به لطف ماموریت جونو ناسا به منظومه مشتری، ما بهترین نگاهمان را به قمر آتشفشانی غول گازی آیو داریم. حتی همانطور که جونو بهترین دیدگاه ما را از ماه ارائه می دهد، سوالات موجود ما را نیز عمیق تر می کند. فقط یک ماموریت اختصاصی به Io می تواند به این سوالات پاسخ دهد و دو ماموریت پیشنهادی وجود دارد.
آیو به‌عنوان فعال‌ترین جهان از نظر زمین‌شناسی در منظومه شمسی شناخته شده است، و حتی نزدیک هم نیست. بیش از ۴۰۰ آتشفشان فعال دارد. آیو نزدیکترین قمر به مشتری است و گرانش قدرتمند این سیاره تا حد زیادی مسئول آتشفشانهای آیو است. همانطور که سیاره به سمت آیو می‌کشد، اصطکاک باعث گرمایش جزر و مدی در داخل ماه می‌شود. این ماگما ایجاد می کند و فوران های آتشفشانی آن را هدایت می کند. ترکیبات گوگرد در فوران ها سطح ماه را در سایه های قرمز، زرد، سفید، سیاه و سبز رنگ می کند.
هیچ‌گاه مأموریت اختصاصی برای آیو وجود نداشته است، بلکه فقط مأموریت‌هایی وجود داشته‌اند که در حین عبور از این قمر، تصاویری را ثبت کرده‌اند؛ از جمله مأموریت‌های گالیله، وویجر ۱، کاسینی، نیوهورایزنز و جونو، که مأموریت فعلی ناسا به سیاره مشتری است. اما آیو جذاب و منحصر به فرد است و می‌تواند نکات زیادی به ما بیاموزد.
دانشمندان سیاره‌شناسی می‌خواهند درباره فرآیندهای زمین‌شناسی ماه بیشتر بدانند. آیو یک جهان با شار گرما بالا در نظر گرفته می شود و دانشمندان می خواهند در مورد اتلاف جزر و مدی آن اطلاعات بیشتری کسب کنند. مطالعه آیو همچنین می‌تواند درباره اجرام سیاره‌ای بدوی که زمانی دوباره آتشفشانی بوده‌اند، اطلاعات بیشتری به ما بدهد، که احتمالاً زمین در اوایل تاریخ خود بوده است.
آیو همچنین می‌تواند درباره اتمسفرهای آتشفشانی که می‌توانند نقش حیاتی در شکل‌دهی محیط سیاره داشته باشند، اطلاعات بیشتری به ما بدهد. این مقاله ۲۰۲۰ پیوندی بین فعالیت آتشفشانی زمین و رویداد بزرگ اکسیژن‌رسانی، دوره‌ای بحرانی که اکسیژن در جو زمین انباشته می‌شود، ترسیم می‌کند. درک بهتر ارتباط بین فعالیت های آتشفشانی و تکامل جوی به ما در درک بهتر سیارات فراخورشیدی و قابلیت سکونت کمک می کند.
دانشمندان می دانند که قمرهای گالیله مواد را با جو مشتری و مگنتوسفر تبادل می کنند. آنها همچنین می‌دانند که موادی که از آتشفشانهای آیو پرتاب می‌شوند، می‌توانند به سطوح دیگر قمرها برسند. مقداری از آن می تواند توسط مغناطیس کره قدرتمند مشتری به پلاسما تبدیل شود و چنبره پلاسمایی آیو را تشکیل دهد. آنها در مورد این تبادل جرم در منظومه مشتری و اینکه چگونه قمرها را شکل داده است کنجکاو هستند.
اینها دلایل یک ماموریت اختصاصی به Io هستند.
در سال ۲۰۱۰، دانشمندان دانشگاه آریزونا و آزمایشگاه فیزیک کاربردی دانشگاه جان هاپکینز برای اولین بار رصدگر آتشفشان آیو (IVO) را به عنوان بخشی از برنامه اکتشاف ناسا پیشنهاد کردند. IVO به عنوان یک ماموریت کم هزینه برای کشف قمر آتشفشانی مشتری پیشنهاد شد. در سال ۲۰۱۵ و در سال ۲۰۱۹ مجدداً پیشنهاد شد. در سال ۲۰۲۰، IVO با دو مأموریت دیگر برای مطالعه بیشتر انتخاب شد اما در نهایت در مأموریت‌های +DAVINCI و VERITAS به زهره شکست خورد.
اکنون، پیشنهاد دیگری برای مشاهده‌گر آتشفشان آیو وجود دارد، اما این بار، آن تحت برنامه مرزهای جدید ناسا است. پیشنهاد جدید نشان می دهد که میل به یک ماموریت متمرکز بر Io از بین نخواهد رفت. در عوض، در حال افزایش است.
در مقاله جدیدی که هنوز در معرض بررسی همتایان قرار دارد، گروهی از دانشمندان عمدتاً آمریکایی مورد خود را برای New Frontiers IVO ارائه می‌کنند. عنوان آن ‘مقایسه مفاهیم ماموریت اکتشاف ناسا و کلاس مرزهای جدید برای رصدگر آتشفشان آیو (IVO) است.’ نویسنده اول کریستوفر همیلتون از آزمایشگاه قمری و سیاره ای دانشگاه آریزونا است.
به گفته نویسندگان، IVO NF با دستیابی به سه هدف به سؤالات علمی ما پاسخ می دهد:
تعیین کنید که چگونه و کجا گرمای جزر و مدی در داخل Io تولید می شود.
درک چگونگی انتقال گرمای جزر و مدی به سطح Io.
درک کنید که Io چگونه در حال تکامل است.
پیشنهاد اولیه IVO باعث شده بود که فضاپیما ده بار در چهار سال پس از رسیدن به ماه در سال ۲۰۳۳ با آیو مواجه شود. این فضاپیما پنج ابزار حمل می کرد که ششمین ابزار در دست بررسی است. IVO از قطبی به قطب دیگر از Io عبور می کرد و از روی استوا در ارتفاعی بین ۲۰۰ تا ۵۰۰ کیلومتر (۱۲۴ و ۳۱۰ مایل) می گذشت.
نزدیکترین رویکردها با دقت طراحی شده بودند تا فضاپیما بهترین مشاهدات میدان مغناطیسی، میدان گرانش و دامنه تابش ماه را داشته باشد. این رویکردها همچنین امکان مشاهده نور خورشید و تاریک آتشفشان ها را فراهم می کند و به فضاپیما اجازه می دهد تا ترکیبات گدازه را مطالعه کند. چشم انداز قطبی نماهای جدیدی از گرمای ساطع شده از ماه ارائه می کرد که برای گالیله در دسترس نبود و از زمین قابل مشاهده نبود.
پیشنهاد جدید IVO NF مدار قطبی IVO اصلی را حفظ می‌کند، اما آن را از راه‌های مختلفی بهبود می‌بخشد. Universe Today با نویسنده اصلی کریستوفر همیلتون در مورد پیشنهاد جدید صحبت کرد. اظهارات او برای وضوح کمی ویرایش شده است.
اولین تغییر در پیشنهاد جدید مربوط به تعداد پروازها است که از ۱۰ به ۲۰ افزایش می یابد.
هر دو IVO و IVO-NF مأموریت‌های عالی هستند، اما دو برابر کردن تعداد پروازها بیش از دو برابر بازگشت علمی از یک مأموریت Io را افزایش می‌دهد!
کریستوفر همیلتون، آزمایشگاه قمری و سیاره ای، دانشگاه آریزونا.
همیلتون گفت: ’۱۰ پرواز برای ماموریت اولیه IVO در سطح Discovery شکاف های مهمی را در پوشش تصویر پر می کند که پس از دوره ویجر و گالیله پر نشده است.’ پس چرا دوبرابر؟
همیلتون گفت: تور جدید نه تنها پوشش تصویر سطح Io را با تصویربرداری با وضوح بالا دو برابر می‌کند، بلکه امکان عبور بیشتر آتشفشانهای فعال مانند Loki، Loki Patera و Pillian Patera را نیز فراهم می‌کند. اینها سیستم‌های آتشفشانی بسیار پویا هستند که شامل دریاچه‌های گدازه فعال و فوران‌های انفجاری می‌شوند – یک عبور از روی سیستم‌های آتشفشانی برای محدود کردن تغییرپذیری زمانی و پویایی فوران کافی نیست.
مانند ماه زمین، آیو به طور جزر و مدی به مشتری قفل شده است، و یک طرف آن برای مطالعه آسان تر از سمت مشتری است. اما تأثیر مشتری روی آیو بسیار قوی تر از تأثیر زمین بر ماه است. با این حال، برهمکنش‌های جزر و مدی بین مشتری و آیو بسیار قوی‌تر هستند، جزر و مد هیجان‌انگیز در سنگ‌های جامد با دامنه حدود ۱۰۰ متر (۳۲۸ فوت) که از مجسمه آزادی بلندتر است! همیلتون گفت. این فعل و انفعالات جزر و مدی آتشفشانی قدرتمند آیو را هدایت می کند. همیلتون گفت: «با این حال، مطالعات دهه گذشته نشان داده است که این گرما لایه‌ای را در داخل Io ذوب کرده و یک اقیانوس ماگما را تشکیل می‌دهد.»
ده مدار اولیه IVO با ابزار مغناطیس سنج خود این فرضیه را تایید یا رد می کرد. پیشنهاد جدید نسخه بهبودیافته این ابزار را به همراه خواهد داشت و با مدارهای بیشتر، می‌تواند به پرسش‌هایی درباره اقیانوس ماگمای آیو پاسخ دهد.
همیلتون گفت: «IVO-NF همچنین یک مغناطیس‌سنج شاردار حمل می‌کند و با گذرهای مکرر، زمان‌بندی دقیق برای اندازه‌گیری میدان مغناطیسی القا شده Io در زمان‌های مختلف در مدارش، تا حد زیادی عدم قطعیت در تخمین عمق اقیانوس‌های ماگمایی بالقوه را کاهش می‌دهد». عدم قطعیت فعلی ۱۰± کیلومتر است، اما IVO NF آن را به ۳± کیلومتر کاهش می دهد. همیلتون به Universe Today گفت: این «درک ما از فضای داخلی آیو و پیوندهای بین گرمایش جزر و مد و آتشفشان را متحول خواهد کرد».
هر دو IVO و IVO-NF ماموریت های فوق العاده ای هستند، اما دو برابر شدن تعداد پروازها بیش از دو برابر بازگشت علمی از یک ماموریت Io را افزایش می دهد! همیلتون گفت.
IVO-NF همچنین به Io بسیار نزدیکتر از IVO اصلی نزدیک می شود. ماموریت اولیه به ارتفاع ۲۰۰ و ۵۰۰ کیلومتری (۱۲۴ و ۳۱۰ مایلی) از سطح آیو نیاز داشت. IVO-NF ماموریت خود را با پروازهای بلند آغاز می کرد، اما با پیشرفت ماموریت و رسیدن به اهداف، بسیار نزدیکتر می شد.
همیلتون به Universe Today گفت: «با ۲۰ پرواز، IVO-NF می‌تواند جسورتر باشد، به سطح آیو نزدیکتر شود و حتی از میان ستون‌های آتشفشانی آن پرواز کند تا شیمی محصولات فوران‌شده‌اش را با جزئیات بی‌سابقه تعیین کند.
همیلتون گفت: پروازهای اولیه در حدود ۲۰۰ کیلومتر خواهد بود، ‘اما با پیشرفت ماموریت و دستیابی به اهداف پایه، ما قادر خواهیم بود ارتفاع پروازهای بعدی را بر فراز آتشفشان های فعال مانند پله پاترا کاهش دهیم.’
با این وجود، ما ابتدا از این آتشفشان ها تصویربرداری و تجزیه و تحلیل می کنیم و از پوشش تکراری برای محدود کردن بیشتر ایمنی رویکرد نزدیک استفاده می کنیم و اقدامات احتیاطی مانند تغییر جهت پانل های خورشیدی فضاپیما را انجام می دهیم تا به جای افشای نور، از میان ستون پرواز کنند. همیلتون به Universe Today گفت. «پرواز توده‌ای برای آیو همچنین دریچه‌ای را برای دیگر فرصت‌های نمونه‌برداری برای پرها در قمر فعال زحل، انسلادوس، باز می‌کند.»
همیلتون گفت: ‘این ممکن است خطرناک به نظر برسد، اما حتی در ارتفاعات ۵۰ کیلومتری، ذرات بسیار کمی وجود خواهد داشت.’ اما قبل از اینکه فضاپیما به آن نزدیک شود، از آنالیز گرد و غبار سطحی خود برای درک خطر استفاده می کند. این ابزار به عنوان اولویت اصلی به IVO-NF اضافه شد. ترکیب گرد و غبار سطحی و ترکیب نانوذرات در توده های آتشفشانی را اندازه گیری می کند. به طور کلی، به دانشمندان درک بهتری از محیط گرد و غبار Io می دهد و به آنها اطلاع می دهد که آیا نزدیک شدن به ۵۰ کیلومتر ایمن است یا خیر.
به گفته همیلتون، ما در حال تجربه یک رنسانس در کاوش سیستم Jovian هستیم.
همیلتون به Universe Today گفت: این زمان مهمی در اکتشاف سیاره‌ای است، و اکتشاف منظومه مشتری در حال رنسانس است، با جونو، اروپا کلیپر و JUICE همزمان مشتری، اروپا و گانیمد را بررسی می‌کنند. آیو بخش مهمی از منظومه قمر مشتری است. این در قلب پیکربندی رزونانس مداری بین آیو، اروپا و گانیمد قرار دارد، و تشدید فعالیت های زمین شناسی را در هر سه قمر، از جمله آتشفشان، فعالیت های زمین ساختی، و تشکیل ویژگی های سطحی، هدایت می کند.
همیلتون گفت: «جونو چند شکاف مهم باقی مانده پس از پایان مأموریت گالیله (۱۹۹۵-۲۰۰۳) را پر کرده است، اما IVO و IVO-NF اولین ابزارهایی هستند که به طور خاص برای Io بهینه شده است.
برای افراد کنجکاو فکری، همه چیز در طبیعت شایسته مطالعه و درک عمیق تر است. دنیای خارق‌العاده‌ای مانند آیو مطمئناً از این قاعده مستثنی نیست، با همه چیزهایی که درباره خود، ماه‌های خواهر و برادرش و حتی در مورد زمین و ماه اولیه به ما می‌گوید.
همیلتون به Universe Today گفت: مقاله ما نشان می‌دهد که Io یک هدف اولویت‌دار برای اکتشاف است که باید در اعلام فرصت جدید مرزی بعدی در نظر گرفته شود. او تصدیق می‌کند که مأموریت اولیه IVO در سطح Discovery امکان‌پذیر است، اما مأموریت IVO New Frontiers کارهای بیشتری را انجام می‌دهد و به سؤالات برجسته ما در مورد Io به طور کامل‌تر پاسخ می‌دهد.
یک ماموریت بزرگ‌تر به آیو از طریق مرزهای جدید، بازگشت علمی این ماموریت را بیش از دو برابر می‌کند و بهترین رویکرد را برای درک نه تنها آیو، بلکه سیستم مشتری به عنوان یک کل و منشاء جهانی با شار گرمایی بالا ارائه می‌دهد. همیلتون نتیجه گرفت که زمین اولیه، ماه اولیه و دیگر سیارات زمینی در منظومه شمسی و فراتر از آن وجود داشته‌اند.
