Lớn thứ ba trong số bốn mặt trăng ‘Galilean’ của Sao Mộc, Io là một địa ngục núi lửa – một thế giới nhuốm màu vàng, nâu và đỏ thối rữa. Theo nhiều cách, nó là phản đề của những thứ như mặt trăng Europa của sao Mộc. Tuy nhiên, điều đó không ngăn cản các nhà nghiên cứu nghiền ngẫm từng chi tiết trên bề mặt của nó.
Các núi lửa của Io đã được xác nhận vào năm 1979 bởi nhà khoa học hành tinh Linda Morabito, người thuộc nhóm Du hành của NASA. Tìm hiểu thêm về khám phá của cô ấy bằng cách đọc cuộc phỏng vấn của chúng tôi với Linda Morabito.
Với công nghệ trên mặt đất ngày càng cải tiến và sứ mệnh Juno hiện có trong hệ thống Sao Mộc, những hiểu biết mới về hoạt động của mặt trăng lỗ rỗ này đang được tiết lộ mỗi ngày.
Thậm chí còn có những lời kêu gọi thực hiện một nhiệm vụ chuyên biệt để khám phá sự kỳ lạ này giữa các hành tinh bên ngoài.
Một nhà nghiên cứu có công việc gần đây đã cố gắng làm sáng tỏ hoạt động núi lửa dữ dội của Io là Giáo sư Katherine de Kleer của Viện Công nghệ California.
Cô ấy nói rằng các màu sắc đa dạng trên đĩa đầy vết nổi tiếng của Io hầu như đều là kết quả của một số dạng hoạt động núi lửa.
“Đó là tất cả các phân tử chứa lưu huỳnh khác nhau tạo ra những màu sắc khác nhau đó. Ngoại trừ các vùng tối – các trầm tích màu đen và xám và dòng dung nham có lẽ là silicat.”
Các ngọn núi lửa tạo nên bề mặt nổi bật của Io nằm rải rác trên khắp mặt trăng. tàu thăm dò Galileo
– nơi đã chụp những bức ảnh cận cảnh đẹp nhất về Io khi nó lướt qua vào cuối những năm 1990 và đầu những năm 2000 – đã bắt gặp những dòng dung nham phát sáng.
Trong khi đó, các nhiệm vụ khác – bao gồm Chân trời mới và Hubble – đã tạo ra hình ảnh những chùm vật chất hình mái vòm khổng lồ phun trào trên chi của Io.
Hàng trăm ngọn núi lửa nằm trên địa cầu của Io. Đôi khi chúng nổi bật vì các nhà khoa học có thể phát hiện ra sức nóng của chúng dưới dạng ánh sáng hồng ngoại, trong khi những thứ khác có thể được tiết lộ nhờ màu sắc bề mặt.
De Kleer giải thích: “Bạn cho rằng một dòng dung nham sẫm màu là trẻ vì nó vẫn phải ấm để giữ cho nó tối,” de Kleer giải thích.
“Nếu nó được làm lạnh hoàn toàn, lưu huỳnh đioxit sẽ đóng băng khỏi bầu khí quyển và nó sẽ không còn tối nữa. Vì vậy, ngay cả khi bạn không nhìn thấy bức xạ hồng ngoại, bạn có thể suy luận rằng có thứ gì đó đã hoạt động trong vài năm qua.”
Công việc riêng của De Kleer liên quan đến việc quan sát Io bằng các cơ sở mạnh mẽ trên mặt đất, như kính viễn vọng của Đài quan sát Keck ở Hawaii.
Bằng cách quan sát mặt trăng ở bước sóng hồng ngoại, de Kleer và các đồng nghiệp của cô đã có thể có được một cái nhìn rất khác về Io.
De Kleer nói: “Đĩa này sáng vì sương giá lưu huỳnh trên bề mặt của nó đang phản chiếu ánh sáng mặt trời.
“Nhưng trên hết, bạn sẽ thấy những đốm nhỏ thực sự sáng này trên khắp bề mặt của Io. Những đốm này là bức xạ hồng ngoại từ nhiệt tỏa ra từ những vùng núi lửa đang hoạt động riêng lẻ này.”
Tàu vũ trụ Juno – hiện đang quay quanh Sao Mộc – cũng quan sát Io bằng tia hồng ngoại; trong hình ảnh được chụp vào năm 2017, nó có thể phát hiện các dấu hiệu của một mảng hoạt động núi lửa phát sáng mà trước đây dường như chưa từng có.
Mức độ năng động địa chất ly kỳ này cũng là thứ có thể được nhìn thấy trong các quan sát hồng ngoại trên Trái đất.
De Kleer giải thích: “Chụp ảnh từ đêm này sang đêm khác, bạn có thể thấy các ngọn núi lửa khác nhau [mà] đang hoạt động hoặc không hoạt động.
“Chúng tỏa ra những lượng nhiệt khác nhau và bạn có thể thấy điều đó chỉ bằng cách quan sát nhiều đêm liên tiếp bằng kính viễn vọng; bạn có thể thấy nó đang thay đổi như thế nào.”
Nếu chúng ta có thể đến gần những ngọn núi lửa này, thì các mỏ lưu huỳnh có thể xuất hiện tương tự như những gì nhìn thấy xung quanh các đặc điểm núi lửa trên Trái đất, chẳng hạn như ở Công viên Quốc gia Núi lửa Lassen và Yellowstone ở Hoa Kỳ, giải thích của Kleer.
Cô ấy nói: “Bạn có thể tưởng tượng một cái gì đó tương tự như vậy nhưng được nhân rộng ra.
Tuy nhiên, hình dạng thực tế của các ngọn núi lửa có thể khác xa so với các đỉnh nhọn, cao chót vót do bản chất của vật liệu mà chúng hình thành.
“Chúng tôi nghĩ rằng magma đang phun trào trên Io nằm ở nhiệt độ cao nhất đối với những thứ chúng ta nhìn thấy trên Trái đất – có thể nóng hơn,” de Kleer nói.
Nhiệt độ cao này, cùng với hàm lượng silica thấp hơn của magma so với các chất tương tự trên Trái đất, có nghĩa là khi dung nham bùng phát trên bề mặt Io, nó được cho là đặc biệt chảy và có thể chảy rất nhanh trên một khoảng cách dài.
Hoạt động núi lửa của Io được cho là phát sinh từ vũ điệu hấp dẫn mà mặt trăng thực hiện với Sao Mộc, Europa và Ganymede; điều này tạo ra một lực liên tục kéo và nén Io rộng 3.640 km.
De Kleer giải thích: “Bạn thấy hình dạng của nó biến dạng khá nhanh cứ sau vài ngày, điều này tạo ra ma sát bên trong và sinh nhiệt. “Làm tan chảy đá là đủ rồi.”
Một trong những kết quả ngoạn mục nhất của tình trạng hỗn loạn nóng chảy diễn ra bên dưới bề mặt Io là đặc điểm núi lửa ở bán cầu bắc của mặt trăng được gọi là Loki Patera.
Hồ magma khổng lồ này có chiều ngang khoảng 180 km và là tâm điểm nghiên cứu gần đây của de Kleer và các đồng nghiệp của bà.
Sử dụng Kính viễn vọng Hai mắt Lớn (LBT) – đặt tại Arizona, Hoa Kỳ – các nhà khoa học đã quan sát vệ tinh Europa của Sao Mộc đi qua phía trước Io.
Thông thường, rất khó để giải quyết chi tiết về Loki Patera khi quan sát dưới ánh sáng hồng ngoại từ mặt đất, nhưng việc Europa đi qua đã cho phép họ thực hiện một quan sát thông minh.
Khi Europa dần dần che khuất ngọn núi lửa rộng lớn, nhóm nghiên cứu có thể đo ánh sáng hồng ngoại từ các phần tương đối nhỏ của nó – vì họ có thể tìm ra chính xác bit nào có thể nhìn thấy và do đó phát sáng tại một thời điểm nhất định.
Điều này, cùng với sức mạnh quang học của LBT – hoạt động như thể chúng là một tấm gương khổng lồ rộng 23m – cho phép de Kleer và các nhà nghiên cứu đồng nghiệp của cô thực hiện một thứ gì đó giống như ‘quét’ chữ ký hồng ngoại của Loki Patera:
‘Bản đồ’ hồng ngoại mà nhóm có thể tạo ra là một phần trong nỗ lực rộng lớn hơn nhằm cố gắng tìm ra bản chất của cái mà de Kleer gọi là ‘hệ thống ống nước’ kết nối độ sâu của Io với bề mặt của nó.
“Hệ thống kết nối đó trông như thế nào vẫn chưa được biết rõ. Và để nói bất cứ điều gì về vẻ ngoài của nó, bạn thực sự phải có được độ phân giải không gian rất tốt trên một ngọn núi lửa duy nhất,” cô nói.
Trong khi các nhà nghiên cứu tiếp tục theo dõi Io từ mặt đất và trong không gian, có những người cũng đang thúc đẩy một sứ mệnh chuyên dụng – hiện được gọi trong các đề xuất sơ bộ là Người quan sát núi lửa Io (IVO) – du hành tới Sao Mộc để khám phá mặt trăng chi tiết hơn nhiều.
De Kleer giải thích: “Nó có thể nhận được một loại thông tin hoàn toàn khác và rất bổ sung.
“Khi bạn ở trong hệ thống, bạn có thể đo trường trọng lực và từ trường và những thứ đó cho bạn biết về phần bên trong của một vật thể theo cách mà không thứ gì khác thực sự có thể làm được.”
Khi các nhà khoa học hành tinh chờ xem liệu họ có được giao nhiệm vụ hay không, có hai điều rõ ràng: Các núi lửa trên Io không có dấu hiệu lắng xuống; và giống như bề mặt của nó được định sẵn là tiếp tục thay đổi, hiểu biết của chúng ta về thế giới xa xôi, bí ẩn này cũng vậy.
Khi các nhà khoa học xem xét việc gửi các sứ mệnh tới Sao Mộc trong những năm tới, một câu hỏi vẫn còn về các mặt trăng Galilê, bao gồm cả Io, là chúng hình thành như thế nào?
Lý thuyết phổ biến cho thấy nó có thể là một quá trình tương đối nhanh chóng; các mặt trăng kết hợp từ các vật thể có kích thước hàng km bao quanh Sao Mộc chỉ trong khoảng một trăm nghìn đến một triệu năm.
Tuy nhiên, hiện nay, nghiên cứu mới của Tiến sĩ Yuhito Shibaike, tại Đại học Bern, và các đồng nghiệp cho rằng quá trình này có thể diễn ra chậm hơn nhiều – có lẽ mất khoảng 10 triệu năm.
Trong lý thuyết mới này, các khối tập hợp lại với nhau cũng sẽ nhỏ hơn, chỉ có chiều ngang là centimet.
Shibaike gợi ý trong số các bằng chứng cho lý thuyết mới là Europa thực sự sở hữu tương đối ít nước.
Ông giải thích: “Trong kịch bản của chúng tôi, Europa chỉ nhận được nước sau khi đĩa khí trở nên nguội hơn, vào thời điểm cuối cùng của quá trình hình thành, dẫn đến lượng nước rất nhỏ trên mặt trăng.
“Tuy nhiên, nếu các vật thể bồi tụ lớn, chỉ có nước trên bề mặt của chúng bị mất đi và hầu hết
của nước vẫn còn bên trong chúng. Do đó, trong kịch bản cổ điển, Europa lẽ ra phải có rất nhiều nước trong toàn bộ thời kỳ hình thành.”
Will Gater là một nhà thiên văn học, một nhà văn và nhà báo khoa học. Bài viết này ban đầu xuất hiện trong số tháng 7 năm 2020 của Tạp chí BBC Sky at Night.