Die mysteriösen inneren Vorgänge auf Io, dem Vulkanmond des Jupiters

Die Originalversion dieser Geschichte erschien im Quanta Magazine .

Scott Boltons erste Begegnung mit Io fand im Sommer 1980 statt, kurz nachdem er sein Studium abgeschlossen und eine Stelle bei der NASA angetreten hatte. Die Raumsonde Voyager 1 war an diesem Jupitermond vorbeigeflogen und hatte dabei einen ersten Blick auf aktiven Vulkanismus auf einer anderen Welt als der Erde erhascht. Schirmförmige Ausbrüche magmatischer Materie schossen von überall auf Ios Oberfläche ins All. „Sie sahen unglaublich schön aus“, sagte Bolton, der heute am Southwest Research Institute in Texas arbeitet. „Es war, als hätte ein Künstler es gezeichnet. Ich war erstaunt, wie exotisch es im Vergleich zu unserem Mond aussah.“

Wissenschaftler wie Bolton versuchen seitdem, Ios überbordenden Vulkanismus zu verstehen. Eine führende Theorie besagt, dass sich direkt unter der Mondkruste ein globaler Magmaozean verbirgt, ein riesiger zusammenhängender Vorrat an flüssigem Gestein. Diese Theorie passt gut zu mehreren Beobachtungen, darunter auch zu solchen, die eine annähernd gleichmäßige Verteilung der Vulkane auf Io zeigen, die offenbar dieselbe allgegenwärtige, höllische Schmelzquelle anzapfen.

Doch nun scheint Ios Hölle verschwunden zu sein – oder besser gesagt, sie war nie da. Bei den jüngsten Vorbeiflügen der NASA-Raumsonde Juno am Vulkanmond maßen Wissenschaftler Ios Gravitationswirkung auf Juno. Anhand kleinster Schwankungen der Sonde konnten sie die Massenverteilung des Mondes und damit seine innere Struktur bestimmen. In Nature berichteten die Wissenschaftler, dass sich direkt unter Ios Kruste nichts Wesentliches bewegt.

„Es gibt keinen flachen Ozean“, sagte Bolton, der die Juno-Mission leitet.

Unabhängige Wissenschaftler können an der Studie nichts aussetzen. „Die Ergebnisse und die Arbeit sind absolut solide und ziemlich überzeugend“, sagte Katherine de Kleer , Planetenforscherin am California Institute of Technology.

Die Daten haben ein Rätsel neu aufgeworfen, das auch andere Gesteinswelten betrifft. Ios Vulkanismus wird durch einen schwerkraftgetriebenen Mechanismus namens Gezeitenheizung angetrieben, der das Gestein zu Magma schmilzt, das dann an der Oberfläche austritt. Io ist zwar das Paradebeispiel für diesen Mechanismus, aber die Gezeitenheizung erwärmt auch viele andere Welten, darunter Ios Nachbar, den Eismond Europa, wo die Hitze vermutlich einen unterirdischen Salzwasserozean erhält. Die NASA startete die 5 Milliarden Dollar teure Raumsonde Clipper, um den Himmel über Europa nach Lebenszeichen in dem vermuteten unterirdischen Ozean abzusuchen.

Aber wenn Io keinen Magmaozean hat, was könnte das für Europa bedeuten? Und Wissenschaftler fragen sich nun: Wie funktioniert die Gezeitenheizung überhaupt?

Wärme treibt die Geologie an, das felsige Fundament, auf dem alles andere aufbaut – von der vulkanischen Aktivität über die Atmosphärenchemie bis hin zur Biologie. Wärme entsteht oft durch die Entstehung eines Planeten und den Zerfall seiner radioaktiven Elemente. Kleinere Himmelskörper wie Monde verfügen jedoch nur über winzige Reserven dieser Elemente und an Restwärme, und wenn diese Reserven erschöpft sind, kommt ihre geologische Aktivität zum Erliegen.

Oder zumindest sollte es das – doch irgendetwas scheint kleinen Himmelskörpern im gesamten Sonnensystem geologisches Leben zu verleihen, lange nachdem sie geologisch eigentlich schon verschwunden sein sollten.

Io ist das auffälligste Mitglied dieses rätselhaften Clubs – ein Gemälde von Jackson Pollock in den Farben Orange, Purpur und Gelbbraun. Die Entdeckung seiner überquellenden Lavakessel ist eine der berühmtesten Geschichten der Planetenforschung, da ihre Existenz bereits vor ihrer Entdeckung vorhergesagt wurde.

Am 2. März 1979 beschäftigte sich ein Artikel in Science mit Ios ungewöhnlicher Umlaufbahn. Aufgrund der Positionen und Umlaufbahnen benachbarter Monde ist Ios Umlaufbahn eher elliptisch als kreisförmig. Befindet sich Io näher an Jupiter, erfährt er eine stärkere Anziehungskraft des Gasriesen als in größerer Entfernung. Die Autoren der Studie kamen zu dem Schluss, dass Jupiters Schwerkraft Io daher ständig kneten und seine Oberfläche um bis zu 100 Meter auf und ab ziehen muss. Ihren Berechnungen zufolge entsteht dabei in seinem Inneren große Reibungswärme – ein Mechanismus, den sie als „Gezeitenheizung“ bezeichneten. Sie vermuteten, dass Io der am stärksten erhitzte Gesteinskörper im Sonnensystem sein könnte. „Man könnte spekulieren, dass es zu weit verbreitetem und wiederkehrendem Oberflächenvulkanismus kommt“, schrieben sie.

Nur drei Tage später flog Voyager 1 vorbei . Ein am 8. März aufgenommenes Bild dokumentierte zwei gigantische Fontänen, die sich über ihrer Oberfläche wölbten. Nachdem alle anderen Ursachen ausgeschlossen worden waren, kamen die NASA-Wissenschaftler zu dem Schluss, dass Voyager die Vulkanausbrüche einer fremden Welt beobachtet hatte. Sie berichteten im Juni desselben Jahres inScience über ihre Entdeckung, nur drei Monate nach der Vorhersage.

Die planetarwissenschaftliche Gemeinschaft einigte sich schnell auf die Idee, dass die Gezeitenheizung in Io für den nie endenden Vulkanismus an der Oberfläche verantwortlich ist. „Die unbekannte und seit Jahrzehnten ungeklärte Frage ist, was das für die innere Struktur bedeutet“, sagte Mike Sori , Planetengeophysiker an der Purdue University. Wo konzentriert sich die Gezeitenheizung in Io und wie viel Wärme und Schmelze erzeugt sie?

Die NASA-Raumsonde Galileo untersuchte um die Jahrtausendwende Jupiter und mehrere seiner Monde. Eines ihrer Instrumente, ein Magnetometer, registrierte ein eigenartiges Magnetfeld, das von Io ausging. Das Signal schien von einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit zu stammen – und zwar von einer großen Menge Flüssigkeit.

Nach jahrelangen Untersuchungen kamen Wissenschaftler 2011 zu dem Schluss , dass Galileo direkt unter der Erdkruste einen globalen Magmaozean entdeckt hatte. Während der Erdmantel größtenteils fest und plastisch ist, vermutete man, dass der Untergrund von Io mit einem 50 Kilometer dicken Ozean aus flüssigem Gestein gefüllt ist – fast fünfmal dicker als der Pazifische Ozean an seiner tiefsten Stelle .

Ein ähnliches Magnetfeld ging auch von Europa aus – in diesem Fall offenbar erzeugt durch einen riesigen Salzwasserozean . Die Auswirkungen waren gravierend: Bei viel Gesteinsmaterial können durch die Gezeitenerwärmung Magmaozeane entstehen. Bei reichlich Eis können Ozeane aus potenziell bewohnbarem flüssigem Wasser entstehen.

Als die Raumsonde Juno 2016 begann, um Jupiter zu kreisen, war die Annahme, dass Io einen Magmaozean besitze, weit verbreitet. Doch Bolton und seine Kollegen wollten es noch einmal überprüfen.

Bei Vorbeiflügen im Dezember 2023 und Februar 2024 näherte sich Juno Ios verkohlter Oberfläche bis auf 1.500 Kilometer. Obwohl die bemerkenswerten Bilder aktiver Vulkane die Aufmerksamkeit aller auf sich zogen, war das Ziel dieser Vorbeiflüge, herauszufinden, ob sich unter der felsigen Oberfläche des Mondes tatsächlich ein Magmaozean befindet.

Zur Untersuchung nutzte das Team ein ungewöhnliches Werkzeug: Junos Radiotransponder , der mit der Erde kommuniziert und Signale sendet und empfängt. Aufgrund der ungleichmäßig verteilten Masse von Io ist sein Gravitationsfeld nicht perfekt symmetrisch. Dieses ungleichmäßige Gravitationsfeld verändert die Bewegung von Juno beim Vorbeiflug geringfügig und führt zu einer leichten Beschleunigung oder Verzögerung.

Das bedeutet, dass Junos Radioübertragungen dem Dopplereffekt unterliegen, bei dem sich die Wellenlänge als Reaktion auf Ios ungleichmäßiges Gravitationsfeld leicht verschiebt. Durch die Untersuchung der unglaublich kleinen Verschiebungen in den Übertragungen konnte Boltons Team ein hochpräzises Bild von Ios Gravitationsfeld erstellen und damit dessen innere Struktur bestimmen. „Gäbe es tatsächlich einen globalen Magmaozean, würde man deutlich stärkere Verzerrungen sehen, während Io um Jupiter kreist und die Gezeitenkräfte ihn verbiegen und seine Form verändern“, sagte Ashley Davies , Vulkanologin am Jet Propulsion Laboratory der NASA, die an der neuen Studie nicht beteiligt war.

Boltons Team konnte jedoch keine derartige Verzerrung feststellen. Ihre Schlussfolgerung war eindeutig. „Es kann keinen flachen Magmaozean geben, der die Vulkane speist“, sagte Ryan Park , Co-Autor der Studie und Juno-Co-Forscher am Jet Propulsion Laboratory.

Was könnte die Vulkane auf Io sonst noch antreiben?

Auf der Erde befinden sich in unterschiedlichen Tiefen in der Erdkruste diskrete Reservoirs unterschiedlicher Magmaarten – von der teerartigen, zähflüssigen Materie, die explosive Eruptionen antreibt, bis hin zu der flüssigeren, honigartigen Masse, die aus manchen Vulkanen sprudelt. Diese sind alle durch die Wechselwirkung tektonischer Platten entstanden, der beweglichen Puzzleteile, aus denen die Erdoberfläche besteht. Auf Io gibt es weder Plattentektonik noch (vielleicht) eine Vielfalt an Magmaarten, aber seine Kruste könnte dennoch mit Magmareservoirs übersät sein. Dies war eine der ursprünglichen Überlegungen, bis Galileis Daten viele von der Magmaozean-Theorie überzeugten.

Die neue Studie schließt einen deutlich tieferen Magmaozean nicht aus. Dieser Tiefseevorkommen müsste jedoch mit Magma gefüllt sein, das aufgrund seiner großen Tiefe so eisenhaltig und dicht ist, dass es Schwierigkeiten hätte, an die Oberfläche zu gelangen und Ios Vulkanismus anzutreiben. „Und ab einer gewissen Tiefe wird es schwierig, zwischen dem, was wir einen tiefen Magmaozean nennen würden, und einem flüssigen Kern zu unterscheiden“, sagte Park.

Für manche stellt dies ein unlösbares Problem dar. Galileos Magnetometer entdeckte Anzeichen eines flachen Magmaozeans, doch die Gravitationsdaten von Juno schlossen dies entschieden aus. „Die Ergebnisse des Magnetometers werden nicht wirklich angezweifelt, daher muss man sie mit allem anderen in Einklang bringen“, sagte Jani Radebaugh , Planetengeologin an der Brigham Young University.

Forscher sind sich uneinig über die beste Interpretation der Galileo-Daten. Die magnetischen Signale „wurden als wahrscheinlich bester Beweis für einen Magmaozean angesehen, waren aber in Wirklichkeit nicht so stark“, sagte Francis Nimmo , Planetenforscher an der University of California in Santa Cruz und Mitautor der neuen Studie. Die Induktionsdaten könnten nicht zwischen einem teilweise geschmolzenen (aber immer noch festen) Inneren und einem vollständig geschmolzenen Magmaozean unterscheiden, sagte er.

Der Hauptgrund, warum Wissenschaftler Io erforschen, ist vielleicht, dass sie uns die Grundlagen der Gezeitenheizung näherbringt. Ios Gezeitenheizung ist nach wie vor beeindruckend – es wird offensichtlich viel vulkanisch gespeistes Magma erzeugt. Aber wenn kein unterirdischer Magmaozean entsteht, bedeutet das dann auch, dass die Gezeitenheizung keine Wasserozeane erzeugt?

Wissenschaftler sind weiterhin davon überzeugt. Niemand bezweifelt, dass der Saturnmond Enceladus, der ebenfalls durch Gezeitenkräfte erhitzt wird, einen unterirdischen Salzwasserozean beherbergt; die Raumsonde Cassini entdeckte nicht nur Anzeichen dafür, sondern nahm auch direkt Proben davon, als sie am Südpol des Mondes ausbrach. Und obwohl es leichte Skepsis darüber gibt, ob Europa einen Ozean besitzt, glauben die meisten Wissenschaftler, dass dies der Fall ist.

Entscheidend ist, dass Europas eigenes magnetisches Signal aus der Galileo-Ära im Gegensatz zu Ios seltsamem Magnetfeld, das darauf hindeutete, dass es einen Ozean voller Flüssigkeit verbirgt, weiterhin robust ist. „Das Ergebnis von Europa ist ziemlich eindeutig“, sagte Robert Pappalardo , Projektwissenschaftler der Europa-Mission am Jet Propulsion Laboratory. Der Eismond ist weit genug von Jupiter und der intensiven, plasmadurchfluteten Weltraumumgebung Ios entfernt, sodass Europas eigenes magnetisches Induktionssignal „wirklich hervorsticht“.

Aber wenn beide Monde durch Gezeitenkräfte erhitzt werden, warum hat dann nur Europa einen inneren Ozean? Nimmo zufolge „gibt es einen fundamentalen Unterschied zwischen einem Ozean aus flüssigem Wasser und einem Magmaozean. Das Magma will entweichen, das Wasser nicht.“ Flüssiges Gestein hat eine geringere Dichte als festes Gestein und steigt daher schnell auf und bricht aus. Die neue Studie legt nahe, dass es in Io nicht lange genug in der Tiefe verweilt, um einen massiven, zusammenhängenden Ozean zu bilden. Flüssiges Wasser ist jedoch ungewöhnlicherweise dichter als seine feste, eisige Form. „Flüssiges Wasser ist schwer und sammelt sich daher zu einem Ozean“, sagte Sori.

„Ich denke, das ist die zentrale Botschaft dieser Studie“, fügte Sori hinzu. Gezeitenheizung könnte die Entstehung von Magmaozeanen erschweren. Auf Eismonden hingegen können aufgrund der ungewöhnlich geringen Eisdichte leicht Wasserozeane entstehen. Das deutet darauf hin, dass es im gesamten Sonnensystem eine Vielzahl potenziell bewohnbarer Umgebungen für Leben gibt.

Die Erkenntnis, dass Io seinen flachen Magmaozean fehlt, unterstreicht, wie wenig über die Erwärmung durch Gezeiten bekannt ist. „Wir haben nie wirklich verstanden, wo im Inneren von Io der Mantel schmilzt und wie diese Mantelschmelze an die Oberfläche gelangt“, sagte de Kleer.

Auch unser Mond weist Spuren urzeitlicher Gezeitenerwärmung auf. Seine ältesten Kristalle entstanden vor 4,51 Milliarden Jahren aus einem Strom geschmolzener Materie, der durch einen gewaltigen Einschlag von der Erde geschleudert wurde. Viele Mondkristalle scheinen sich jedoch vor 4,35 Milliarden Jahren aus einem zweiten Reservoir geschmolzenen Gesteins gebildet zu haben. Woher kam dieses spätere Magma?

Nimmo und seine Kollegen stellten in einem im Dezember in „Nature“ veröffentlichten Artikel eine Idee vor: Vielleicht war der Erdmond wie Io. Der Mond befand sich damals deutlich näher an der Erde, und die Gravitationsfelder von Erde und Sonne kämpften um die Vorherrschaft. Ab einem bestimmten Punkt, als der Gravitationseinfluss beider etwa gleich groß war, könnte der Mond vorübergehend eine elliptische Umlaufbahn eingenommen und durch die Erdanziehungskraft aufgeheizt worden sein. Sein Inneres könnte erneut geschmolzen sein, was zu einem überraschenden sekundären Vulkanausbruch geführt hätte.

Es ist jedoch nicht klar, wo genau im Inneren des Mondes die durch die Gezeiten hervorgerufene Erwärmung konzentriert war – und wo somit das gesamte Schmelzen stattfand.

Wenn Io verstanden werden kann, lässt sich vielleicht auch unser Mond verstehen – ebenso wie einige andere Satelliten unseres Sonnensystems mit verborgenen Gezeitenantrieben. Derzeit bleibt dieser vulkanische Himmelskörper jedoch unergründlich. „Io ist ein kompliziertes Biest“, sagte Davies. „Je mehr wir ihn beobachten, je komplexer die Daten und Analysen, desto rätselhafter wird er.“

Nachdruck der Originalgeschichte mit Genehmigung des Quanta Magazine , einer redaktionell unabhängigen Publikation der Simons Foundation , deren Aufgabe darin besteht, das öffentliche Verständnis für die Wissenschaft durch die Berichterstattung über Forschungsentwicklungen und Trends in der Mathematik sowie den Natur- und Biowissenschaften zu verbessern.