Największa ziemska lornetka obserwuje gigantyczny aktywny wulkan w Układzie Słonecznym

Zespół badawczy kierowany przez naukowców z University of California w Berkeley uzyskał szczegółową mapę olbrzymiego jeziora lawy w wulkanie Loki Patera, znajdującego się na Io, księżycu Jowisza.

Było to możliwe podczas przejścia Europy, drugiego satelity Jowisza, na tle tarczy Io. Detekcję zjawiska w paśmie bliskiej podczerwieni przeprowadzono za pomocą teleskopu Large Binocular Telescope (LBT), czyli największej ziemskiej lornetki.

W astronomii należy szybko korzystać z nadarzających się okazji, a taka pojawiła się 8 marca 2015 r., w postaci dość rzadko obserwowanego z Ziemi tranzytu Europy zakrywającej dysk Io. Zjawisko dość nietypowe, ponieważ pokryta grubą warstwą wodnego lodu powierzchnia Europy absorbuje większość docierającej od Słońca podczerwieni, natomiast Io w tym paśmie sporo jej emituje. Efekt jest następujący - jak w zaprezentowanej animacji - ciemna chłodna tarcza Europy na tle jasnej rozpalonej Io.


Seria zdjęć z LBT wykonanych w podczerwieni, obrazujących, przejście księżyca Europa na tle tarczy Io. Wulkan Loki Patera występuje w górnej tarczy Io, jako jasna gorąca plama. Lód na powierzchni Europy absorbuje znaczną część promieniowania podczerwonego, dlatego jest widoczna się jako ciemny dysk. Natomiast występujący na powierzchni Io, dwutlenek siarki pochłania znacznie mniej promieniowania o tej długości fali. Kliknij, aby odtworzyć wideo. Źródło: Katherine de Kleer / LBTO.

Kontrast promieniowania otrzymany z dwóch ciał niebieskich pozwolił na precyzyjny pomiar sygnału emitowanego przez rozpaloną lawę na powierzchni Io. Dane uzyskane w bliskiej podczerwieni wykazały, że temperatura powierzchni rozległego jeziora lawy Loki Patera (Patera z łac. to płytki wulkan, a Loki to imię nordyckiego boga, symbolu ognia) stale wzrasta, przechodząc z jego jednego krańca do drugiego, co sugeruje, że tamtejsza lawa przetacza się w dwóch falach, z zachodu na wschód z prędkością około 1 kilometra dziennie.

„Jeśli wyobrazimy sobie Loki Patera jako jezioro lawy, to rozciąga się ono na obszarze ponad milion razy większym od typowych jezior lawowych na Ziemi”, mówi Katherine de Kleer, naukowiec University of California w Berkeley, autorka publikacji poruszająca ten temat w majowym wydaniu czasopisma Nature. „Powierzchnia chłodniejszej skorupy lawy zapada się odsłaniając rozżarzone warstwy znajdujące się poniżej, prowadzi to do mocnych pojaśnień w podczerwieni”, dodaje autorka.

Astronomowie po raz pierwszy zauważyli zmiany w jasności Io w 1970 roku, ale dopiero podczas przelotu sond Voyager 1 i 2 w 1979 roku stało się jasne, że powodem zmienności blasku księżyca są erupcje wulkanów na jego powierzchni. Pomimo bardzo szczegółowych obrazów z misji Galileo pod koniec 1990 i na początku 2000 roku, astronomowie nadal debatowali czy pojaśnienia w Loki Patera, pojawiające się co 400-600 dni, spowodowane są zjawiskiem tzw. odsłonięcia lawy (opisane powyżej) w ogromnym jeziorze, czy też okresowymi gwałtownymi erupcjami, które wynoszą na powierzchnię jej ogromne gorące ilości.

Odsłonięcie lawy jest popularnym wyjaśnieniem okresowych pojaśnień obszaru Loki Patera. Najaktywniejszy wulkaniczny teren na Io, rozciąga się na około 200 km, zajmując powierzchnię 21 500 kilometrów kwadratowych, większą niż jezioro Ontario.

„To pierwsza dobra mapa tego obszaru”, mówi współautorka publikacji Ashley Davies z Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie, przez wiele lat badająca wulkany na Io. „Okazuje się, że nie jedna, lecz dwie fale obiegają obszar jeziora. Jest to o wiele bardziej skomplikowany proces niż, wcześniej sądzono.”

„To duży krok naprzód na drodze do zrozumienia wulkanizmu na Io, który obserwujemy od ponad 15 lat, a w szczególności aktywności wulkanicznej w Loki Patera” – dodaje Imke de Pater, profesor astronomii z UC Berkeley.

Dane obserwacyjne zostały uzyskane przez bliźniacze lustra, każde o średnicy 8,4 metra, teleskopu LBT, położonego w górach południowo-wschodniej Arizony. Połączono je w interferometr Fizou LBTI (Large Binocular Telescope Interferometr), co pozwoliło uzyskać charakterystykę pojedynczego teleskopu o średnicy 23 metrów. Również dzięki zastosowaniu techniki optyki adaptatywnej (AO, adaptive-optics), wyeliminowano negatywne skutki turbulencji atmosferycznych, co w znakomity sposób poprawiło, jakość zarejestrowanych zdjęć.

”Dwa lata wcześniej, LBT uzyskał pierwsze naziemne zdjęcia dwóch pojedynczych gorących miejsc na terenie wulkanu Loki. Było to możliwe dzięki rozdzielczości wykorzystywanego jako interferometr LBT – w tym trybie pracy LBT ma rozdzielczość porównywalną z pojedynczym teleskopem o średnicy 23 metrów. Jednak tym razem uzyskana wyjątkowa rozdzielczość jest skutkiem obserwacji Loki Patera w tracie zaćmienia wywołanego przez Europę" zauważa Christian Veillet, współtwórca i dyrektor Obserwatorium LBT (LBTO).
 
Podczas zaćmienia Europa w ciągu 10 sekund zakryła obszar wulkanu Loki. „Docierało do nas tak dużo promieniowania podczerwonego, że mogliśmy podzielić obserwacje na interwały o długości 1/8 sekundy, między którymi krawędź Europy przesuwała się zaledwie o kilka kilometrów wzdłuż powierzchni księżyca Io”, mówi współautor Michael Skrutskie z University of Virginia.

Obserwacje pozwoliły stworzyć dwuwymiarową termiczną mapę obszaru Loki Patera o rozdzielczości poniżej 10 km, czyli dziesięciokrotnie lepszej niż zazwyczaj uzyskiwanej z interferometru LBTI przy stosowanej długości fali 4,5 mikrometra. Mapa przedstawia płynną zmianę temperatury na powierzchni jeziora – od 270 K na zachodnim krańcu do 330 K na południowo-wschodnim.

Informacje o tempie stygnięcia magmy oraz jej temperaturze, zebrane podczas badania wulkanów na Ziemi, pozwoliły de Kleer obliczyć czas tzw. odsłonięcia lawy na powierzchni Io. Okazało się, że jeszcze przed rozpoczęciem obserwacji, odsłonięcia nastąpiły w przedziale 180-230 dni na zachodnim końcu jeziora, oraz 75 dni na wschodnim – co odpowiada przyjętym przez de Kleer założeniom. Co ciekawe, odwracanie lawy rozpoczęło się w różnych momentach po dwóch stronach chłodnej wyspy znajdującej się na środku jeziora, która występuje, od kiedy sonda Voyager sfotografowała Io w 1979 roku. Jak mówi de Kleer, prędkość odwracania lawy jest różna po obu stronach wyspy i może mieć to związek ze składem chemicznym magmy lub ilością rozpuszczonego gazu w jej bąblach.

Jeziora takie jak w wulkanie Loki odsłaniają rozgrzane, głębiej położone warstwy lawy, w taki sposób, iż stygnąca powierzchnia skorupy wyższych chłodniejszych warstw powoli gęstnieje, aż do momentu, kiedy jest gęstsza od lawy znajdującej się pod nią, wtedy powoli w niej tonie ciągnąc za sobą pobliskie fragmenty skorupy do fali przechodzącej po powierzchni jeziora.

Naukowcy są bardzo zadowoleni z wyników obserwacji. Nie byli pewni czy mogą się one powieść, ale ku zaskoczeniu wszystkich, udało się. De Kleer oraz de Pater chcą obserwować kolejne zaćmienia księżyca Io, aby zweryfikować wyniki swoich badań, ale na kolejną odpowiednią konfigurację muszą poczekać aż do 2021 roku.


Mapy rozkładu temperatury lawy i wieku jej skorupy w wulkanie Loki Patera zgodnie z obserwacjami LBTO. Wyższe temperatury na południowym wschodzie (lokalizacja 3) wskazują, że w tej części występuje nowa gorąca magma. Po środku zdjęcia w czarnym kolorze tzw. wyspa. Źródło: Katherine de Kleer / LBTO.







Katherine de Kleer z UC Berkeley, autorka publikacji w czasopiśmie Nature. Źródło: UC Berkeley LBTO.

Więcej informacji:

Autor: Marek Kukliński

Źródło: University of California - Berkeley / Nature