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

Pesquisadores que trabalham com o Telescópio Espacial James Webb identificaram sete vulcões ativos em Io, a lua que orbita o planeta Júpiter. Entre eles, uma erupção dominante se destaca, brilhando mais do que as demais em comprimentos de onda no infravermelho.

Com esse resultado, Io deixa de parecer apenas um brilho indistinto e passa a ser lida como uma paisagem vulcânica mapeada, na qual erupções separadas podem ser acompanhadas ao longo de uma superfície que muda rapidamente.

Sinais de vulcões em Io

Na observação em infravermelho feita pelo Telescópio Webb em 1º de agosto de 2022, áreas luminosas aparecem espalhadas pelo disco de Io, em vez de se fundirem num único clarão.

A partir desses padrões de brilho, Joel Sánchez Bermúdez, da Universidade Nacional Autônoma do México (UNAM), reconstruiu a superfície como um conjunto de fontes vulcânicas distintas.

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

Como Io se transforma depressa, essa visão mais limpa só faria sentido se também ajudasse a explicar por que a lua está o tempo todo a ser refeita.

Por que Io entra em erupção

Júpiter exerce uma força gravitacional intensa sobre Io, suficiente para flexionar o seu interior; e as luas vizinhas Europa e Ganimedes mantêm essa deformação presa a um ritmo estável.

Esse aperto repetido produz aquecimento de marés - calor gerado pela flexão constante - que derrete rochas abaixo da crosta de Io e alimenta erupções vulcânicas persistentes.

Lava recente e depósitos ricos em enxofre cobrem marcas antigas tão depressa que grandes crateras de impacto raramente sobrevivem por muito tempo na superfície.

Para os astrónomos, esse “repintar” contínuo torna Io especialmente interessante para observações detalhadas, já que pequenas mudanças ajudam a contar o que se move no subsolo.

O espelho mascarado

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

Essa configuração permitiu a interferometria por mascaramento de abertura, uma técnica que lê padrões de luz quando os feixes que entram por cada abertura se encontram no detector.

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

“Porém, com esta máscara, conseguimos dobrar a resolução do JWST e recuperar melhor a morfologia do objeto”, disse o Dr. Bermúdez.

Ensinando as imagens

A reconstrução padrão não funcionou bem porque Io tinha praticamente o mesmo tamanho que o campo do interferómetro, e a matemática habitual não conseguia separar as estruturas com nitidez.

Diante disso, a equipa recorreu à desconvolução, um método para reverter borrões, usando redes neurais como uma espécie de olho artificial.

Uma rede foi treinada com milhares de cenas simuladas; outra foi usada para reconstruir imagens a partir de ruído e, ao mesmo tempo, preservar regiões mais amplas de brilho.

Essa segunda estratégia foi importante porque as erupções não são apenas pontos de luz, e a névoa ao redor pode indicar material recém-depositado.

Os sete vulcões em erupção de Io

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

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

As medições colocaram a erupção principal em cerca de 33 gigawatts por mícron, e várias outras concentraram-se entre 11 e 30.

Esses valores não representavam toda a libertação de calor, mas ajudaram a identificar quais pontos dominavam a cena naquele dia.

Verificação a partir da Terra

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

As imagens obtidas em solo reproduziram os principais pontos quentes vistos do espaço, oferecendo um teste externo para as novas reconstruções, em vez de depender de achismo.

Essa comparação foi especialmente convincente porque os mesmos vulcões apareceram nas duas perspetivas, apesar da superfície mutável de Io.

A concordância entre instrumentos no espaço e no solo deu confiança à equipa 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 ao redor de várias erupções. Esse brilho mais extenso pode igualmente sinalizar dióxido de enxofre, um gás que pode congelar perto da superfície.

Verificações de tamanho indicaram que as estruturas dominantes tinham centenas de milhas (centenas de quilómetros) de largura, maiores do que fontes pontuais isoladas e compatíveis com emissões distribuídas.

Esse enquadramento mais amplo transforma Io de uma simples lista de vulcões num cenário em mudança, onde calor, geada e deposição de material se misturam.

Acompanhando o movimento dos vulcões de Io

Como as cinco observações do Webb ocorreram em menos de uma hora, a equipa conseguiu ver a erupção mais brilhante avançar pelo disco.

O deslocamento medido ficou em torno de 190 milhas (305 quilômetros) por hora, próximo da velocidade esperada pela própria rotação de Io. Essa correspondência não comprovou cada detalhe do mapa, mas funcionou como uma verificação de realidade útil.

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 abordagem tem impacto para além de Io, já que telescópios espaciais normalmente precisam 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.

“Isto é bastante inovador; fazer interferometria no espaço dá-nos vantagens que não temos quando fazemos observações a partir da Terra”, disse Bermúdez.

Essa possibilidade vai de luas em erupção a estrelas em formação e exoplanetas, onde detalhes minúsculos muitas vezes determinam o que os astrónomos conseguem inferir.

O que o Webb mudou

Ao combinar um telescópio espacial, uma máscara de sete orifícios e a recuperação de imagens treinada por máquina, a equipa tornou a superfície de Io uma evidência legível de erupções vulcânicas.

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

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