Telescópio Espacial James Webb revela sete vulcões ativos em Io, lua de Júpiter

Pesquisadores que utilizam o Telescópio Espacial James Webb identificaram sete vulcões ativos em erupção em Io, uma lua que orbita o planeta Júpiter. Um evento eruptivo dominante destacou-se sobre os demais, brilhando com mais intensidade nos comprimentos de onda do infravermelho.

O resultado transforma Io - antes vista apenas como um brilho indistinto - num cenário vulcânico cartografado, no qual erupções separadas podem ser acompanhadas ao longo de uma superfície que muda rapidamente.

Sinais de vulcões em Io

Na visão infravermelha do Webb obtida em 1.º de agosto de 2022, áreas brilhantes aparecem distribuídas pelo disco de Io, em vez de se fundirem num único clarão.

A partir desses padrões, Joel Sánchez Bermúdez, da Universidade Nacional Autónoma do México (UNAM), reconstruiu a superfície ao decompor o sinal em fontes vulcânicas distintas.

Com essa reconstrução, a equipa conseguiu isolar uma erupção claramente dominante de vários vulcões mais fracos, ao mesmo tempo que manteve o brilho de fundo da superfície - algo que métodos mais simples tendem a separar de forma artificial.

Como Io se altera muito depressa, essa imagem mais limpa só faria sentido se também fosse possível explicar por que a lua está a ser constantemente remodelada.

Por que Io entra em erupção

Júpiter exerce uma força gravitacional suficiente para deformar o interior de Io, e as luas próximas do planeta - Europa e Ganimedes - mantêm essa tensão numa cadência regular.

Esse aperto repetido gera aquecimento por maré - calor produzido pela flexão contínua - que derrete rochas abaixo da crosta de Io e alimenta erupções vulcânicas persistentes.

Lava recente e depósitos ricos em enxofre cobrem marcas antigas com tanta rapidez que grandes crateras de impacto raramente permanecem por muito tempo na superfície.

Para os astrónomos, essa “repintura” constante torna Io ideal para observações de alta precisão, porque pequenas mudanças registam o que está a acontecer no subsolo.

O espelho mascarado

Em vez de empregar todo o espelho do Webb, a equipa cobriu-o com uma placa metálica perfurada por sete furos, que funcionaram como coletores de luz.

Essa configuração produziu interferometria por mascaramento de abertura - uma forma de interpretar padrões de luz - quando os feixes provenientes de cada abertura se combinaram no detetor.

Ao bloquear a maior parte da luz que chega ao telescópio, a máscara evitou que o detetor do Webb saturasse ao apontar para um alvo muito brilhante.

“However, with this mask, we are able to double the resolution of the JWST and can better recover the morphology of the object,” disse o Dr. Bermúdez.

A ensinar as imagens

A reconstrução padrão não funcionou, porque Io tinha praticamente o mesmo tamanho do campo do interferómetro; assim, a matemática habitual não conseguia separar as estruturas de modo limpo.

Diante disso, a equipa recorreu à deconvolução - um método para desfazer o desfoque - usando redes neurais como um “olho” artificial.

Uma rede foi treinada com milhares de cenas simuladas, enquanto outra reconstituiu imagens a partir de ruído e manteve regiões mais amplas de brilho difuso.

Esse segundo caminho foi importante porque as erupções não são apenas pontos de luz: a névoa ao redor pode denunciar material recém-depositado.

Os sete vulcões em erupção em Io

Ao longo de cinco exposições do Webb feitas em 1.º de agosto de 2022, as mesmas regiões brilhantes voltaram a aparecer em posições consistentes no disco.

A fonte mais intensa irrompeu logo a nordeste de Seth Patera, enquanto seis locais mais fracos coincidiram com centros vulcânicos já conhecidos.

As medições colocaram a erupção líder perto de 33 gigawatts por micrómetro, com várias outras a concentrarem-se entre 11 e 30.

Esses valores não representaram toda a libertação de calor, mas serviram para indicar quais pontos dominaram a cena naquele dia.

Conferência a partir da Terra

Um mês antes e um mês depois de o Webb observar os vulcões em Io, o telescópio Keck II, no Havai, registou a lua com ângulos de observação semelhantes.

As imagens obtidas a partir do solo coincidiram com os principais pontos quentes vistos do espaço, oferecendo um teste externo às novas reconstruções - em vez de depender de suposições.

Essa verificação cruzada foi especialmente robusta porque os mesmos vulcões surgiram em ambos os conjuntos de dados, apesar da superfície mutável de Io.

A concordância entre instrumentos espaciais e terrestres deu à equipa confiança para tratar os novos mapas como estruturas físicas, e não como artefatos.

Mais do que pontos quentes

As novas imagens não se limitaram às aberturas mais brilhantes: elas também delinearam regiões mais amplas de brilho em torno de várias erupções. Esse brilho mais espalhado também pode indicar dióxido de enxofre, um gás que pode congelar perto da superfície.

As verificações de tamanho sugeriram que as estruturas dominantes tinham centenas de quilómetros de largura - maiores do que fontes pontuais isoladas e coerentes com emissões distribuídas.

Essa perspetiva mais ampla muda Io de uma simples lista de vulcões para uma paisagem em transformação, onde calor, geada e deposição de materiais aparecem misturados.

Acompanhar o movimento dos vulcões de Io

Como as cinco observações do Webb ocorreram em menos de uma hora, a equipa pôde acompanhar a fonte mais brilhante a deslocar-se pelo disco.

O movimento medido ficou perto de 305 quilómetros por hora, muito próximo da velocidade esperada pela própria rotação de Io. Essa correspondência não comprovou cada detalhe do mapa, mas serviu como uma verificação útil de plausibilidade.

Ainda assim, serão necessárias campanhas mais longas, porque o estudo amostrou apenas cerca de um por cento da rotação de Io.

Para além desta lua

A técnica é relevante para além de Io porque, em geral, telescópios espaciais precisam de equilibrar brilho, campo de visão e resolução.

Neste caso, a máscara e a “limpeza” com redes neurais recuperaram estrutura mais fina num alvo brilhante sem exigir a construção de um telescópio maior.

“This is quite novel; performing interferometry in space gives us advantages that we don’t have when making observations from Earth,” disse Bermúdez.

A possibilidade estende-se de luas em erupção a estrelas em formação e exoplanetas, onde detalhes mínimos muitas vezes determinam o que os astrónomos conseguem inferir.

O que o Webb mudou

Ao combinar um telescópio espacial, uma máscara de sete furos e recuperação de imagem treinada por máquinas, a equipa transformou a superfície de Io em evidência legível de erupções vulcânicas.

O avanço é concreto, mas ainda incompleto, porque só observações repetidas vão revelar com que rapidez esses padrões vulcânicos surgem, se espalham e desaparecem.

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