Io, la luna de Júpiter, ha sido un paisaje volcánico infernal desde los inicios del Sistema Solar
Esta imagen que revela la región polar norte de la luna joviana Io fue tomada el 15 de octubre de 2023 por el generador de imágenes JunoCam a bordo de la nave espacial Juno de la NASA. Dado que las latitudes altas no estaban bien cubiertas en las imágenes recogidas por las misiones Voyager y Galileo de la NASA, tres de los picos capturados aquí se observaron por primera vez. Estas montañas se ven en la parte superior de la imagen, cerca del terminador (la línea que divide el día y la noche).
La luna plateada de la Tierra es impresionante en muchos sentidos, pero no se puede comparar con las de los planetas gigantes gaseosos del sistema solar. Estas lunas son mundos en sí mismas. Algunas, como Europa o Encélado, tienen océanos de agua líquida espectaculares y quizá sean incluso habitables. Y luego está Io, la luna de Júpiter.
Io es el objeto más volcánico conocido por la ciencia. Sus mares rocosos de lava son más grandes que ciudades y sus columnas de erupción se arquean en el cielo como paraguas infernales. Sin embargo, hasta ahora la comunidad científica apenas tenía idea de la historia de Io, ni siquiera de cuánto tiempo ha estado en erupción. El vulcanismo de Io significa que la luna renueva su superficie cada millón de años.
Todos los mundos son dinámicos, y los que tienen corazones geológicos palpitantes cambian, a veces de forma extrema. El pasado de la Tierra, por ejemplo, era muy diferente de su forma actual. ¿Y Io? ¿Fue siempre un infierno ardiente?
Para averiguarlo, los astrónomos estudiaron la química de su atmósfera con el fin de averiguar cuánto tiempo podrían haber tardado las innumerables erupciones en modificar su composición desde un antiguo punto de partida. Sin embargo, según informan esta semana en la revista Science, Io parece haber estado en erupción de forma más o menos continua durante miles de millones de años, tal vez incluso 4500 millones de años, o desde que existe el propio Sistema Solar. En otras palabras, Io ha sido volcánicamente hiperactiva durante tanto tiempo como el propio Sol ha estado brillando.
Estas vistas compuestas que muestran la actividad volcánica de Io se generaron utilizando datos de luz visible e infrarrojos recogidos por la nave espacial Juno de la NASA durante los sobrevuelos de la luna joviana el 14 de diciembre de 2022 (izquierda) y el 1 de marzo de 2023. En ambas vistas, la imagen de la Luna (en grises y marrones moteados) procede de la cámara JunoCam. Las superposiciones de rojos, amarillos y blancos brillantes son datos del instrumento JIRAM (Jovian Infrared Auroral Mapper) de la nave espacial. Vistas comentadas como éstas pueden ayudar al equipo científico de Juno a comprender mejor la ubicación y las variaciones de los volcanes activos en la superficie lunar.
"Estamos viendo Io tal y como ha sido siempre", afirma Jani Radebaugh, geóloga planetaria de la Universidad Brigham Young (en Utah, Estados Unidos) y que no participó en el nuevo trabajo. Eso convierte a Io en una especie de máquina del tiempo, cuyo infatigable motor térmico (impulsado por las mareas gravitatorias) puede hablarnos de mundos cercanos y lejanos.
"Este proceso tiene lugar en todo el sistema solar, así como en los exoplanetas", explica Katherine de Kleer, astrónoma planetaria de Caltech y autora principal del estudio. "Estudiamos Io para comprender mejor este proceso universal".
Un paraíso volcánico
Puede que el Sistema Solar no parezca tan cambiante desde una perspectiva humana. Pero sin duda lo es en escalas de tiempo astronómicas. Por ejemplo, en los últimos años, los científicos han descubierto que los emblemáticos anillos de Saturno no son elementos permanentes, sino decoraciones recientes: se formaron hace unos cientos de millones de años y se desvanecerán en un periodo de tiempo similar.
Io, por tanto, puede no haber sido siempre el maestro volcánico que es hoy. Pero para averiguarlo, debemos entender cómo funciona su vulcanismo y por qué es tan espectacular.
En 1979, dos grandes acontecimientos científicos sentaron las bases: la nave espacial Voyager 1 de la NASA voló a través del sistema joviano y fotografió enormes penachos de materia volcánica elevándose sobre la superficie de Io, y un equipo independiente de científicos calculó que Io podría poseer una potente, pero inusual, fuente de calor.
Esa predicción matemática surgió de los extraños viajes de Europa y Ganímedes, un par de lunas cercanas a Io. Cada vez que Ganímedes hace una órbita completa de Júpiter, Europa hace dos, mientras que Io hace cuatro. Este ritmo, conocido como resonancia, altera la propia órbita de Io, dándole forma más elíptica que circular.
Cuando Io está más cerca de Júpiter en su órbita torcida, experimenta una atracción gravitatoria más fuerte; cuando está más lejos, la atracción gravitatoria de Júpiter es un poco más débil. Esto provoca mareas en Io similares a las que la Luna terrestre provoca en los mares y océanos de nuestro planeta. Pero en este caso, las mareas son tan fuertes que la superficie de Io sube y baja una altura de 100 metros, comparable a la de un pequeño rascacielos.
Todo ese movimiento crea mucha fricción, lo que genera una asombrosa cantidad de calor. Dentro de Io, ese calor funde una cantidad considerable de roca, creando quizás un océano de magma. Y eso provoca erupciones realmente feroces en su superficie, a menudo en forma de ríos de lava serpenteantes más largos que la mayoría de las versiones acuáticas de la Tierra, altísimas columnas de confeti de lava rica en azufre y calderas de roca líquida que actúan como portales hacia el inframundo de Io.
"Es impresionante", afirma de Kleer; "tiene estos volcanes que nos ofrecen una ventana a lo que ocurre en el interior de la Luna, algo que no solemos tener".
La naturaleza extrema de su vulcanismo no se limita a sus erupciones. Además de compuestos sulfurosos, expulsa gases de cloruro sódico y potásico. En la Tierra, los utilizamos para sazonar los alimentos. "Es como sal de mesa en forma de gas saliendo de los volcanes", dice de Kleer.
Gran parte de su material erupcionado también puede ser expulsado al espacio a través de la delgada burbuja atmosférica de Io. Allí, se mezcla con la luz solar, se excita eléctricamente, antes de caer en los cielos magnetizados de Júpiter y explotar en forma de poderosas auroras, la versión del gigante gaseoso de las auroras boreales y australes de la Tierra.
Luna loca
La fuente de calor de Io (un mecanismo conocido como calentamiento de marea) es la responsable última de toda esta brujería planetaria. La comunidad científica quería saber si ese calentamiento de marea existió siempre en el interior de la luna. Pero como es tan volcánicamente activa, sus flujos de lava han cubierto rápida y repetidamente su superficie, enterrando cualquier evidencia de antiguos procesos geológicos.
"No es posible observar la superficie de Io y decir algo sobre lo que ocurrió hace más de un millón de años", afirma de Kleer. Por eso ella y su equipo adoptaron un enfoque diferente y se fijaron en su cielo.
Io pierde hasta tres toneladas de material cada segundo en el espacio a través de su desgasificación volcánica y la erosión atmosférica. "Se podría decir que Io pierde masa como un cometa", afirma Apurva Oza, astrofísico planetario del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA que no participó en el nuevo trabajo.
Con el tiempo, esto significaría que las erupciones actuales de Io serán relativamente más ricas en versiones más pesadas (isótopos) de varios elementos químicos que en las más ligeras, porque los isótopos más ligeros de la atmósfera superior pueden escapar más fácilmente al espacio. Si el equipo pudiera medir las proporciones actuales de los isótopos pesados de la atmósfera con respecto a los isótopos más ligeros, podría calcular cuánto tiempo habría tardado Io en llegar a ese estado a partir de un depósito original de compuestos subterráneos, pero eruptibles, dentro de Io.
El equipo de De Kleer utilizó el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) de Chile para observar los gases de la atmósfera de Io, sobre todo el azufre. También calcularon la reserva "original" de isótopos más pesados y más ligeros de la luna utilizando (entre otras cosas) meteoritos antiguos, que conservan un registro de la química media de la era primigenia del Sistema Solar.
Descubrieron que la elevada proporción de isótopos de azufre más pesados en la atmósfera actual de Io sugiere que Io ha perdido entre el 94 y el 99 por ciento de su reserva original de azufre. Y la única forma de que eso tenga sentido, y encaje con los modelos preexistentes de la evolución de Júpiter y sus lunas interiores, es que Io haya estado en erupción quizá desde hace 4500 millones de años.
Danza orbital
"La dinámica orbital de los satélites planetarios puede llegar a ser muy caótica", afirma James Tuttle Keane, científico planetario del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA que no participó en el nuevo trabajo. Las lunas pueden entrar y salir de órbitas estables, a veces colisionar o ser expulsadas por completo de un sistema solar.
Pero parece que Io, Ganímedes y Europa llevan miles de millones de años danzando de forma similar, y "la Io que vemos hoy es en cierto modo representativa de Io a lo largo de su dilatada historia", afirma Keane.
Esto es extraordinario en sí mismo, pero también tiene implicaciones para la vecina de Io, Europa. Este orbe helado no sólo tiene un océano de agua líquida bajo su caparazón helado, sino que se cree que también se mantiene caliente y líquido por el calentamiento de las mareas. Esto significa que si Io ha sido volcánicamente activo durante miles de millones de años, el océano de Europa podría ser igualmente primitivo.
"Quizá esto tenga implicaciones para la historia a largo plazo de la habitabilidad de Europa", afirma de Kleer. Aún no sabemos si este océano contiene vida. Pero si es así, debe su existencia a la misma fuerza eterna que hace que Io arda con fuego volcánico.