Scott Bolton beschäftigte sich erstmals im Sommer 1980 mit Io, kurz nachdem er nach der Universität bei der NASA angefangen hatte. Die Raumsonde Voyager 1 hatte beim Vorbeiflug am Jupitermond erstmals aktiven Vulkanismus auf einer Welt jenseits der Erde gesehen. Die Bilder der Sonde zeigten magmatisches Material, das in schirmförmigen Eruptionen von der gesamten Oberfläche von Io in den Weltraum entweicht. "Es war erstaunlich schön", sagt Bolton, der jetzt am Southwest Research Institute in Texas arbeitet:

Seitdem versuchen Forscher wie Bolton , den chaotischen Vulkanismus von Io zu verstehen. Eine der führenden Theorien besagt, dass sich unter der Mondkruste ein globaler Ozean aus Magma befindet, eine riesige, flüssige Gesteinsmasse. Diese Theorie passt gut zu einer Reihe von Beobachtungen, einschließlich derer, die eine annähernd gleichmäßige Verteilung der Vulkane auf Io zeigen, von denen angenommen wird, dass sie dieselbe kontinuierliche höllische Quelle anzapfen.

Jüngste Informationen deuten jedoch darauf hin, dass die Ionische Hölle nie existiert hat. Während eines kürzlichen Vorbeiflugs der NASA-Raumsonde Juno an dem vulkanischen Mond haben Experten den Einfluss der Schwerkraft von Io auf Juno gemessen und konnten aus den winzigen Ungleichgewichten in der Raumsonde die Massenverteilung des Mondes und damit seine innere Struktur bestimmen. Wie die Experten in der Zeitschrift Nature berichten, zeigen diese Messungen, dass sich direkt unter der Kruste von Io keine nennenswerte flüssige Masse befindet. Bislang haben unabhängige Experten keine Fehler in den Untersuchungen gefunden. "Die Arbeit und die Ergebnisse sehen absolut solide und ziemlich überzeugend aus", sagt die CalTech-Planetenforscherin Katherine de Kleer.

Die neuen Daten werfen eine Reihe von Fragen auf, die auch für andere Gesteinskörper gelten. Der Vulkanismus auf Io wird durch einen von der Schwerkraft angetriebenen Mechanismus, die Gezeitenerwärmung, angetrieben, bei der das Gestein zu Magma schmilzt und an der Oberfläche ausbricht. Io ist ein Paradebeispiel für diesen Mechanismus, doch die Gezeiten erhitzen auch viele andere Welten, darunter Ios Nachbar, den Eismond Europa, wo die Hitze vermutlich einen unterirdischen Salzwasserozean aufrechterhält. Die NASA hat bereits eine Raumsonde gestartet, um die Atmosphäre von Europa auf Anzeichen von Leben zu untersuchen, das sich möglicherweise in dem vermuteten Ozean versteckt.

Schmelzendes Magma

Wärme ist die treibende Kraft der Geologie, sie ist die Grundlage für alles, von der vulkanischen Aktivität bis zur Chemie der Atmosphäre und der Biologie. Wärme ist oft ein Überbleibsel aus der Entstehung eines Körpers und/oder aus dem Zerfall radioaktiver Elemente. Kleinere Körper wie Monde verfügen jedoch nur über geringe Reserven dieser Elemente und Restwärme, und wenn diese Reserven erschöpft sind, hört ihre geologische Aktivität auf. Zumindest sollte dies der Fall sein, aber es scheint, dass irgendetwas im Sonnensystem einigen kleinen Himmelskörpern geologische Aktivität verleiht, lange nachdem sie schon längst hätte aufhören müssen.

Io ist das aktivste Mitglied dieser mysteriösen Gruppe, und schon sein Aussehen ist aufschlussreich: Er sieht aus wie ein Jackson Pollock-Gemälde in Orange, Lila und Braun. Die Entdeckung des flüssigen Magmas ist eine der berühmtesten Geschichten der Planetenforschung, da seine Existenz schon vor seiner Entdeckung vorhergesagt wurde.

Am 2. März 1979 wurde in der Zeitschrift Science ein Artikel veröffentlicht, in dem die Autoren über die seltsame Umlaufbahn von Io spekulierten. Aufgrund der Position und der Umlaufbahn seiner Nachbarmonde ist die Bahn von Io eher elliptisch als kreisförmig. Und wenn sich der Mond näher am Jupiter befindet, wirkt die Anziehungskraft des Gasriesen stärker auf ihn ein als wenn er weiter entfernt ist. Die Autoren vermuten, dass die Schwerkraft des Jupiters Io daher ständig "durchknetet" und seine Oberfläche um bis zu 100 Meter auf und ab bewegt. Dies, so berechneten sie, erzeugt eine Menge Reibungswärme: ein Mechanismus, den sie Gezeitenheizung nannten.

Nur drei Tage später flog Voyager 1 an Io vorbei und bestätigte die Theorie sofort: Ein am 8. März aufgenommenes Bild zeigte zwei gigantische Eruptionen, die sich über der Oberfläche erhoben. Nachdem sie alle anderen Ursachen ausgeschlossen hatten, kamen die NASA-Forscher zu dem Schluss, dass Voyager vulkanische Eruptionen auf einer fremden Welt gesehen hatte. Ihre Entdeckung wurde im Juni, nur drei Monate nach der Vorhersage, in der Zeitschrift Science veröffentlicht.

Die Idee, dass die Gezeitenerwärmung im Inneren von Io für den Vulkanismus auf der Oberfläche verantwortlich sein könnte, hat die Planetenforscher schnell fasziniert. "Die offene Frage war jahrzehntelang, was dies für die innere Struktur bedeutet", sagt Mike Sori, ein Planetenphysiker an der Purdue University. Wo könnte sich die Gezeitenerwärmung im Inneren von Io konzentrieren, und wie viel Wärme wird dabei erzeugt?

Die NASA-Raumsonde Galileo untersuchte den Jupiter und einige seiner Monde um die Jahrtausendwende. Eines der Instrumente war ein Magnetometer, das ein seltsames Magnetfeld entdeckte, das von Io ausging. Das Signal schien von einer elektrisch leitenden Flüssigkeit zu stammen, und zwar von einer großen Menge davon. Nach mehrjährigen Untersuchungen kamen die Forscher im Jahr 2011 zu dem Schluss , dass Galileo einen globalen Magmaozean direkt unter der Kruste von Io entdeckt hatte.

Ein ähnliches Magnetfeld wurde bei Europa festgestellt, das vermutlich durch einen riesigen Ozean aus Salzwasser erzeugt wird. Die Schlussfolgerungen schienen klar: Durch die Gezeitenerwärmung können aus vielen Felsen Magmaozeane entstehen. Und viel Eis könnte potenziell bewohnbare Wasserozeane bilden.

Ex-Ozean

Als die Raumsonde Juno 2016 begann, den Jupiter zu umkreisen, wurde allgemein angenommen, dass Ion einen Magma-Ozean besitzt. Bolton und seine Kollegen wollten diese Theorie jedoch noch einmal überprüfen. Während der Missionen im Dezember 2023 und Februar 2024 kam Juno bis auf 1.500 Kilometer an die zerklüftete Oberfläche von Io heran. Obwohl die Bilder aktiver Vulkane die Hauptattraktion waren, bestand der Hauptzweck dieser Missionen darin, herauszufinden, ob es unter der felsigen Oberfläche des Mondes tatsächlich einen Ozean aus Magma gibt.

Um dies herauszufinden, nutzte das Team ein nicht ganz so offensichtliches Instrument : den Radiotransponder von Juno, der mit der Erde kommuniziert. Aufgrund der ungleichmäßig verteilten Masse von Io ist sein Gravitationsfeld nicht perfekt symmetrisch. Dieses ungleichmäßige Gravitationsfeld verändert die Bewegung von Juno beim Vorbeiflug auf subtile Weise, so dass die Sonde leicht beschleunigt oder verlangsamt wird.

Dies bedeutet, dass Junos Funkübertragungen dem Dopplereffekt unterliegen, bei dem sich die Wellenlänge aufgrund des asymmetrischen Gravitationsfeldes von Io leicht verschiebt. Anhand dieser kleinen Verschiebungen konnte Boltons Team ein hochpräzises Bild des Gravitationsfeldes von Io erstellen und damit die innere Struktur des Mondes bestimmen. "Wenn es wirklich einen globalen Magmaozean gäbe, müssten wir viel mehr Verzerrungen sehen, wenn Io den Jupiter umkreist und die Gezeitenkräfte seine Form verzerren und verändern", sagte Ashley Davies, ein Vulkanologe am Jet Propulsion Laboratory der NASA, der nicht an den neuen Forschungsarbeiten beteiligt war.

Boltons Team hat jedoch keine derartigen Verzerrungen gefunden. Ihre Schlussfolgerung war eindeutig.

- sagte Ryan Park, Mitverfasser der Studie, in der die Ergebnisse vorgestellt wurden, und Forscher im Rahmen des Juno-Projekts des Jet Propulsion Laboratory.

Aber was könnte die Vulkane auf Io noch speisen? Die Erdkruste enthält in unterschiedlichen Tiefen verschiedene Arten von Magma - von teerartigem, zähflüssigem Material, das explosive Eruptionen speist, bis hin zu flüssigem, honigartigem Material, das aus einigen Vulkanen fließt -, das durch die Wechselwirkung tektonischer Platten entsteht, den beweglichen Puzzlestücken, die die Erdoberfläche bedecken. Im Ion gibt es keine Plattentektonik und (vielleicht) nicht viel Magma, aber die Kruste kann trotzdem voller Magmaknäuel sein. Dies war eine der ursprünglichen Theorien, bis die Daten von Galilei viele Menschen von der Theorie des Magmaozeans überzeugten.

Die neuen Forschungen schließen das Vorhandensein eines viel tieferen Magmaozeans nicht aus. Dieser müsste jedoch aus Magma bestehen, das so eisenhaltig und dicht ist (wegen seiner großen Tiefe), dass es Schwierigkeiten hätte, an die Oberfläche aufzubrechen und die Vulkane von Io zu speisen. "Und ab einer bestimmten Tiefe ist es schwierig, zwischen dem, was wir noch als tiefen Magmaozean bezeichnen, und dem, was wir heute als flüssigen Magmaozean bezeichnen, zu unterscheiden", sagt Park.

Manche sagen, dies werfe unlösbare Probleme auf. Das Magnetometer von Galileo hat Anzeichen für einen flachen Magmaozean entdeckt, aber die Schwerkraftdaten von Juno schließen dies eindeutig aus. "Die Magnetometerergebnisse werden von niemandem wirklich angezweifelt und müssen daher mit allem anderen in Einklang gebracht werden", sagt Jani Radebaugh, Planetenforscher an der Brigham Young University.

Aber nicht alle Experten sind sich einig, wie die Daten von Galileo zu interpretieren sind. Die magnetischen Signale galten als der beste Beweis für das Vorhandensein eines Magmaozeans, aber sie waren eigentlich nicht so stark, sagt Francis Nimmo, Planetenforscher an der University of California und Mitautor der neuen Studie. Die Induktionsdaten unterscheiden nicht zwischen einem teilweise geschmolzenen (aber noch festen) Inneren und einem vollständig geschmolzenen Magmaozean, sagt er.

Schweres Wasser

Die Forscher untersuchen Io vor allem deshalb, um mehr über die Grundlagen der Gezeitenerwärmung zu erfahren. Die Gezeitenheizung von Io ist weiterhin beeindruckend, und offenbar wird eine Menge vulkanisches Magma produziert. Aber wenn dadurch kein unterirdischer Magma-Ozean entsteht, bedeutet das, dass die Gezeitenheizung auch keine Wasser-Ozeane erzeugen kann?

Die Forscher sind nach wie vor ziemlich zuversichtlich, dass sich solche Ozeane bilden können.

Die Raumsonde Cassini hat nicht nur Anzeichen für seine Existenz entdeckt, sondern auch direkt Proben entnommen, als Wasserdampf unter der Oberfläche am Südpol des Mondes hervorbrach. Und obwohl es einige Skeptiker gibt, ob Europa einen Ozean hat, sind sich die meisten Forscher einig, dass er existiert.

Im Gegensatz zum seltsamen Magnetfeld von Io, das auf einen Flüssigkeitsozean hinzudeuten schien, ist die Galileo-ähnliche magnetische Signatur von Europa robust. "Das Ergebnis ist für Europa ziemlich eindeutig", sagt Robert Pappalardo, ein Forscher am Jet Propulsion Laboratory. Der Eismond ist weit genug von Jupiter und der intensiven, mit Plasma gefüllten Weltraumumgebung von Io entfernt, um sein eigenes magnetisches Induktionssignal deutlich zu machen.

Aber wenn beide Monde durch die Gezeiten erhitzt werden, warum hat dann nur Europa einen inneren Ozean? Laut Nimmo besteht der grundlegende Unterschied zwischen einem Flüssigwasser- und einem Magmaozean darin, dass Magma ausbrechen will, Wasser aber nicht. Flüssiges Gestein hat eine geringere Dichte als festes Gestein, so dass es schnell aufsteigen und ausbrechen möchte. Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass das Magma im Inneren von Io nicht tief genug ist, um einen riesigen, kontinuierlichen Ozean zu bilden. Aber das flüssige Wasser ist ungewöhnlich dichter als seine feste Eisform. "Flüssiges Wasser ist schwer, daher sammelt es sich zu einem Ozean", sagt Sori. "Ich denke, das ist die wichtigste Botschaft der Forschung", fügt der Forscher hinzu.

Die Hölle...

Die Entdeckung, dass Ion selbst in geringer Tiefe wahrscheinlich keinen Magmaozean besitzt, zeigt, wie wenig wir über die Gezeitenerwärmung wissen. "Wir haben nie wirklich verstanden, wo der Mantel im Inneren von Io schmilzt und wie die Mantelschmelze an die Oberfläche kommt", sagt de Kleer.

Auch auf unserem Mond gibt es Anzeichen für eine alte Gezeitenerwärmung. Die ältesten Kristalle unseres Begleiters bildeten sich vor 4,51 Milliarden Jahren aus dem geschmolzenen Material, das nach einem gigantischen Einschlag von der Erde ausgestoßen wurde. Die meisten Kristalle auf dem Mond scheinen jedoch zu einem anderen Zeitpunkt, vor 4,35 Milliarden Jahren, aus geschmolzenem Gestein entstanden zu sein. Woher kam dieses spätere Magma?

In einem Artikel , der in der Dezemberausgabe von Nature veröffentlicht wurde, stellen Nimmo und seine Mitautoren eine Idee vor: Vielleicht war der Erdmond wie Io. Der Mond war damals viel näher an der Erde und wurde sowohl vom Gravitationsfeld der Erde als auch von dem der Sonne beeinflusst. Zu einem bestimmten Zeitpunkt, als beide Gravitationsfelder in etwa gleich stark waren, könnte der Mond vorübergehend in eine elliptische Umlaufbahn eingetreten sein, und die Gezeitenerwärmung könnte durch die Schwerkraft der Erde ausgelöst worden sein. Das Innere könnte dann wieder schmelzen und eine überraschende sekundäre vulkanische Aktivität auslösen.

Wo genau sich die Gezeitenerwärmung im Inneren des Mondes konzentrierte und was geschmolzen ist, ist jedoch noch nicht klar. Wenn wir Io verstehen können, werden wir vielleicht auch unseren Mond besser verstehen, ebenso wie viele andere Himmelskörper in unserem Sonnensystem mit verborgenen Gezeitenantrieben. Im Moment bleibt die vulkanische Kugel von Io ein frustrierendes Rätsel: