Simulación digital de la radiación en Pillar Patera antes del vuelo de la sonda Galileo. Animación disponible

4 de octubre de 1999: Treinta años antes, cuando las sondas Voyager visitaron Júpiter, si hubieran descrito Io a un crítico literario, lo habrían hecho dentro la más increíble ciencia ficción. La extraña luna de Júpiter está literalmente salpicada de volcanes. Docenas de activos cráteres salpican el paisaje, que incluye también inmensas llanuras heladas, montañas como torres y anillos volcánicos del tamaño de California. Los mismos volcanes son las manchas más calientes del sistema solar, con temperaturas que sobrepasan los 1800ºK (1527ºC). Los penachos que alcanzan los 300 Km. en el espacio son tan grandes que pueden ser vistos desde la Tierra por el telescopio Hubble. Estas eyecciones parecen compuestas no de lava abrasadora sino de helado dióxido de azufre. En las alturas Io parece una llamativa 'pizza de pepperoni'. Simplemente increíble.

Desde que los primeros penachos volcánicos fueron descubiertos por el Voyager en 1979, Io ha permanecido bajo un intenso escrutinio. Astrónomos usando telescopios terrestres han podido monitorizar grandes erupciones volcánicas desde la Tierra, mediante la grabación de los estallidos de emisiones de rayos infrarrojos. Estas medidas combinadas con los datos del Voyager y del Galileo muestran que algunos volcanes de Io han estado activos desde al menos 20 años antes.

Para un mundo dominado por abrasadores volcanes, es curioso que Io sea también muy fría. El suelo alrededor de los cráteres volcánicos es literalmente sofocante, pero gran parte de la superficie de Io se encuentra a 150 grados por debajo de 0ºC. La tenue atmósfera de la luna atrapa muy poco del escaso calor emitido por el distante Sol. Tan pronto como los gases volcánicos son arrojados al aire, empiezan inmediatamente a condensarse y congelarse. Los penachos de los volcanes de Io están probablemente formados de nieve sulfurosa.

Esta composición en falso color infrarrojo de la luna de Júpiter, Io, se ha producido con imágenes obtenidas en Julio y Septiembre de 1996 por la sonda Galileo de la NASA. El área mostrada abarca 11,420 Km. de ancho. Depósitos de dióxido de azufre helado aparecen en colores blanco y gris mientras que los colores amarillentos y marrones probablemente se deben a otros materiales sulfurosos. El dióxido de azufre es normalmente un gas a temperatura ambiente pero existe en la superficie de Io helado después de condensarse proveniente de las emanaciones gaseosas de los volcanes. Los materiales rojo brillante (como el destacado anillo que rodea al penacho de Pele) y las marcas con poca brillantez o albedo (manchas negras) muestran áreas de reciente actividad volcánica que son normalmente asociadas con altas temperaturas y cambios superficiales.

'Io tiene multitud de áreas termales, como Yellowstone', declara Hill Smythe del JPL. 'Los penachos volcánicos atraen la mayor parte de nuestra atención pero hay probablemente otros elementos como fumarolas y géiseres. En un sobrevuelo previo los instrumentos medidores de Partículas y Campos, detectaron un déficit de partículas energéticas sobre Io, probablemente donde el gas estaba difundiéndose por la superficie aunque no fueron vistos penachos volcánicos. Llamamos a este fenómeno la 'hipótesis del penacho sutil'. Lo más parecido que encontramos en la Tierra puede ser el geiser de agua Old Faithful. De hecho, si lo colocamos sobre la superficie de Io,..¡ alcanzaría los 37 Km. de altura!'.

El intenso volcanismo en Io es el resultado de mareas, en su de otro modo sólida superficie, que alcanzan los 100 m. de altura, producidas por la cercanía de Júpiter y de otros satélites galileanos. Aunque este proceso es bastante bien conocido, muchos aspectos del dramático medio ambiente de Io permanecen en el misterio. ¿Qué mecanismo permite que la lava alrededor de los cráteres volcánicos sea tan increíblemente caliente? ¿De que están hechos los penachos volcánicos? ¿Qué produce la cantidad de intensos colores en la moteada superficie de Io? Los científicos esperan que éstas y otras muchas cuestiones tengan finalmente respuestas después de que la sonda Galileo realice dos atrevidas pasadas a menos de 620 Km. sobre la superficie de Io el 11 de Octubre y el 25 de Noviembre de 1999. En Noviembre, Galileo incluso puede pasar a través del penacho de Pillan Patera, siendo la primera nave especial en volar a través de un volcán extraterrestre.

'Para el sobrevuelo del 11 de Octubre nos dirigiremos a los cuatro mayores volcanes', dice Duane Bindschandler del JPL, jefe del equipo de Operaciones y Planificaciones científicas del Galileo, 'Pillan Patera, Prometheus (el más destacado de la superficie), Loki y Pele. Las fotografías serán espectaculares. Para poder comparar, las mejores imágenes del Voyager tenían 500 m. de resolución. Ahora transmitiremos 100 imágenes por lo menos igual de buenas, y las mejores imágenes mostrarán detalles de solo 7 metros'

'Pero no solo queremos pasar la cámara alrededor de su superficie' …continuó con sus declaraciones. Todos los instrumentos de la nave, darán una vuelta en el sobrevuelo. Lo más importante para la ciencia vulcanológica es probablemente la cámara de imagen de estado sólido (SSI), el espectrómetro de infrarrojo cercano (NIMS) y el foto polarímetro y radiómetro (PPR).

Las manchas brillantes en esta imagen indican la localización de los cráteres volcánicos en Io, que están eyectando lava caliente. Esta imagen y otros datos de la sonda espacial Galileo indican que la lava en Pillar Patera (señalado Pillar), excede los 1700º K (1427º C) y pueden alcanzar los 2000º K (1727º C). Las erupciones más calientes en la Tierra alcanzan temperaturas de 1500º K (1227º C) aproximadamente, pero eso sucedió hace billones de años. [más información]

Cada uno de estos instrumentos tiene encargada una misión distinta. NIMS será usado para deducir la composición de los penachos, ríos y otros rasgos superficiales. El PPR medirá la polarización y la intensidad de la luz solar y de la radiación termal. Esto ayudará a los científicos a entender de que están hechos la atmósfera y los gases volcánicos, y que elementos son calentados. La cámara SSI toma imágenes con luz visible de alta resolución. Cada una de las tres puede ser usada también como termómetro para medir la temperatura de los rasgos que presenta Io. NIMS y PPR son mucho mejores leyendo la temperatura de los materiales fríos como los penachos y el suelo helado. Alrededor de las manchas calientes que superan los 700ºK (427ºC), donde se saturan los detectores del NIMS y del PPR, la cámara SSI puede ser usada para estimar la temperatura. Con el uso de SSI, NIMS y PPR juntos, los científicos esperan obtener una más completa descripción de la actividad volcánica de Io.

'El mayor misterio relacionado con los volcanes de Io, es el porqué son tan calientes' dice Bill Smythe, coinvestigador del equipo del NIMJS en el JPL. 'A 1800º K (1527º C) los cráteres están a 1/3 de la temperatura del Sol aproximadamente! Hace billones de años la lava basáltica de la Tierra era casi así de caliente, pero ahora- debido a la mezcla de las zonas de subducción – los basaltos terrestres tienen un bajo punto de fusión. Las lavas que podemos contemplar ahora en la Tierra están a 300º K (27º C), más frías de lo que acostumbran estar. Es realmente sorprendente ver las corrientes de lava en Io tan calientes como las más antiguas de la Tierra. ¿Por qué? Simplemente porque el suelo de Io ha sido remodelado muchas, muchísimas veces, por lo que las temperaturas de fusión deberían ser más bajas, por el mismo motivo que los basaltos de la Tierra también deberían fundir a una temperatura más baja. Es realmente un misterio'.

'Originalmente se creía que toda la lava que fluía era sulfurosa, pero el sulfuro se vaporiza a 700º K (427º C). Las regiones a 1800º K (1527º C) han de ser basálticas. Ahora la cuestión es, ¿son algunos de los flujos de lava sulfurosos? La sonda espacial Galileo ha detectado áreas en Io con temperaturas entre 300 y 600º K (27 y 327º C). Esas temperaturas son adecuadas para el sulfuro fundido. Pero pueden haber lugares donde diminutos cráteres volcánicos a 1800º K (1527º C) aproximadamente, estén rodeados por subsuelo helado. Desde la distancia la temperatura promedio presenta valores entre 300 y 600º K (27 y 327º C). Necesitamos datos de alta resolución para entender qué está pasando. Si somos afortunados la sonda Galileo sobrevolará justo sobre una de estas manchas en Octubre y tendremos entonces la respuesta'.

Comprender el balance entre el vulcanismo de los sulfuros y los silicatos (basálticos) es importante para los científicos que están tratando de comprender como es calentado el núcleo de Io. El sulfuro posee un bajo punto de fusión por lo que no se necesita demasiada energía para convertirse en lava. Los flujos basálticos si que requieren un calor interno más elevado.

Esta imagen del Voyager de Ra Patera, un gran campo volcánico en Io, muestra flujos coloreados de 200 millas de largo (320 Km.) emanando desde el oscuro cono volcánico central. Imagen © Calvin J. Hamilton Más información

'Otra cosa que obtendremos de los vuelos cerrados son imágenes de alta resolución de los flujos de lava' continua Smythe. 'Queremos realmente conocer porque son así los bordes y las formas de los flujos de lava, porque eso nos puede informar sobre las propiedades de la lava. En la Tierra la lava fluye desde pequeños lóbulos hasta extrusiones que parecen brazos, pies o dedos. Alcanzan en tamaño desde unos pocos centímetros hasta metros. Por experimentos realizados en la Tierra, sabemos como estimar la viscosidad de la lava y otras propiedades de los materiales que componen las formas y tamaños de los dedos. Es eso lo que queremos hacer en Io, pero la mejor resolución de la que disponemos ahora es de 1km. En una aproximación más cercana tendremos resoluciones de solo 7 metros. Cuando empecemos a ver como se forman los dedos, sabremos de que clase de lava están hechos'.

Algunos de los resultados más interesantes del próximo sobrevuelo serán producidos por la gran mejora en la resolución. Por ejemplo la mejor resolución de los datos actuales del NIMS son de solo 60 Km.

'Puede haber mucho escondido en 60 km.' puntualiza Smythe. 'En los sobrevuelos más cercanos NIMS observará aspectos de solo cientos de metros de ancho. Eso será lo primero'.

'Otra cosa que estamos esperando obtener en Octubre es observar un penacho de perfil cuando la nave pase y mire hacia atrás, sobre el limbo', continua Smythe. 'Mirando la polarización que presente la luz del Sol cuando atraviese el penacho con el PPR, podremos obtener alguna información valiosa sobre la temperatura y la densidad de las partículas que salen de los cráteres volcánicos'.

Io digital

Aquí en la Tierra los científicos están impacientes esperando los nuevos datos. Por ejemplo, en la Universidad de Texas, el doctor David Goldstein y los estudiantes graduados J. Víctor Austin y Ju Zhang, siguiendo los trabajos pioneros de Sue Keefer, han trabajado durante años en simulaciones por ordenador de los penachos volcánicos de Io. Usando una técnica de simulación directa denominada 'Método Monte Carlo', introducen en un test computerizado las partículas lanzadas desde un cráter volcánico modelo. El programa de la Universidad de Texas sigue el movimiento de las partículas eyectadas teniendo en cuenta las colisiones entre moléculas, la energía procedente del torus de Io y la energía perdida por la radiación infrarroja. Variando el tamaño del cráter, la temperatura y la velocidad del gas eyectado, y la temperatura del terreno circundante pueden relacionar el aspecto de su simulación y las fotografías de las sondas espaciales de la NASA. Algunas veces este procedimiento conduce a nuevos datos sobre la dinámica de fluidos y la física de los volcanes de Io.

'Los próximos vuelos pueden mejorar sustancialmente nuestros modelos mediante sus lecturas en condiciones extremas', dice Goldstein. 'Necesitamos saber multitud de cosas. ¿De donde proceden la velocidad y la temperatura de las partículas de los cráteres volcánicos? ¿Cómo interactúan las moléculas con la superficie? ¿Se adhieren inmediatamente o rebotan? etc...'

'En la actualidad cuando miramos una fotografía de un penacho volcánico, realmente no estamos seguros de lo que vemos. Puede ser gas, puede ser polvo mezclado con el gas, o gas que ha condensado en forma de cristales helados. Asumimos que aunque son trazas de gas volcánico no tenemos completa seguridad de ello. Afortunadamente los sobrevuelos de la sonda resolverán algunos de estos problemas'.

Esta imagen es un fragmento de una simulación por ordenador del gas fluyendo de un penacho volcánico. El cráter se encuentra en la intersección de los ejes vertical y horizontal. Los colores representan la temperatura del gas. El rojo es caliente y el azul frío. En este modelo el gas inicia a 200º K (-73º C) cerca del cráter. Se enfría mientras emerge y se expande, entonces se calienta de nuevo y atraviesa el manto. Un rasgo importante puede apreciarse a los 150 Km. del cráter cuando el gas cae y golpea el suelo. Las eyecciones gaseosas calientan y posiblemente erosionan la helada superficie sulfurosa, sacando a la luz la suciedad y las rocas del subsuelo. [más información]

En uno de los modelos de la Universidad de Texas, ilustrado a la derecha, el gas es eyectado del cráter a una velocidad 2.7 veces la del sonido, a la tenue atmósfera de Io. La elevación del gas se aproxima a los 120 Km. Una buena parte del material aterriza en un radio de 150 Km. aproximadamente donde golpea y rebota en el suelo. Justo antes de que impacte en la superficie los gases pasan a través de una enorme ola que los caliente hasta 200 o 300º K (-73 a 27º C).

'Uno de los rasgos más importantes de este modelo es el impacto del manto', señala Victor Austin. 'Es donde el gas alcanza su punto más elevado y posteriormente cae sobre sí mismo. Una manera de comprender el impacto es imaginar una manguera de agua corriente sostenida fuertemente en el aire. El agua decelera debido a la acción de la gravedad y entonces cae. Lo mismo pasa a un penacho volcánico. Se eleva en la atmósfera y entonces la gravedad le empuja hacia abajo. En Io la ascensión de los 'fluidos' gaseosos es supersónica, de ese modo produce una sacudida cerca del punto de giro'.

'Es ahí donde los vuelos sobre Io pueden confirmar algunos de nuestros resultados. El gas se enfría rápidamente después de pasar a través del punto de impacto, de ese modo es posible que se forme un estrato de nieve sulfurosa en la región posterior a dicho punto. Verticalmente el punto de impacto es muy delgado, asi el estrato de cristales de hielo probablemente sea delgado también. Esto es algo que podremos observar en las imágenes de alta resolución de la sonda Galileo'.

Volcanes en Io, la luna de Júpiter, son comparados en estas imágenes de la sonda Galileo de la NASA tomadas a principios de Septiembre de 1996, con las de la sonda Voyager (izquierda) tomadas en 1979. Prometheus (el anillo brillante arriba a la derecha) fue el primero en ser visto como un volcán en erupción por la sonda Voyager y con un penacho activo todavía. Uno más pequeño fue descubierto en el volcán de Culann Patera (zona oscura abajo a la izquierda) por la sonda Galileo [más información]

'Otra cosa”, dice Goldstein, 'muchas de nuestras simulaciones muestran que el material caliente del penacho cae a 150 Km. del cráter. Creemos que eso puede explicar los anillos oscuros que vemos en algunas de las imágenes de la sonda (ver a la izquierda). Eso pueden ser “anillos de erosión”- situados donde el SO2 (dióxido de azufre) frío es calentado bajo el polvo y las rocas. Los cálculos de Victor muestran que estos mismos anillos están vacíos pero sus bordes son afilados. Si podemos ver estos bordes en las fotografías más cercanas, podrían ayudarnos a confirmar nuestros resultados. Algunos de los modelos también muestran un anillo de erosión secundario mucho más alejado del cráter. También podremos verlos en las nuevas imágenes. La erosión es una posibilidad, pero la coloración oscura puede deberse también simplemente a las deposiciones de material de distintos colores procedente del cráter'.

Cualquier cosa que el próximo sobrevuelo revele, seguro que los datos aportados mejorarán nuestra comprensión de los volcanes de Io. 'Los programas que estamos ejecutando son únicos', dice Goldstein, 'y estamos esperando probar nuestro código con los últimos datos'.

Galileo ha estado orbitando Júpiter y sus lunas desde Diciembre de 1995. Su misión principal finalizará en Diciembre de 1997. La sonda está actualmente cerca del final de la ampliación de dos años concedida a su misión que culminará con dos arriesgados sobrevuelos sobre los volcanes de Io al final de este año. Más información sobre la misión Galileo disponible en : http://www.jpl.nasa.gov/galileo/.

El JPL dirige el proyecto Galileo para la Oficina de Ciencia Espacial de la NASA, en Washington D.C. El JPL es una división del Instituto de Tecnología de California en Pasadena, Ca.