El misterioso funcionamiento interno de Ío, la luna volcánica de Júpiter

La versión original de esta historia apareció en Quanta Magazine .

El primer encuentro de Scott Bolton con Ío tuvo lugar en el verano de 1980, justo después de graduarse de la universidad y empezar a trabajar en la NASA. La sonda Voyager 1 había sobrevolado esta luna de Júpiter, captando el primer atisbo de vulcanismo activo en un mundo distinto de la Tierra. Erupciones de materia magmática en forma de paraguas se elevaron al espacio desde toda la superficie de Ío. "Se veían increíblemente hermosas", dijo Bolton, quien ahora trabaja en el Instituto de Investigación del Suroeste en Texas. "Parecía como si lo hubiera dibujado un artista. Me sorprendió lo exótico que parecía en comparación con nuestra luna".

Científicos como Bolton han intentado comprender el exuberante vulcanismo de Ío desde entonces. Una teoría destacada sostiene que justo debajo de la corteza lunar se esconde un océano de magma global, una vasta reserva contigua de roca líquida. Esta teoría encaja perfectamente con varias observaciones, incluyendo las que muestran una distribución aproximadamente uniforme de los volcanes de Ío, que parecen estar aprovechando la misma fuente omnipresente y destructiva de derretimiento.

Pero ahora, parece que el infierno de Ío ha desaparecido, o mejor dicho, nunca existió. Durante los recientes sobrevuelos de la luna volcánica realizados por la sonda Juno de la NASA, los científicos midieron el efecto gravitacional de Ío sobre Juno, utilizando las más mínimas oscilaciones de la sonda para determinar la distribución de masa de la luna y, por lo tanto, su estructura interna. Los científicos informaron en Nature que no hay nada significativo que se mueva justo debajo de la corteza de Ío.

“No existe ningún océano poco profundo”, afirmó Bolton, quien lidera la misión Juno.

Científicos independientes no encuentran ninguna falla en el estudio. «Los resultados y el trabajo son totalmente sólidos y bastante convincentes», afirmó Katherine de Kleer , científica planetaria del Instituto de Tecnología de California.

Los datos han desvelado un misterio que se extiende a otros mundos rocosos. El vulcanismo de Ío se alimenta de un mecanismo impulsado por la gravedad llamado calentamiento por mareas, que funde la roca y la convierte en magma que brota de la superficie. Si bien Ío es el ejemplo perfecto de este mecanismo, el calentamiento por mareas también calienta muchos otros mundos, incluyendo a su vecina, la luna helada Europa, donde se cree que el calor sustenta un océano subterráneo de agua salada. La NASA lanzó la sonda espacial Clipper, con un valor de 5000 millones de dólares, para explorar el cielo de Europa en busca de señales de vida en el supuesto océano subterráneo.

Pero si Ío no tiene un océano de magma, ¿qué podría significar eso para Europa? Y los científicos ahora se preguntan: ¿cómo funciona el calentamiento por mareas?

El calor impulsa la geología, la base rocosa sobre la que se construye todo lo demás, desde la actividad volcánica y la química atmosférica hasta la biología. El calor a menudo proviene de la formación de un planeta y la desintegración de sus elementos radiactivos. Pero los objetos celestes más pequeños, como las lunas, solo tienen reservas minúsculas de dichos elementos y de calor residual, y cuando estas reservas se agotan, su actividad geológica se estanca.

O al menos debería ser así, pero algo parece otorgar vida geológica a pequeños orbes en todo el sistema solar mucho después de que deberían haber perecido geológicamente.

Ío es el miembro más extravagante de este enigmático club: una pintura de Jackson Pollock en tonos naranja quemado, carmesí y rojizo. El descubrimiento de sus calderas de lava desbordantes es una de las historias más famosas de la ciencia planetaria, ya que se predijo su existencia antes de su descubrimiento.

El 2 de marzo de 1979, un artículo en Science reflexionó sobre la extraña órbita de Ío. Debido a las posiciones y órbitas de las lunas vecinas, la órbita de Ío es elíptica en lugar de circular. Y cuando Ío está más cerca de Júpiter, experimenta una mayor atracción gravitatoria del gigante gaseoso que cuando está más lejos. Los autores del estudio calcularon que, por lo tanto, la gravedad de Júpiter debe estar constantemente amasando Ío, elevando y bajando su superficie hasta 100 metros y, según sus cálculos, generando mucho calor por fricción en su interior, un mecanismo que describieron como "calentamiento por mareas". Conjeturaron que Ío podría ser el cuerpo rocoso más intensamente calentado del sistema solar. "Se podría especular que se produciría vulcanismo superficial generalizado y recurrente", escribieron.

Tan solo tres días después, la Voyager 1 sobrevoló la zona . Una imagen tomada el 8 de marzo documentó dos columnas gigantescas que se arqueaban sobre su superficie. Tras descartar otras causas, los científicos de la NASA concluyeron que la Voyager había visto erupciones volcánicas de un mundo extraterrestre. Publicaron su descubrimiento enScience ese mismo junio, tan solo tres meses después de la predicción.

La comunidad científica planetaria se unió rápidamente en torno a la idea de que el calentamiento por mareas en Ío es responsable del vulcanismo incesante en la superficie. «La incógnita, que ha sido una pregunta abierta durante décadas, es qué implicaciones tiene esto para la estructura interior», afirmó Mike Sori , geofísico planetario de la Universidad de Purdue. ¿Dónde se concentra ese calentamiento por mareas en Ío y cuánto calor y derretimiento genera?

La sonda espacial Galileo de la NASA estudió Júpiter y varias de sus lunas a principios del milenio. Uno de sus instrumentos era un magnetómetro, que detectó un peculiar campo magnético que emanaba de Ío. La señal parecía provenir de un fluido conductor de electricidad; de hecho, mucho fluido.

Tras años de estudio, los científicos concluyeron en 2011 que Galileo había detectado un océano de magma global justo debajo de la corteza de Ío. Mientras que el manto terrestre es mayoritariamente sólido y plástico, se creía que el subsuelo de Ío estaba lleno de un océano de roca líquida de 50 kilómetros de espesor, casi cinco veces más grueso que el océano Pacífico en su punto más profundo .

Un campo magnético similar provenía también de Europa, en este caso, aparentemente generado por un vasto océano de agua salada . Las implicaciones eran profundas: con una gran cantidad de material rocoso, el calentamiento por mareas puede crear océanos de magma. Con abundante hielo, puede crear océanos de agua líquida potencialmente habitable.

Para cuando la sonda Juno comenzó a orbitar Júpiter en 2016, la creencia de que Ío tenía un océano de magma estaba muy extendida. Pero Bolton y sus colegas querían confirmarlo.

Durante los sobrevuelos de diciembre de 2023 y febrero de 2024, Juno se acercó a 1500 kilómetros de la abrasada superficie de Ío. Aunque las impresionantes imágenes de volcanes activos atrajeron la atención general, el objetivo de estos sobrevuelos era descubrir si realmente existía un océano de magma bajo la superficie rocosa de la luna.

Para investigar, el equipo utilizó una herramienta inusual: el transpondedor de radio de Juno, que se comunica con la Tierra enviando y recibiendo señales. Debido a la distribución desigual de la masa de Ío, su campo gravitacional no es perfectamente simétrico. Este campo gravitacional desigual altera sutilmente el movimiento de Juno a su paso, provocando que acelere o desacelere ligeramente.

Esto significa que las transmisiones de radio de Juno experimentarán el efecto Doppler, donde la longitud de onda cambia ligeramente en respuesta al campo gravitacional irregular de Ío. Al observar los cambios increíblemente pequeños en las transmisiones, el equipo de Bolton pudo crear una imagen de alta fidelidad del campo gravitacional de Ío y usarla para determinar su estructura interna. "Si realmente existiera un océano de magma global, se observaría mucha más distorsión a medida que Ío orbita alrededor de Júpiter y a medida que las fuerzas de marea lo flexionan y cambian su forma", dijo Ashley Davies , vulcanóloga del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, quien no participó en el nuevo estudio.

Pero el equipo de Bolton no encontró este nivel de distorsión. Su conclusión fue clara: «No puede haber un océano de magma poco profundo alimentando los volcanes», afirmó Ryan Park , coautor del estudio y coinvestigador de Juno en el Laboratorio de Propulsión a Chorro.

¿Qué más podría estar impulsando los volcanes de Ío?

En la Tierra, existen depósitos discretos de magma de diferentes tipos —desde la materia viscosa, similar al alquitrán, que impulsa las erupciones explosivas hasta el material más fluido, similar a la miel, que brota de algunos volcanes— dentro de la corteza a diversas profundidades, todos creados por la interacción de las placas tectónicas, las piezas móviles del rompecabezas que conforman la superficie terrestre. Ío carece de tectónica de placas y (quizás) de diversidad de tipos de magma, pero su corteza podría estar repleta de depósitos de magma. Esta fue una de las líneas de pensamiento originales hasta que los datos de Galileo convencieron a muchos de la teoría del océano de magma.

El nuevo estudio no descarta la existencia de un océano de magma mucho más profundo. Sin embargo, ese depósito abisal tendría que estar lleno de magma tan rico en hierro y denso (debido a su gran profundidad) que tendría dificultades para migrar a la superficie y alimentar el vulcanismo de Ío. «Y a cierta profundidad, resulta difícil distinguir entre lo que llamaríamos un océano de magma profundo y un núcleo líquido», afirmó Park.

Para algunos, esto plantea un problema irreconciliable. El magnetómetro de Galileo detectó indicios de un océano de magma poco profundo, pero los datos de gravedad de Juno lo descartaron rotundamente. «En realidad, no se cuestionan los resultados del magnetómetro, así que hay que compaginarlos con todo lo demás», afirmó Jani Radebaugh , geóloga planetaria de la Universidad Brigham Young.

Los investigadores discrepan sobre la mejor interpretación de los datos de Galileo. Las señales magnéticas «se consideraron probablemente la mejor evidencia de un océano de magma, pero en realidad no eran tan intensas», afirmó Francis Nimmo , científico planetario de la Universidad de California en Santa Cruz y coautor del nuevo estudio. Los datos de inducción no permitieron distinguir entre un interior parcialmente fundido (pero aún sólido) y un océano de magma completamente fundido, añadió.

Quizás la principal razón por la que los científicos estudian Ío es porque nos enseña los fundamentos del calentamiento mareal. El motor de calentamiento mareal de Ío sigue siendo impresionante: claramente se genera una gran cantidad de magma que alimenta al volcán. Pero si no produce un océano de magma subterráneo, ¿significa eso que el calentamiento mareal tampoco genera océanos de agua?

Los científicos siguen confiando en ello. Nadie duda de que Encélado, la luna de Saturno, que también sufre calentamiento por mareas, contiene un océano subterráneo de agua salada; la sonda Cassini no solo detectó indicios de su existencia, sino que tomó muestras directamente de parte del mismo al erupcionar en el polo sur de la luna. Y aunque existe cierto escepticismo sobre si Europa tiene un océano, la mayoría de los científicos creen que sí.

Fundamentalmente, a diferencia del peculiar campo magnético de Ío, que parecía indicar que ocultaba un océano de fluido, la propia señal magnética de Europa, de la era Galileo, se mantiene robusta. "Es un resultado bastante claro en Europa", afirmó Robert Pappalardo , científico del proyecto de la misión Europa en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL). La luna helada está lo suficientemente lejos de Júpiter y del intenso entorno espacial de Ío, inundado de plasma, como para que la propia señal de inducción magnética de Europa "resalte con claridad".

Pero si ambas lunas se calientan por las mareas, ¿por qué solo Europa tiene un océano interior? Según Nimmo, «existe una diferencia fundamental entre un océano de agua líquida y un océano de magma. El magma tiende a escapar; el agua, en realidad, no». La roca líquida es menos densa que la sólida, por lo que tiende a ascender y entrar en erupción rápidamente; el nuevo estudio sugiere que no permanece en profundidad el tiempo suficiente en el interior de Ío como para formar un océano masivo e interconectado. Pero el agua líquida es, inusualmente, más densa que su forma sólida y helada. «El agua líquida es pesada, por lo que se acumula formando un océano», explicó Sori.

"Creo que ese es el mensaje principal de este artículo", añadió Sori. El calentamiento por mareas podría tener dificultades para crear océanos de magma. Pero en lunas heladas, puede fácilmente crear océanos de agua debido a la densidad del hielo extrañamente baja. Y eso sugiere que la vida tiene una multitud de entornos potencialmente habitables en todo el sistema solar.

El descubrimiento de que Ío carece de su océano de magma superficial subraya lo poco que se sabe sobre el calentamiento por mareas. «Nunca hemos comprendido realmente en qué parte del interior de Ío se está derritiendo el manto ni cómo ese manto fundido llega a la superficie», afirmó de Kleer.

Nuestra propia luna también muestra evidencia de calentamiento por mareas primigenio. Sus cristales más antiguos se formaron hace 4.510 millones de años a partir de la corriente de materia fundida que un gran impacto expulsó de la Tierra. Pero muchos cristales lunares parecen haberse formado a partir de un segundo depósito de roca fundida hace 4.350 millones de años. ¿De dónde provino ese magma posterior?

Nimmo y sus coautores propusieron una idea en un artículo publicado en Nature en diciembre: tal vez la luna de la Tierra era como Ío. La luna estaba mucho más cerca de la Tierra en aquel entonces, y los campos gravitacionales de la Tierra y el Sol luchaban por el control. En cierto umbral, cuando la influencia gravitacional de ambos era aproximadamente igual, la luna podría haber adoptado temporalmente una órbita elíptica y haberse calentado por las mareas debido al amasamiento gravitacional de la Tierra. Su interior podría haberse vuelto a fundir, provocando un sorprendente brote secundario de vulcanismo.

Pero no está claro exactamente dónde dentro del interior de la Luna se concentró el calentamiento por mareas y, por lo tanto, dónde se produjo todo ese derretimiento.

Quizás si Ío puede ser comprendido, también lo sea nuestra luna, así como varios de los otros satélites de nuestro sistema solar con motores de marea ocultos. Por ahora, este orbe volcánico permanece desesperantemente inescrutable. «Ío es una bestia compleja», dijo Davies. «Cuanto más lo observamos, más sofisticados son los datos y los análisis, más desconcertante se vuelve».

Historia original reimpresa con permiso de Quanta Magazine , una publicación editorialmente independiente de la Fundación Simons cuya misión es mejorar la comprensión pública de la ciencia cubriendo los desarrollos de investigación y las tendencias en matemáticas y ciencias físicas y de la vida.