O misterioso funcionamento interno de Io, a lua vulcânica de Júpiter

A versão original desta história apareceu na Quanta Magazine .

O primeiro encontro de Scott Bolton com Io ocorreu no verão de 1980, logo após se formar na faculdade e começar a trabalhar na NASA. A sonda espacial Voyager 1 havia sobrevoado esta lua de Júpiter, captando o primeiro vislumbre de vulcanismo ativo em um mundo diferente da Terra. Explosões de matéria magmática em forma de guarda-chuva dispararam para o espaço vindas de toda a superfície de Io. "Elas pareciam incrivelmente belas", disse Bolton, que agora trabalha no Southwest Research Institute, no Texas. "Era como se um artista a tivesse desenhado. Fiquei impressionado com o quão exótica ela parecia em comparação com a nossa lua."

Cientistas como Bolton vêm tentando entender o exuberante vulcanismo de Io desde então. Uma das principais teorias é que logo abaixo da crosta lunar se esconde um oceano global de magma, um vasto depósito contíguo de rocha líquida. Essa teoria se encaixa perfeitamente com várias observações, incluindo aquelas que mostram uma distribuição aproximadamente uniforme dos vulcões de Io, que parecem estar explorando a mesma fonte onipresente e infernal de derretimento.

Mas agora, parece que o inferno de Io desapareceu — ou melhor, nunca existiu. Durante recentes sobrevoos da lua vulcânica pela sonda espacial Juno da NASA, cientistas mediram o efeito gravitacional de Io sobre Juno, usando as menores oscilações da sonda para determinar a distribuição de massa da lua e, portanto, sua estrutura interna. Os cientistas relataram na Nature que nada significativo está se espalhando logo abaixo da crosta de Io.

“Não existe oceano raso”, disse Bolton, que lidera a missão Juno.

Cientistas independentes não encontraram nenhuma falha no estudo. "Os resultados e o trabalho são totalmente sólidos e bastante convincentes", disse Katherine de Kleer , cientista planetária do Instituto de Tecnologia da Califórnia.

Os dados reabriram um mistério que se estende a outros mundos rochosos. O vulcanismo de Io é alimentado por um mecanismo gravitacional chamado aquecimento de maré, que derrete a rocha em magma que irrompe da superfície. Embora Io seja o símbolo desse mecanismo, o aquecimento de maré também aquece muitos outros mundos, incluindo a vizinha de Io, a lua gelada Europa, onde se acredita que o calor sustente um oceano subterrâneo de água salgada. A NASA lançou a sonda espacial Clipper, de US$ 5 bilhões, para vasculhar o céu de Europa em busca de sinais de vida no suposto oceano subterrâneo.

Mas se Io não tem um oceano de magma, o que isso significa para Europa? E os cientistas agora se perguntam: como funciona o aquecimento das marés?

O calor impulsiona a geologia, a base rochosa sobre a qual tudo o mais, desde a atividade vulcânica e a química atmosférica até a biologia, é construído. O calor frequentemente provém da formação de um planeta e da decomposição de seus elementos radioativos. Mas objetos celestes menores, como as luas, possuem apenas pequenas reservas desses elementos e de calor residual, e quando essas reservas se esgotam, sua atividade geológica se estagna.

Ou, pelo menos, deveria — mas algo parece conceder vida geológica a pequenos orbes por todo o sistema solar muito depois de eles já terem perecido geologicamente.

Io é o membro mais extravagante deste clube intrigante — uma pintura de Jackson Pollock em tons de laranja queimado, carmesim e fulvo. A descoberta de seus caldeirões de lava transbordantes é uma das histórias mais famosas da ciência planetária, pois sua existência foi prevista antes mesmo de serem descobertos.

Em 2 de março de 1979, um artigo na Science refletiu sobre a estranha órbita de Io. Devido às posições e órbitas de luas vizinhas, a órbita de Io é elíptica em vez de circular. E quando Io está mais perto de Júpiter, sofre uma atração gravitacional mais forte do gigante gasoso do que quando está mais distante. Os autores do estudo concluíram que a gravidade de Júpiter deve, portanto, estar constantemente amassando Io, puxando sua superfície para cima e para baixo em até 100 metros e, segundo seus cálculos, gerando muito calor por atrito em seu interior — um mecanismo que descreveram como "aquecimento de maré". Eles conjecturaram que Io pode ser o corpo rochoso mais intensamente aquecido do sistema solar. "Pode-se especular que ocorreria vulcanismo superficial generalizado e recorrente", escreveram.

Apenas três dias depois, a Voyager 1 sobrevoou a Terra . Uma imagem tirada em 8 de março documentou duas plumas gigantescas arqueando-se acima de sua superfície. Após descartar todas as outras causas, os cientistas da NASA concluíram que a Voyager havia presenciado erupções vulcânicas de um planeta alienígena. Eles relataram a descoberta naScience em junho, apenas três meses após a previsão.

A comunidade científica planetária rapidamente se uniu em torno da ideia de que o aquecimento de maré em Io é responsável pelo vulcanismo interminável na superfície. "A parte desconhecida, que tem sido uma questão em aberto há décadas, é o que isso significa para a estrutura interna", disse Mike Sori , geofísico planetário da Universidade Purdue. Onde esse aquecimento de maré se concentra em Io e quanto calor e derretimento ele está gerando?

A sonda Galileo, da NASA, estudou Júpiter e várias de suas luas por volta da virada do milênio. Um de seus instrumentos era um magnetômetro, e ele captou um campo magnético peculiar emanando de Io. O sinal parecia vir de um fluido eletricamente condutor — bastante fluido, na verdade.

Após anos de estudo, cientistas concluíram em 2011 que a sonda Galileu havia detectado um oceano global de magma logo abaixo da crosta de Io. Enquanto o manto terrestre é majoritariamente sólido e plástico, acreditava-se que o subsolo de Io fosse preenchido por um oceano de rocha líquida com 50 quilômetros de espessura, ou quase cinco vezes mais espesso que o Oceano Pacífico em seu ponto mais profundo .

Um campo magnético semelhante também vinha de Europa — neste caso, aparentemente gerado por um vasto oceano de água salgada . As implicações eram profundas: com muito material rochoso, o aquecimento das marés pode formar oceanos de magma. Com bastante gelo, pode criar oceanos de água líquida potencialmente habitável.

Quando a sonda Juno começou a orbitar Júpiter em 2016, a crença de que Io possuía um oceano de magma era generalizada. Mas Bolton e seus colegas queriam verificar novamente.

Durante os sobrevoos em dezembro de 2023 e fevereiro de 2024, Juno chegou a 1.500 quilômetros da superfície escaldante de Io. Embora as imagens impressionantes dos vulcões ativos tenham chamado a atenção de todos, o objetivo desses sobrevoos era descobrir se realmente havia um oceano de magma sob a superfície rochosa da lua.

Para investigar, a equipe utilizou uma ferramenta improvável: o transponder de rádio de Juno, que se comunica com a Terra, enviando e recebendo sinais. Devido à massa desigualmente distribuída de Io, seu campo gravitacional não é perfeitamente simétrico. Esse campo gravitacional desigual altera sutilmente o movimento de Juno durante sua passagem, fazendo com que ela acelere ou desacelere um pouco.

Isso significa que as transmissões de rádio de Juno sofrerão o efeito Doppler, em que o comprimento de onda muda ligeiramente em resposta ao campo gravitacional irregular de Io. Observando as mudanças incrivelmente pequenas nas transmissões, a equipe de Bolton conseguiu criar uma imagem de alta fidelidade do campo gravitacional de Io e usá-la para determinar sua estrutura interna. "Se de fato houvesse um oceano de magma global, veríamos muito mais distorção à medida que Io orbitasse Júpiter e as forças das marés o flexionassem e mudassem sua forma", disse Ashley Davies , vulcanologista do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, que não participou do novo estudo.

Mas a equipe de Bolton não encontrou esse nível de distorção. Sua conclusão foi clara. "Não pode haver um oceano de magma raso alimentando os vulcões", disse o coautor do estudo , Ryan Park , coinvestigador da Juno no Laboratório de Propulsão a Jato.

Então o que mais pode estar alimentando os vulcões de Io?

Na Terra, reservatórios discretos de magma de diferentes tipos — desde a matéria viscosa semelhante a piche que alimenta erupções explosivas até a substância mais líquida, semelhante a mel, que jorra de alguns vulcões — estão localizados dentro da crosta em várias profundidades, todos criados pelas interações de placas tectônicas, as peças móveis do quebra-cabeça que compõem a superfície da Terra. Io não possui placas tectônicas e (talvez) uma diversidade de tipos de magma, mas sua crosta pode, ainda assim, ser salpicada de reservatórios de magma. Essa foi uma das linhas de pensamento originais até que os dados de Galileu convenceram muitos da teoria do oceano de magma.

O novo estudo não descarta a possibilidade de um oceano de magma muito mais profundo. Mas esse depósito abissal teria que ser preenchido com magma tão rico em ferro e denso (devido à sua grande profundidade) que teria dificuldade para migrar para a superfície e alimentar o vulcanismo de Io. "E em alguma profundidade, torna-se difícil distinguir entre o que chamaríamos de oceano de magma profundo e um núcleo líquido", disse Park.

Para alguns, isso levanta um problema irreconciliável. O magnetômetro da Galileu detectou sinais de um oceano de magma raso, mas os dados gravitacionais da Juno descartaram essa possibilidade enfaticamente. "As pessoas não estão realmente contestando os resultados do magnetômetro, então é preciso fazer com que isso se encaixe em todo o resto", disse Jani Radebaugh , geóloga planetária da Universidade Brigham Young.

Pesquisadores discordam sobre a melhor interpretação dos dados da Galileo. Os sinais magnéticos "foram considerados provavelmente a melhor evidência de um oceano de magma, mas, na verdade, não eram tão fortes", disse Francis Nimmo , cientista planetário da Universidade da Califórnia, em Santa Cruz, e coautor do novo estudo. Os dados de indução não conseguiram distinguir entre um interior parcialmente derretido (mas ainda sólido) e um oceano de magma totalmente derretido, disse ele.

Talvez a principal razão pela qual os cientistas estudam Io seja porque ele nos ensina sobre os fundamentos do aquecimento de maré. O mecanismo de aquecimento de maré de Io continua impressionante — claramente há uma grande quantidade de magma que alimenta vulcões sendo gerado. Mas se não está produzindo um oceano de magma subterrâneo, isso significa que o aquecimento de maré também não gera oceanos de água?

Os cientistas continuam confiantes de que sim. Ninguém duvida que a lua de Saturno, Encélado, que também é aquecida pelas marés, contenha um oceano subterrâneo de água salgada; a sonda Cassini não só detectou sinais de sua existência, como também coletou amostras diretamente de parte dele em erupção do Polo Sul da lua. E embora haja um leve ceticismo sobre se Europa possui um oceano, a maioria dos cientistas acredita que sim.

Crucialmente, ao contrário do estranho campo magnético de Io, que parecia indicar que ela ocultava fluido equivalente a um oceano, o sinal magnético da era Galileu de Europa permanece robusto. "É um resultado bastante claro em Europa", disse Robert Pappalardo , cientista do projeto da missão Europa no Laboratório de Propulsão a Jato. A lua gelada está suficientemente distante de Júpiter e do intenso ambiente espacial inundado de plasma de Io para que o sinal de indução magnética de Europa "realmente se destaque".

Mas se ambas as luas são aquecidas pelas marés, por que apenas Europa possui um oceano interno? De acordo com Nimmo, "há uma diferença fundamental entre um oceano de água líquida e um oceano de magma. O magma quer escapar; a água, na verdade, não". A rocha líquida é menos densa que a rocha sólida, por isso precisa subir e entrar em erupção rapidamente; o novo estudo sugere que ela não permanece em profundidade suficiente dentro de Io para formar um oceano massivo e interconectado. Mas a água líquida é, excepcionalmente, mais densa do que sua forma sólida e gelada. "A água líquida é pesada, então ela se acumula em um oceano", disse Sori.

“Acho que essa é a mensagem geral deste artigo”, acrescentou Sori. O aquecimento das marés pode ter dificuldade em criar oceanos de magma. Mas, em luas geladas, pode facilmente formar oceanos aquosos devido à densidade bizarramente baixa do gelo. E isso sugere que a vida tem uma infinidade de ambientes potencialmente habitáveis ​​em todo o sistema solar para chamar de lar.

A revelação de que Io não possui seu oceano de magma raso ressalta o quão pouco se sabe sobre o aquecimento de maré. "Nunca entendemos realmente em que parte do interior de Io o manto está derretendo, como esse derretimento do manto está chegando à superfície", disse de Kleer.

Nossa própria Lua também apresenta evidências de aquecimento de maré primitivo. Seus cristais mais antigos se formaram há 4,51 bilhões de anos a partir do fluxo de matéria derretida que foi expelido da Terra por um evento de impacto gigante . Mas muitos cristais lunares parecem ter se formado a partir de um segundo reservatório de rocha derretida há 4,35 bilhões de anos. De onde veio esse magma posterior?

Nimmo e coautores apresentaram uma ideia em um artigo publicado na Nature em dezembro: talvez a Lua da Terra fosse como Io. A Lua estava significativamente mais próxima da Terra naquela época, e os campos gravitacionais da Terra e do Sol disputavam o controle. Em um certo limiar, quando a influência gravitacional de ambos era aproximadamente igual, a Lua poderia ter adotado temporariamente uma órbita elíptica e sido aquecida pelas marés devido à amassadura gravitacional da Terra. Seu interior poderia ter se derretido novamente, causando um surpreendente florescimento secundário de vulcanismo.

Mas não está claro exatamente onde no interior da lua o aquecimento de maré estava concentrado — e, portanto, onde todo esse derretimento estava acontecendo.

Talvez, se Io pode ser compreendido, nossa lua também pode — assim como vários outros satélites do nosso sistema solar com motores de maré ocultos. Por enquanto, este orbe vulcânico permanece irritantemente inescrutável. "Io é uma fera complicada", disse Davies. "Quanto mais o observamos, quanto mais sofisticados os dados e as análises, mais intrigante ele se torna."

História original reimpressa com permissão da Quanta Magazine , uma publicação editorialmente independente da Fundação Simons cuja missão é aumentar a compreensão pública da ciência cobrindo desenvolvimentos e tendências de pesquisa em matemática e ciências físicas e biológicas.