ジュノーのマイクロ波放射計がイオの火山地殻直下の熱を捉える
NASAの探査機ジュノーは、木星のガリレオ衛星の中で最も内側を公転し、太陽系で最も火山活動が活発な天体であるイオの地表面下の温度を初めて計測した。2023年12月30日と2024年2月3日の2回の接近フライバイで収集され、2026年7月22日にJournal of Geophysical Research: Planets誌で発表されたこのデータは、衛星の地殻表層数メートルで20℃以上の温度上昇があることを明らかにし、広大な領域にわたって表面が予想外に滑らかで多孔質であることを示している。
この成果はジュノーが搭載するマイクロ波放射計（MWR）によるものである。MWRは6本のアンテナを備え、波長1.3センチメートルから51センチメートルのマイクロ波を同時に検出する。もともとは木星の厚い雲層を透視するために設計されたが、ジュノーの拡張ミッションでは木星のガリレオ衛星のうちガニメデ、エウロパ、イオの3つを観測するために使用されている。ガニメデとエウロパでは、この装置は氷の表面下数十マイルまで探査したが、イオの火山岩内部を観測できるようになったのは想定外の収穫だった。
2023年12月30日と2024年2月3日のフライバイでは、ジュノーはイオ表面の約1500キロメートル上空を通過した。MWRは深さ数センチメートルから数メートルにわたる上昇熱放射を測定した。各波長が異なる深さまで到達するため、6つのチャンネルを組み合わせることで浅い地下の鉛直温度プロファイルが得られる。
内部熱源を示す温度勾配
MWRのデータは、観測された全緯度において最低周波数チャンネルで大きなスペクトル傾斜を示し、表層数メートルにおける顕著な内部加熱の存在を明らかにした。地表面温度と比較して20℃以上の温度上昇が確認され、この勾配は大気のない世界を太陽光が温めるだけでは説明できないほど急峻である。
NASAジェット推進研究所のシャノン・ブラウンが率いる研究チームは、観測されたマイクロ波スペクトルを説明するために2つの単純なモデルを適用した。第1のモデルでは、熱は伝導性の表層を通じて安定的に上昇し、1平方メートルあたり1〜3ワットの背景熱流を生み出す。どの一地点で見ても小さな値であり、1平方ヤードあたりの小さなナイトライトに相当する程度だが、この熱流をイオの表面全体で積算すると、地球の全球平均の最大30倍に相当する熱放出量となる。
第2のモデルは、このシグナルが冷えつつある地殻の下に埋もれた比較的新しい溶岩流や熱噴出孔から発せられているとするものである。このシナリオでは、高温物質は地表から約10メートル下に存在し、常時イオの面積の約10パーセントを覆っているとされる。溶岩の年代は5年未満であり、衛星表面で噴出、埋没、冷却のサイクルが絶え間なく繰り返されていることを示唆している。
MWRのデータだけではこの2つのシナリオを区別することはできず、両方がイオの異なる地域で同時に作用している可能性もある。
軽石と火山灰のような表面
温度プロファイルに加えて、MWRの観測はイオ表面そのものの予想外の特性も明らかにした。イオはマイクロ波を鏡のような鏡面反射で反射しており、高い山々や火山性カルデラという目に見える地形とは裏腹に、100キロメートル規模で驚くほど滑らかな表面を持つことを示している。ブラウンは、山岳地帯を除けば、その表面は起伏に富んだ火山世界というより、むしろ北米のグレートプレーンズに近いと指摘した。
マイクロ波データはまた、表面物質の比誘電率を2〜4の範囲に制約した。これは表層10センチメートルの密度が1立方センチメートルあたり0.7〜1.1グラムであることに相当する。比較として、固い火山岩の密度は1立方センチメートルあたり約2.5〜3グラムである。この低密度は、イオの表面が固い岩石ではなく、高度に多孔質で砕屑性の物質、より具体的には軽石やふわふわした火山灰に近いことを示している。
この多孔質な表層は、おそらくイオを覆う火山噴出物の絶え間ない降下によるものと考えられる。表面全体に数百もの活火山が存在するイオでは、噴火によって緩やかな降下堆積物が堆積し、常に表面が更新され続けている。
潮汐加熱と全体像
イオの極端な火山活動は潮汐加熱によって駆動されている。イオが木星を公転する際、木星の巨大な重力が衛星を引き伸ばしたり圧縮したりする一方、隣接するエウロパとガニメデからの引力がイオの軌道をわずかに楕円形に保っている。この絶え間ない変形が内部に巨大な摩擦を生み出し、イオのサイズの衛星において放射性崩壊だけでは供給できないはるかに多くの熱を生成している。
ジュノーの観測結果は、潮汐熱がどのように岩石地殻を移動するかについての新たな観測窓を提供する。これまで科学者たちは、赤外線測定や噴火の直接観測によって、イオの表面から逃げる熱を観測することしかできなかった。MWRのデータは熱が浅い地下のどこに蓄えられ、どのように輸送されているかを示しており、研究者たちは潮汐エネルギーが内部から表面へとどのように流れているかを特徴づけることができるようになった。
この手法はイオを超えた意義を持つ。イオの火山活動を駆動するのと同じ潮汐力が、エウロパやエンケラドゥスでは地下の液体の水の海を維持している。潮汐加熱がイオの岩石質とエウロパの氷質という異なる地殻タイプを通じてどのようにエネルギーを分配するかを理解することは、惑星科学者がこれらの衛星をシステムとしてより良いモデルを構築する助けとなる。サウスウエスト研究所のジュノー主任研究員スコット・ボルトンは、マイクロ波放射測定法が岩石質の衛星表面下を観測できるという発見は、地球の火山研究にも重要な示唆を与えると述べている。
本論文の著者は、シャノン・ブラウン、ヴァージル・アデュミトロアイエ、スコット・ボルトン、アントン・エルマコフ、フェン・ジエンチン、スティーブン・レヴィン、マシュー・シーグラー、ヂャン・ジーモンであり、所属はJPL、カリフォルニア工科大学、サウスウエスト研究所、スタンフォード大学、惑星科学研究所、ハワイ大学である。ジュノーはNASAのニューフロンティア計画の一環として2011年8月に打ち上げられ、2016年7月6日に木星軌道に投入され、2026年7月5日に85回目のペリジョーヴを完了した。
雅子 訳