies.
Referenties
Keszthelyi, L.P., Jaeger, W.L. & Radebaugh, J. (2022). The Cycles Driving Io’s Tectonics. Elements, 18(6), 393-398.
O’Reilly, T.C. & Davies, G.F. (1981). Magma transport of heat on Io: A mechanism allowing a thick lithosphere. Geophysical Research Letters, 8(4), 313-316.
Williams, D.A., Keszthelyi, L.P., Crown, D.A., Yff, J.A., Jaeger, W.L., Schenk, P.M., Geissler, P.E. & Becker, T.L. (2011). Volcanism on Io: New insights from global geologic mapping. Icarus, 214(1), 91-112.
https://www.missionjuno.swri.edu/ ,laatst geraadpleegd op 22 januari 2024.
https://en.wikipedia.org/wiki/Io_(moon), laatst geraadpleegd op 22 januari 2024.