Dank der Juno-Mission der NASA zum Jupitersystem erhalten wir die bisher besten Einblicke in den Vulkanmond Io des Gasriesen. Juno bietet uns zwar die besten Ansichten des Mondes, wirft aber auch noch bestehende Fragen auf. Nur eine spezielle Mission zu Io kann diese Fragen beantworten, und es sind zwei Missionen geplant.
Io ist als geologisch aktivste Welt im Sonnensystem bekannt, und das ist noch nicht einmal der Fall. Es gibt dort mehr als 400 aktive Vulkane. Io ist der Jupiter am nächsten gelegene Mond, und die starke Schwerkraft des Planeten ist größtenteils für die Vulkane auf Io verantwortlich.
Da der Planet an Io zieht, erzeugt die Reibung im Inneren des Mondes Gezeitenhitze. Dadurch entsteht Magma und es kommt zu Vulkanausbrüchen. Schwefelverbindungen in den Eruptionen färben die Mondoberfläche in Rot-, Gelb-, Weiß-, Schwarz- und Grüntönen.
Es gab nie eine spezielle Mission zu Io, sondern nur Missionen, die Bilder beim Vorbeiflug machten, darunter Galileo, Voyager 1, Cassini, New Horizons und Juno, die aktuelle Jupiter-Mission der NASA. Aber Io ist faszinierend und einzigartig und kann uns viel lehren.
Planetenforscher möchten mehr über die geologischen Prozesse des Mondes erfahren. Io gilt als Welt mit hohem Wärmefluss und Wissenschaftler möchten mehr über seine Gezeitendissipation erfahren. Das Studium von Io kann uns auch mehr über primitive Planetenkörper verraten, die einst vulkanischen Ursprungs waren, was bei der Erde in ihrer frühen Geschichte wahrscheinlich der Fall war.
Io kann uns auch mehr über vulkanische Atmosphären erzählen, die eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung der Umwelt eines Planeten spielen können. Dies 2020-Papier stellt eine Verbindung zwischen der vulkanischen Aktivität der Erde und dem Großen Sauerstoffereignis her, einer kritischen Periode, in der sich Sauerstoff in der Erdatmosphäre ansammelte. Ein besseres Verständnis der Verbindung zwischen vulkanischer Aktivität und atmosphärischer Entwicklung wird uns helfen, Exoplaneten und Bewohnbarkeit besser zu verstehen.
Wissenschaftler wissen, dass die Galileischen Monde Material mit der Atmosphäre und Magnetosphäre des Jupiters austauschen. Sie wissen auch, dass Material, das von Ios Vulkanen ausgestoßen wird, die Oberflächen der anderen Monde erreichen kann. Ein Teil davon kann durch Jupiters starke Magnetosphäre in Plasma umgewandelt werden und so Ios Plasmatorus bilden. Sie sind neugierig auf diesen Massenaustausch im Jupitersystem und wie er die Monde geformt hat.
Dies sind die Gründe für eine gezielte Mission nach Io.
Im Jahr 2010 schlugen Wissenschaftler der University of Arizona und des Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University erstmals den Io Volcano Observer (IVO) als Teil des Discovery-Programms der NASA vor. IVO wurde als kostengünstige Mission zur Erforschung des Vulkanmondes des Jupiters vorgeschlagen. Sie wurde 2015 und 2019 erneut vorgeschlagen. Im Jahr 2020 wurde IVO zusammen mit zwei anderen Missionen für weitere Studien ausgewählt, verlor jedoch letztendlich gegen die Missionen DAVINCI+ und VERITAS zur Venus.
Nun gibt es einen weiteren Vorschlag für den Io Volcano Observer, diesmal jedoch im Rahmen des New Frontiers Program der NASA. Der neue Vorschlag zeigt, dass der Wunsch nach einer Io-fokussierten Mission nicht nachlässt. Im Gegenteil, er gewinnt an Fahrt.
In einem neues Papier noch immer Gegenstand eines Peer-Reviews, präsentiert eine Gruppe überwiegend amerikanischer Wissenschaftler ihre Argumente für das New Frontiers IVO. Der Titel lautet „Vergleich der Missionskonzepte der NASA Discovery und der New Frontiers-Klasse für den Io Volcano Observer (IVO)“ und ist verfügbar auf der arXiv Preprint-Server. Erstautor ist Christopher Hamilton vom Lunar and Planetary Laboratory der University of Arizona.
Die IVO NF würde unsere wissenschaftlichen Fragen beantworten, indem sie laut den Autoren drei Ziele erreicht:
Der ursprüngliche IVO-Vorschlag sah vor, dass die Raumsonde Io nach ihrer Mondankunft im Jahr 2033 innerhalb von vier Jahren zehnmal begegnet. Sie hätte fünf Instrumente an Bord gehabt, ein sechstes ist in Erwägung gezogen. Die IVO hätte Io von Pol zu Pol überquert und den Äquator in einer Höhe zwischen 200 und 500 Kilometern überquert.
Die engsten Annäherungen wurden sorgfältig geplant, um der Raumsonde die besten Beobachtungen des Magnetfelds, des Gravitationsfelds und der Librationsamplitude des Mondes zu ermöglichen. Die Annäherungen hätten auch sowohl Sonnen- als auch Dunkelheitsaufnahmen von Vulkanen ermöglicht, sodass die Raumsonde die Zusammensetzung der Lava untersuchen konnte. Die polare Perspektive hätte neue Ansichten der vom Mond ausgehenden Hitze ermöglicht, die Galileo nicht zur Verfügung standen und von der Erde aus nicht zu beobachten waren.
Der neue IVO NF-Vorschlag behält die polare Umlaufbahn des ursprünglichen IVO bei, verbessert sie aber in mehrerer Hinsicht. Universe Today sprach mit dem Hauptautor Christopher Hamilton über den neuen Vorschlag. Seine Bemerkungen wurden der Klarheit halber leicht bearbeitet.
Die erste Änderung im neuen Vorschlag betrifft die Zahl der Vorbeiflüge, die von 10 auf 20 erhöht würde.
„10 Vorbeiflüge für die ursprüngliche Discovery-ähnliche IVO-Mission würden wichtige Lücken in der Bildabdeckung schließen, die nach der Voyager- und Galileo-Ära noch nicht geschlossen wurden“, sagte Hamilton. Warum also die Zahl verdoppeln?
„Die neue Tour verdoppelt nicht nur die Bildabdeckung von Ios Oberfläche mit hochauflösenden Bildern, sondern ermöglicht auch mehr Vorbeiflüge an aktiven Vulkanen wie Loki, Loki Patera und Pillian Patera“, sagte Hamilton. „Dies sind hochdynamische Vulkansysteme, die aktive Lavaseen und explosive Eruptionen umfassen – ein Vorbeiflug an den Vulkansystemen reicht einfach nicht aus, um ihre zeitliche Variabilität und Eruptionsdynamik einzuschränken.“
Wie der Erdmond ist Io durch Gezeitenkräfte an Jupiter gebunden, wobei eine Seite besser für Studien zugänglich ist als die dem Jupiter zugewandte Seite. Aber Jupiters Einfluss auf Io ist viel stärker als der Einfluss der Erde auf den Mond. „Allerdings sind die Gezeitenwechselwirkungen zwischen Jupiter und Io viel stärker und erzeugen Gezeiten in festem Gestein mit einer Amplitude von etwa 100 m (328 Fuß), was höher ist als die Freiheitsstatue!“, sagte Hamilton.
Diese Gezeitenwechselwirkungen treiben Ios starken Vulkanismus an. „Studien des letzten Jahrzehnts haben jedoch gezeigt, dass diese Hitze auch eine Schicht im Inneren von Io geschmolzen hat, wodurch ein unterirdischer ‚Magmaozean‘ entstanden ist“, sagte Hamilton.
Die zehn Umlaufbahnen des ursprünglichen IVO mit seinem Magnetometer hätten diese Hypothese bestätigt oder widerlegt. Der neue Vorschlag wird eine verbesserte Version dieses Instruments beinhalten und mit mehr Umlaufbahnen könnte er Fragen über Ios Magmaozean beantworten.
„IVO-NF würde außerdem ein Fluxgate-Magnetometer an Bord haben. Durch die wiederholten Überflüge, die zeitlich so abgestimmt sind, dass das induzierte Magnetfeld von Io zu verschiedenen Zeitpunkten seiner Umlaufbahn gemessen werden kann, würde die Unsicherheit bei der Schätzung der Tiefe eines möglichen Magmaozeans erheblich reduziert“, sagte Hamilton.
Die derzeitige Unsicherheit beträgt ±10 km, aber IVO NF würde sie auf ±3 km reduzieren. Dies „würde unser Verständnis des Inneren von Io und der Zusammenhänge zwischen Gezeitenerwärmung und Vulkanismus revolutionieren“, sagte Hamilton gegenüber Universe Today.
„Sowohl IVO als auch IVO-NF sind großartige Missionen, aber die Verdoppelung der Anzahl der Vorbeiflüge bedeutet mehr als das Doppelte des wissenschaftlichen Ertrags einer Io-Mission!“, sagte Hamilton.
IVO-NF würde Io außerdem viel näher kommen als das ursprüngliche IVO. Die ursprüngliche Mission sah eine Höhe von 200 und 500 Kilometern (124 und 310 Meilen) über Ios Oberfläche vor. IVO-NF würde seine Mission mit Vorbeiflügen in großer Höhe beginnen, aber im weiteren Verlauf der Mission und mit Erreichen der Ziele würde es viel näher kommen.
„Mit 20 Vorbeiflügen kann IVO-NF noch mutiger sein, näher an Ios Oberfläche fliegen und sogar durch seine vulkanischen Fontänen hindurch, um die Chemie der ausgebrochenen Produkte in beispiellosem Detail zu bestimmen“, sagte Hamilton gegenüber Universe Today.
Die ersten Vorbeiflüge würden in einer Höhe von etwa 200 Kilometern stattfinden, „aber mit Fortschreiten der Mission und Erreichen der Basisziele werden wir in der Lage sein, die Höhe späterer Vorbeiflüge über aktiven Vulkanen wie Pele Patera zu verringern“, sagte Hamilton.
„Trotzdem würden wir diese Vulkane zunächst fotografieren und analysieren. Dabei würden wir die Sicherheit der Annäherung durch wiederholte Aufnahmen weiter erhöhen und Vorsichtsmaßnahmen treffen, wie zum Beispiel die Neuausrichtung der Solarmodule der Raumsonde, sodass sie seitlich durch die Rauchfahne fliegen und nicht den gesamten Querschnitt freigeben“, sagte Hamilton gegenüber Universe Today.
„Überflüge der Plumes auf Io würden auch die Tür zu weiteren Möglichkeiten für die Probenentnahme von Plumes auf Saturns aktivem Mond Enceladus öffnen.“
„Das mag gefährlich erscheinen, aber selbst in 50 km Höhe wären nur sehr wenige Partikel zu finden“, sagte Hamilton. Doch bevor die Raumsonde so nahe kommt, wird sie ihren Surface Dust Analyzer verwenden, um die Gefahr zu verstehen.
Dieses Instrument wurde mit höchster Priorität zum IVO-NF hinzugefügt. Es wird die Staubzusammensetzung auf der Erdoberfläche und die Zusammensetzung der Nanokörner in den Vulkanfahnen messen. Insgesamt wird es den Wissenschaftlern ein besseres Verständnis der Staubumgebung von Io ermöglichen und ihnen mitteilen, ob es sicher ist, sich bis auf 50 km zu nähern.
Laut Hamilton erleben wir eine Renaissance in der Erforschung des Jupitersystems.
„Dies ist eine wichtige Zeit in der Planetenerkundung, und die Erforschung des Jupitersystems erlebt eine Renaissance, wobei Juno, Europa Clipper und JUICE Jupiter, Europa und Ganymed gleichzeitig untersuchen“, sagte Hamilton gegenüber Universe Today.
Io ist ein wichtiger Teil des Mondsystems des Jupiters. Es liegt im Zentrum der orbitalen Resonanzkonfiguration zwischen Io, Europa und Ganymed, und die Resonanz treibt die geologische Aktivität auf allen drei Monden an, darunter Vulkanismus, tektonische Aktivität und die Bildung von Oberflächenmerkmalen.
„Juno hat einige wichtige Lücken gefüllt, die nach dem Ende der Galileo-Mission (1995–2003) geblieben waren, aber IVO und IVO-NF wären die ersten, die über eine Instrumentensuite verfügen, die speziell für Io optimiert ist“, sagte Hamilton.
Für intellektuell Neugierige ist alles in der Natur eine Untersuchung und ein tieferes Verständnis wert. Eine außergewöhnliche Welt wie Io ist da sicherlich keine Ausnahme, mit all dem, was sie uns über sich selbst, ihre Schwestermonde und sogar über die frühe Erde und den Mond zu erzählen hat.
„Unsere Arbeit argumentiert, dass Io ein vorrangiges Ziel für die Erforschung ist, das in der nächsten New Frontier Announcement of Opportunity berücksichtigt werden sollte“, sagte Hamilton gegenüber Universe Today. Er räumt ein, dass die ursprüngliche IVO-Mission auf Discovery-Niveau möglich ist, aber die IVO New Frontiers-Mission würde viel mehr leisten und unsere offenen Fragen zu Io gründlicher beantworten.
„Eine größere Mission nach Io über New Frontiers würde den wissenschaftlichen Ertrag der Mission mehr als verdoppeln und würde den besten Ansatz bieten, um nicht nur Io, sondern das Jupitersystem als Ganzes sowie die Ursprünge von Welten mit hohem Wärmefluss wie der frühen Erde, dem frühen Mond und anderen terrestrischen Planeten im Sonnensystem und darüber hinaus zu verstehen“, schloss Hamilton.
Weitere Informationen:
Christopher W. Hamilton et al., Vergleich der Missionskonzepte der NASA-Klassen Discovery und New Frontiers für den Io Volcano Observer (IVO), arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2408.08334