راز دنیای جهنمی منظومه شمسی؛ درون آیو، قمر آتشفشانی مشتری چه می‌گذرد؟

اولین برخورد اسکات بولتون با آیو در تابستان سال ۱۹۸۰، درست پس از فارغ‌التحصیلی از دانشگاه و شروع کار در ناسا رخ داد. فضاپیمای وویجر ۱ از کنار این قمر مشتری عبور کرده بود و نخستین چشم‌اندازها از فعالیت آتشفشانی در دنیایی غیرزمینی را ثبت کرد. فوران‌های چتری‌شکل مواد مذاب از سراسر سطح آیو به فضا پرتاب می‌شدند. بولتون که اکنون در مؤسسه تحقیقاتی جنوب غربی در تگزاس فعالیت می‌کند، گفت: «آن‌ها به طرز شگفت‌انگیزی زیبا بودند. انگار یک هنرمند آن‌ها را کشیده بود. از این که چقدر ظاهر آیو با ماه ما متفاوت و عجیب بود، حیرت کرده بودم.»

از آن زمان، دانشمندانی مانند بولتون در تلاش‌اند که فعالیت‌های آتشفشانی آیو را درک کنند. بر اساس یک نظریه‌ی معروف، درست زیر پوسته‌ی آیو، اقیانوسی سرتاسری از ماگما پنهان شده است که انبوهی گسترده و پیوسته از سنگ مذاب را دربردارد. این نظریه با چندین مشاهده ازجمله توزیع نسبتاً یکنواخت آتشفشان‌های آیو همخوانی داشت که به نظر می‌رسید از یک منبع جهنمی و همیشگیِ مذاب تغذیه می‌شوند.

اما اکنون به نظر می‌رسد که جهنم آیو یا از بین رفته یا اصلاً وجود نداشته است. در جریان پروازهای اخیر فضاپیمای جونو ناسا بر فراز این قمر آتشفشانی، دانشمندان با اندازه‌گیری اثر گرانشی آیو بر جونو و بررسی کوچک‌ترین لرزش‌های فضاپیما، توزیع جرم و در نتیجه ساختار درونی قمر را مشخص کردند. این دانشمندان در نشریه‌ی نیچر گزارش دادند که چیز چشمگیری زیر پوسته‌ی آیو جابه‌جا نمی‌شود. بولتون که رهبری مأموریت جونو را بر عهده دارد، گفت: «هیچ اقیانوس کم‌عمقی وجود ندارد».

دانشمندان مستقل نیز هیچ ایرادی در این مطالعه نیافته‌اند. کاترین دی‌کلیر، دانشمند سیاره‌شناس در مؤسسه فناوری کالیفرنیا، گفت: «نتایج و کار انجام‌شده کاملاً قوی و بسیار قانع‌کننده است». این داده‌ها معمایی را که به دیگر دنیاهای سنگی نیز سرایت می‌کند، دوباره مطرح کرده‌اند. فعالیت آتشفشانی آیو با مکانیزمی به نام گرمایش کشندی هدایت می‌شود که در آن نیروی گرانشی، سنگ‌ها را ذوب می‌کند و ماگما را از سطح به بیرون می‌فرستد. آیو نماد این مکانیزم است، اما گرمایش کشندی بسیاری از دنیاهای دیگر، از جمله اروپا، قمر یخی مشتری را نیز گرم می‌کند؛ جایی که انتظار می‌رود این گرما اقیانوسی زیرزمینی از آب شور را حفظ کرده باشد. ناسا فضاپیمای ۵ میلیارد دلاری کلیپر را برای جستجوی نشانه‌های حیات در آسمان اروپا و در آن اقیانوس زیرزمینی به فضا فرستاده است.

اما اگر آیو اقیانوس ماگما نداشته باشد، این موضوع چه معنایی برای اروپا خواهد داشت؟ و حالا دانشمندان می‌پرسند: اصولاً گرمایش کشندی چگونه عمل می‌کند؟

حرارت، محرک زمین‌شناسی است؛ همان زیربنایی که از فعالیت آتشفشانی و شیمی جو گرفته تا زیست‌شناسی همه بر پایه‌ی آن ساخته شده‌اند. گرما معمولاً از زمان شکل‌گیری سیاره از طریق واپاشی عناصر رادیواکتیو به وجود می‌آید؛ اما اجرام کوچک‌تری مانند قمرها تنها مقادیر اندکی از این عناصر و گرمای باقی‌مانده را در اختیار دارند و زمانی که این منابع ته می‌کشند، فعالیت زمین‌شناسی آن‌ها نیز طبیعتاً متوقف می‌شود.

اما چیزی باعث می‌شود که اجرام کوچک در سراسر منظومه شمسی مدت‌ها پس از آنکه باید از لحاظ زمین‌شناسی مرده باشند، همچنان فعال بمانند. آیو شاخص‌ترین عضو این گروه اسرارآمیز است؛ تابلویی به رنگ‌های نارنجی سوخته، قرمز و قهوه‌ای، همچون نقاشی‌های جکسون پولاک. کشف دیگ‌های در حال جوش مواد مذاب در آیو یکی از مشهورترین داستان‌های علوم سیاره‌ای است، چرا که وجودشان پیش از کشف، پیش‌بینی شده بود.

در ۲ مارس ۱۹۷۹، مقاله‌ای در مجله ساینس به مدار عجیب آیو اشاره کرد. مدار این قمر به خاطر موقعیت و مدار قمرهای همسایه، بیضی شکل است. زمانی که آیو به مشتری نزدیک‌تر می‌شود، کشش گرانشی بیشتری از این غول گازی تجربه می‌کند. بر اساس استدلال نویسندگان پژوهش، نیروی گرانشی مشتری باید دائماً آیو را ورز بدهد و سطح آن را تا ۱۰۰ متر بالا و پایین بکشد و بر اساس محاسباتشان، درون آن گرمای اصطکاکی زیادی ایجاد کند. پژوهشگرها این مکانیزم را «گرمایش کشندی» نامیدند. آنها حدس زدند که آیو ممکن است داغ‌ترین جرم سنگی در سراسر منظومه شمسی باشد. به نوشته‌ی مؤلفان: «می‌توان گمانه‌زنی کرد که فعالیت آتشفشانی گسترده و مکرری در سطح رخ دهد».

تنها سه روز بعد، وویجر ۱ از کنار آیو عبور کرد. تصویری که در ۸ مارس گرفته شد، دو ستون عظیم فوران را نشان داد که از سطح این قمر به هوا بلند شده بود. پس از کنارگذاشتن همه‌ی دلایل دیگر، دانشمندان ناسا نتیجه گرفتند که وویجر فوران‌های آتشفشانی را در دنیایی بیگانه مشاهده کرده است. آن‌ها کشف خود را در ژوئن همان سال، تنها سه ماه پس از پیش‌بینی مجله ساینس، گزارش کردند.

جامعه‌ی علمی علوم سیاره‌ای خیلی سریع بر سر این ایده به توافق رسید که گرمایش کشندی درون آیو مسئول فوران‌های بی‌پایان سطح آن است. مایک سوری، ژئوفیزیکدان سیاره‌ای در دانشگاه پردو گفت:

بخش ناشناخته‌ای که طی چند دهه به شکل پرسشی بی‌پاسخ باقی مانده، این است که این گرمایش کشندی چه معنایی برای ساختار درونی آیو دارد. گرمایش کشندی دقیقاً در کجای آیو متمرکز شده و چه میزان گرما و مواد مذاب تولید می‌کند؟

فضاپیمای گالیله‌ی ناسا در حوالی آغاز هزاره‌ی جدید، سیاره‌ی مشتری و چندین قمر آن را بررسی کرد. یکی از ابزارهای این کاوشگر یک مغناطیس‌سنج بود که میدان مغناطیسی عجیب آیو را شناسایی کرد. این سیگنال ظاهراً از حجم زیادی از مایع رسانای الکتریکی سرچشمه می‌گرفت.

پس از سال‌ها پژوهش، دانشمندان به این نتیجه رسیدند که فضاپیمای گالیله در سال ۲۰۱۱، یک اقیانوس ماگمای سراسری را زیر پوسته‌ی آیو کشف کرده است. در حالی که گوشته‌ی زمین عمدتاً جامد و پلاستیکی است، تصور می‌شد که زیرسطح آیو با اقیانوسی از سنگ مذاب به ضخامت ۵۰ کیلومتر پر شده که تقریباً پنج برابر ضخامت عمیق‌ترین نقطه‌ی اقیانوس آرام است.

میدان مغناطیسی مشابهی نیز از اروپا می‌آمد که در این مورد ظاهراً توسط یک اقیانوس وسیع آب شور ایجاد شده بود. پیامدهای این کشف بسیار مهم بود: با مقدار زیادی ماده‌ی سنگی، گرمایش کشندی می‌تواند اقیانوس‌های ماگما ایجاد کند و با مقدار زیادی یخ، می‌تواند اقیانوس‌هایی از آب مایع سکونت‌پذیر به وجود بیاورد.

زمانی که فضاپیمای جونو در سال ۲۰۱۶ شروع به چرخش به دور مشتری کرد، باور به وجود اقیانوس ماگما در آیو به طور گسترده پذیرفته شده بود؛ اما بولتون و همکارانش می‌خواستند دوباره این موضوع را بررسی کنند.

جونو در طول پروازهای نزدیک در دسامبر ۲۰۲۳ و فوریه ۲۰۲۴ تا فاصله‌ی ۱۵۰۰ کیلومتری به سطح سوزان آیو نزدیک شد. اگرچه تصاویر چشمگیر از آتشفشان‌های فعال همه‌ی توجهات را به خود جلب کردند، هدف اصلی این پروازها این بود که مشخص شود آیا واقعاً اقیانوس ماگمایی زیر پوسته‌ی سنگی آیو وجود دارد یا خیر.

پژوهشگرها برای این بررسی از ابزاری غیرمنتظره استفاده کردند: فرستنده‌ی رادیویی جونو که سیگنال‌ها را ارسال و دریافت می‌کند. به دلیل توزیع ناهموار جرم آیو، میدان گرانشی آن کاملاً متقارن نیست. این میدان گرانشی ناهموار حرکت جونو را هنگام عبور کمی تغییر می‌دهد و باعث شتاب یا کاهش سرعت اندک می‌شود.

در نتیجه، انتقال‌های رادیویی جونو دچار اثر داپلر می‌شود، یا به عبارتی طول موج در پاسخ به میدان گرانشی نامتقارن آیو اندکی تغییر می‌کند. با بررسی این تغییرات بسیار کوچک در سیگنال‌ها، تیم بولتون توانست نقشه‌ای با دقت بالا از میدان گرانشی آیو تهیه و از آن برای تعیین ساختار درونی این قمر استفاده کند. اشلی دیویس، آتشفشان‌شناس آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا که در پژوهش شرکت نداشت، گفت: «اگر واقعاً اقیانوس ماگمایی جهانی وجود داشت، هنگام چرخش آیو به دور مشتری و تحت فشار نیروهای کشندی، تغییر شکل بسیار بیشتری مشاهده می‌شد.»

اما تیم بولتون این میزان از تغییر شکل را مشاهده نکرد. نتیجه‌گیری آن‌ها روشن بود. رایان پارک، نویسنده‌ی همکار مطالعه و محقق جونو در آزمایشگاه پیشرانش جت، گفت: «ممکن نیست اقیانوس ماگمای کم‌عمقی وجود داشته باشد که آتشفشان‌ها را تغذیه کند.»

پس چه چیزی ممکن است آتشفشان‌های آیو را تغذیه کند؟

روی زمین، مخزن‌های گسسته‌ای از انواع مختلف ماگما، از ماده‌ی چسبنده و قیرمانند که فوران‌های انفجاری را ایجاد می‌کند تا ماده‌ی روان‌تر و عسل‌مانندی که از برخی آتشفشان‌ها جاری می‌شود، در اعماق مختلفی از پوسته قرار دارند و همگی در نتیجه‌ی تعاملات صفحات تکتونیکی (قطعات متحرک سطح زمین) به وجود آمده‌اند. آیو فاقد تکتونیک صفحه‌ای و احتمالاً تنوع انواع ماگما است؛ اما پوسته‌ی آن ممکن است با مخازن ماگمایی پراکنده پر شده باشد. این یکی از فرضیه‌های اولیه بود تا اینکه داده‌های گالیله بسیاری را به سمت نظریه‌ی اقیانوس ماگما سوق داد.

پژوهش جدید، وجود یک اقیانوس ماگمایی بسیار عمیق‌تر را رد نمی‌کند؛ اما چنین ذخیره‌ای باید آن‌قدر غنی از آهن و چگال باشد (به دلیل عمق زیادش) که به‌سختی بتواند به سطح منتقل شود و فعالیت‌های آتشفشانی آیو را تغذیه کند. پارک گفت: «در عمق مشخصی، تشخیص این که ما با یک اقیانوس ماگمایی عمیق طرف هستیم یا با هسته‌ای مایع، دشوار می‌شود.»

به عقیده‌ی برخی، این مسئله‌ای حل‌نشدنی است. مغناطیس‌سنج گالیله نشانه‌هایی از اقیانوس ماگمای کم‌عمق را ثبت کرد، اما داده‌های گرانشی جونو به‌طور قاطع آن را رد کرده‌اند. جانی رادباگ، زمین‌شناس سیاره‌ای دانشگاه بریگم یانگ گفت: «پژوهشگرها واقعاً نتایج مغناطیس‌سنج را زیر سوال نمی‌برند، بنابراین باید آن را با بقیه‌ی داده‌ها تطبیق دهید.»

محققان در مورد بهترین تفسیر داده‌های گالیله اختلاف‌نظر دارند. فرانسیس نیمو، دانشمند سیاره‌ای دانشگاه کالیفرنیا در سانتا کروز و یکی از نویسندگان پژوهش جدید گفت: «سیگنال‌های مغناطیسی به‌عنوان بهترین مدرک برای وجود اقیانوس ماگما در نظر گرفته شدند، اما درواقع آن‌قدر هم قوی نبودند.» او توضیح داد که داده‌های استنتاجی نمی‌توانستند بین درون نیمه‌مذاب (اما هنوز جامد) و اقیانوس ماگمای کاملاً مایع تمایز قائل شوند.

شاید اصلی‌ترین دلیل بررسی آیو این باشد که اطلاعاتی را درباره اصول گرمایش کشندی آشکار می‌کند. موتور گرمایش کشندی آیو همچنان شگفت‌انگیز است. به وضوح می‌توان دید حجم زیادی ماگمای تغذیه‌کننده‌ی آتشفشان‌ها در حال تولید است؛ اما اگر این گرمایش یک اقیانوس ماگمایی زیرسطحی ایجاد نمی‌کند، آیا به این معنی است که گرمایش کشندی، اقیانوس‌های آب را نیز ایجاد نمی‌کند؟ دانشمندان همچنان اطمینان دارند که چنین است.

هیچ‌کس تردید ندارد که انسلادوس، قمر زحل که آن هم تحت گرمایش کشندی قرار دارد، دارای یک اقیانوس زیرزمینی آب شور است. فضاپیمای کاسینی نه تنها نشانه‌هایی از وجود آن کشف کرد، بلکه مستقیماً مقداری از آب فوران‌کرده از قطب جنوب این قمر را نمونه‌برداری کرد و اگرچه درباره‌ی وجود اقیانوس در اروپا کمی شک و تردید وجود دارد، بیشتر دانشمندان بر این باورند که چنین اقیانوسی وجود دارد.

اما اگر هر دو قمر تحت تأثیر گرمایش کشندی هستند، چرا فقط اروپا اقیانوس درونی دارد؟ به گفته‌ی نیمو: «تفاوتی بنیادی بین اقیانوس آب مایع و اقیانوس ماگما وجود دارد. ماگما می‌خواهد فرار کند؛ ولی آب واقعاً این میل را ندارد.» سنگ مایع چگالی کمتری نسبت به سنگ جامد دارد، بنابراین تمایل دارد به سرعت بالا بیاید و فوران کند؛ پژوهش جدید نشان می‌دهد که در آیو، ماگما مدت کافی در اعماق نمی‌ماند تا اقیانوس وسیع و به‌هم پیوسته تشکیل دهد؛ اما آب مایع، به طور غیرمعمول، چگال‌تر از فرم یخی خود است. به گفته‌ی سوری، آب مایع سنگین‌تر است، بنابراین در قالب اقیانوس جمع می‌شود.

سوری اضافه کرد: «فکر می‌کنم این پیام کلی این مقاله است.» گرمایش کشندی ممکن است در ایجاد اقیانوس‌های ماگما دچار مشکل شود؛ اما در قمرهای یخی، به لطف چگالی بسیار پایین یخ به راحتی می‌تواند اقیانوس‌های آبی ایجاد کند و این نشان می‌دهد که حیات ممکن است در بسیاری از محیط‌های سکونت‌پذیر سراسر منظومه‌ی شمسی راه خود را پیدا کند.

این کشف که آیو فاقد اقیانوس کم‌عمق ماگمایی است، نشان می‌دهد که چقدر درباره‌ی گرمایش کشندی کم می‌دانیم. دی‌کلیر گفت: «ما هرگز واقعاً نفهمیدیم که در کدام بخش از درون آیو، گوشته در حال ذوب‌شدن است و این مواد مذاب گوشته چگونه به سطح می‌رسد.»

ماه خود ما نیز نشانه‌هایی از گرمایش کشندی اولیه را نشان می‌دهد. قدیمی‌ترین کریستال‌های آن ۴٫۵۱ میلیارد سال پیش، از جریان ماده‌ی مذابی که بر اثر برخورد عظیمی از زمین پرتاب شده بود، تشکیل شدند؛ اما بسیاری از کریستال‌های قمری به نظر می‌رسد از یک منبع دوم ماگمایی در حدود ۴٫۳۵ میلیارد سال پیش ایجاد شده‌اند. سؤال اینجاست که ماگمای بعدی از کجا آمده بود؟

نیمو و همکارانش در مقاله‌ای که دسامبر گذشته در مجله نیچر منتشر شد، ایده‌ای مطرح کردند: شاید ماه زمین زمانی شبیه به آیو بوده است. در آن زمان ماه بسیار به زمین نزدیک‌تر بود و میدان‌های گرانشی زمین و خورشید بر سر کنترل آن با هم رقابت می‌کردند. در یک آستانه‌ی مشخص، زمانی که تأثیر گرانشی هر دو تقریباً برابر شد، احتمالا ماه مدتی در مدار بیضی‌شکل حرکت کرد و تحت گرمایش کشندی ناشی از نیروی گرانشی زمین قرار گرفت. احتمالا درون آن دوباره ذوب و باعث شکوفایی ثانویه و شگفت‌انگیز فعالیت آتشفشانی شد؛ اما همچنان مشخص نیست که گرمایش کشندی دقیقاً در کدام قسمت از درون ماه متمرکز بوده و بنابراین ذوب در کجا اتفاق افتاده است.

شاید اگر بتوانیم آیو و چند قمر دیگر منظومه شمسی را که موتورهای کشندی پنهانی دارند، درک کنیم، بتوانیم ماه خودمان را هم بهتر بفهمیم. فعلاً این گوی آتشفشانی همچنان رازآلود باقی مانده است. دیویس می‌گوید: «آیو موجودی پیچیده است. هرچه بیشتر آن را مشاهده می‌کنیم، داده‌ها و تحلیل‌ها پیشرفته‌تر و از سویی گیج‌کننده‌تر می‌شوند.»