Io – Jupiters innerster Galileischer Mond – ist der geologisch aktivste Körper im Sonnensystem. Mit über 400 aktiven Vulkanregionen können Schwefelwolken bis zu 300 Meilen über der Oberfläche aufsteigen. Es ist mit mehr als 100 Bergen übersät, von denen einige höher sind als der Mount Everest. Zwischen den Vulkanen und Bergen gibt es ausgedehnte Lavaströme und Überschwemmungsgebiete aus flüssigem Gestein.
Intensive vulkanische Aktivität führt zu einer dünnen Atmosphäre, die hauptsächlich aus Schwefeldioxid (SO2), mit kleineren Spezies einschließlich Schwefelmonoxid (SO), Natriumchlorid (NaCl) und atomarem Schwefel und Sauerstoff. Trotz der Nähe von Io zur Erde bleibt die Zusammensetzung seiner Atmosphäre kaum eingeschränkt. Modelle sagen eine Vielzahl anderer Moleküle voraus, die vorhanden sein sollten, aber noch nicht beobachtet wurden.
Vor kurzem machte sich ein Team von Astronomen von Institutionen in den Vereinigten Staaten, Frankreich und Schweden daran, die Atmosphäre von Io besser einzudämmen. Sie entdeckten das zweithäufigste Isotop von Schwefel (34-S) und wiesen vorläufig Kaliumchlorid (KCl) nach. Letztere wird in vulkanischen Plumes produziert – was darauf hindeutet, dass diese Plumes kontinuierlich zur Atmosphäre von Io beitragen.
Zu den erwarteten noch unentdeckten Molekülarten gehören Kaliumchlorid (KCl), Silikonmonoxid (SiO), Dischwefelmonoxid (S2O) und verschiedene Schwefelisotope. Die meisten dieser Elemente emittieren in Radiowellenlängen.
„Abhängig von ihrer Geometrie emittieren einige Moleküle mit bekannten Frequenzen, wenn sie den Rotationszustand ändern“, sagte Dr. Arielle Moullet, Hauptautorin der Studie, gegenüber Universe Today. „Diese spektralen Merkmale werden Rotationslinien genannt und zeigen sich im (Sub-)Millimeter-Spektralbereich.“
Diese Beobachtungen wurden daher an der Antenne des Atacama Pathfinder Experiment (APEX) gemacht – einem Radioteleskop in 16.700 Fuß über dem Meeresspiegel im Norden Chiles. Die Hauptschüssel hat einen Durchmesser von 12 Metern und ist ein Prototyp einer Antenne für das Atacama Large Millimeter Array (ALMA).
Die Atacama Pathfinder (APEX) Antenne. Bildnachweis: DAS
Nach 16,5 Stunden Gesamtbeobachtungszeit und Monaten der Datenreduktion und -analyse haben Moullet et al. führte einen vorläufigen Nachweis von Kaliumchlorid (KCl) durch. Die vulkanischen Ejekta von Io erzeugen einen großen Plasmatorus um den Jupiter, der viele molekulare Spezies einschließlich Kalium enthält. Diese Detektion gilt daher als „fehlendes Glied“ zwischen Io und diesem Plasmatorus.
Das Team machte auch den ersten Nachweis eines der Schwefelisotope, bekannt als 34-S. Schwefel hat 25 bekannte Isotope – Varianten von Schwefel, die noch 16 Protonen haben, sich aber in ihrer Neutronenzahl unterscheiden. 34-S ist mit 18 Neutronen das zweithäufigste Isotop.
Zuvor war das am häufigsten vorkommende Schwefelisotop 32-S mit 16 Neutronen nachgewiesen worden. Überraschenderweise ist das Verhältnis zwischen den beiden (34/32 S) doppelt so hoch wie die Referenz des Sonnensystems, was darauf hindeutet, dass 34-S im Überfluss vorhanden ist. Ein Bruchteil dieser Höhe wurde bisher nur in einem fernen Quasar berichtet – einer frühen Galaxie, die aus einem intensiv leuchtenden Kern besteht, der von einem riesigen Schwarzen Loch angetrieben wird.
„Dieses Ergebnis sagt uns, dass es wahrscheinlich einen noch nicht identifizierten Fraktionierungsprozess gibt, der entweder im Magma, an der Oberfläche oder in der Atmosphäre selbst stattfindet“, erklärt Dr. Moullet. Irgendetwas produziert eine unerklärliche Fülle dieses Isotops.
Andere erwartete noch unentdeckte Moleküle, einschließlich Silikonmonoxid und Dischwefelmonoxid, bleiben unentdeckt. Es ist möglich, dass diese Moleküle einfach nicht vorhanden sind, wahrscheinlicher ist jedoch, dass die Beobachtungen nicht empfindlich genug sind, um sie zu erkennen.
„Um eine tiefere Spektralsuche mit besserer Empfindlichkeit durchführen zu können, hat unsere Gruppe Beobachtungszeit mit dem Atacama Large Millimeter Array erhalten, einer hochmodernen interferometrischen Einrichtung in Chile, die schließlich mehr als fünfzig 12 Meter breite Schalen umfassen wird“, erklärt Dr . Meerrettich. „Wir sind dabei, unseren ersten mit sechzehn Antennen gewonnenen Datensatz zu analysieren, der bereits viel empfindlicher ist als die APEX-Daten.“
Während Io sicherlich ein extremes Beispiel ist, wird es uns wahrscheinlich helfen, den Vulkanismus im Allgemeinen zu charakterisieren – und ein besseres Verständnis des Vulkanismus hier auf der Erde sowie außerhalb des Sonnensystems zu ermöglichen.
Das Papier wurde zur Veröffentlichung im The Astrophysical Journal angenommen und steht zum Download bereit Hier.