Io (satelit)

Tata nama

Walaupun Simon Marius tidak dihargai sebagai penemu satelit-satelit Galileo, nama yang ia berikan kepada satelit-satelit tersebut merupakan nama yang digunakan. Dalam bukunya pada tahun 1614 yang berjudul Mundus Iovialis anno M.DC.IX Detectus Ope Perspicilli Belgici, ia mengusulkan beberapa nama alternatif untuk satelit besar terdalam Jupiter, seperti "Merkurius dari Jupiter" dan "Yang Pertama dari Planet-Planet Jupiter ". Berdasarkan usulan Johannes Kepler pada Oktober 1613, ia juga merancang skema penamaan berdasarkan nama kekasih-kekasih Zeus dalam mitologi Yunani atau dewa yang sama dalam mitologi Romawi, Jupiter. Ia menamai satelit besar terdalam Jupiter dari tokoh dalam mitologi Yunani, Io. Nama-nama Marius tidak banyak digunakan hingga seabad kemudian, dan pada awalnya Io disebut "Jupiter I" (berdasarkan sistem yang dirancang oleh Galileo), atau "satelit pertama Jupiter".
Kenampakan di Io dinamai berdasarkan tokoh-tokoh dan tempat-tempat dalam mitologi Io, serta dewa-dewi api, gunung berapi, Matahari, dan petir dari berbagai mitologi, ditambah tokoh-tokoh dan tempat-tempat dari Inferno karya Dante: namna-nama yang tepat untuk permukaan Io yang vulkanik. Semenjak permukaan Io telah dilihat secara dekat untuk pertama kalinya oleh Voyager 1, International Astronomical Union telah menyetujui 225 nama gunung berapi, gunung, dataran tinggi, dan kenampakan albedo besar di Io. Kategori-kategori untuk berbagai kenampakan permukaan di Io yang telah disetujui adalah patera ("mangkuk"; depresi vulkanik), fluctus ("aliran"; aliran lava), vallis ("lembah"; saluran lava), dan pusat letusan yang aktif (tempat adanya plume vulkanik yang merupakan tanda terjadinya aktivitas vulkanik di gunung berapi tertentu). Gunung, dataran tinggi, dataran berlapis, dan gunung berapi perisai masing-masing dijuluki mons, mensa ("meja"), planum, dan tholus ("rotunda"). Named, bright albedo regions use the term regio. Contoh kenampakan yang sudah dinamai adalah Prometheus, Pan Mensa, Tvashtar Paterae, dan Tsũi Goab Fluctus.

Sejarah pengamatan

Io pertama kali diamati oleh Galileo Galilei pada tanggal 7 Januari 1610 dengan menggunakan teleskop refraksi berkekuatan 20x di Universitas Padua. Namun, pada saat itu Galileo tidak dapat memisahkan Io dengan Europa karena rendahnya kekuatan teleskopnya, sehingga keduanya tampak seperti satu titik cahaya. Io dan Europa tampak seperti objek yang terpisah saat Galileo melakukan pengamatan lagi pada hari berikutnya, yaitu 8 Januari 1610 (yang dianggap sebagai tanggal penemuan Io oleh IAU). Penemuan Io dan satelit-satelit Galileo lainnya diterbitkan dalam Sidereus Nuncius karya Galileo pada Maret 1610. Sementara itu, dalam karyanya yang berjudul Mundus Jovialis dan diterbitkan pada tahun 1614, Simon Marius mengklaim telah menemukan Io dan satelit-satelit Jupiter lainnya pada tahun 1609, satu minggu sebelum penemuan Galileo. Galileo meragukan klaim ini dan menganggap Marius melakukan plagiarisme. Walaupun begitu, pengamatan pertama Marius dilakukan pada tanggal 29 Desember 1609 dalam kalender Julius, yang sama dengan 8 Januari 1610 dalam kalender Gregorius yang digunakan Galileo. Karena Galileo menerbitkan karyanya sebelum Marius, Galileo dianggap sebagai penemu Io.
Selama dua setengah abad berikutnya, Io dikenal sebagai titik cahaya bermagnitudo 5 dalam teleskop-teleskop astronom. Pada abad ke-17, Io dan satelit-satelit Galileo lainnya memiliki beberapa fungsi, seperti menentukan garis bujur, memastikan hukum pergerakan planet ketiga Kepler, dan menentukan waktu yang diperlukan cahaya menempuh jarak dari Jupiter ke Bumi. Berdasarkan ephemerides yang dibuat oleh Giovanni Cassini dan astronom lainnya, Pierre-Simon Laplace merumuskan teori matematis untuk menjelaskan orbit Io, Europa, dan Ganymede yang resonan. Nantinya akan diketahui bahwa resonansi ini ternyata sangat memengaruhi geologi ketiga satelit.
Pemutakhiran teknologi teleskop pada akhir abad ke-19 dan abad ke-20 memungkinkan astronom untuk melihat kenampakan-kenampakan permukaan berskala besar di Io. Pada tahun 1890-an, Edward E. Barnard adalah orang pertama yang mengamati variasi kecerahan Io di wilayah khatulistiwa dan kutub, dan dengan tepat menyatakan bahwa hal ini disebabkan oleh perbedaan warna dan albedo di antara kedua wilayah dan bukan karena Io berbentuk seperti telur (seperti yang diusulkan oleh William Pickering), dan juga bukan karena terdapat dua objek yang terpisah (seperti yang diusulkan oleh Barnard). Pengamatan melalui teleskop nantinya memastikan bahwa wilayah kutub Io berwarna coklat kemerahan dan wilayah khatulistiwanya berwarna kuning-putih.
Pengamatan melalui teleskop pada pertengahan abad ke-20 mulai menunjukkan sifat Io yang tidak biasa. Pengamatan spektroskopik menunjukkan Galileo lainnya). Pengamatan yang sama menunjukkan bahwa permukaan Io didominasi oleh uap yang terdiri dari garam sodium dan sulfur. Pengamatan melalui teleskop radio menyibak pengaruh Io terhadap magnetosfer Jupiter, seperti yang ditunjukkan oleh letupan panjang gelombang dekametrik yang terkait dengan periode orbit Io.

Pioneer

Wahana pertama yang melewati Io adalah Pioneer 10 pada tanggal 3 Desember 1973 dan 11 pada tanggal 2 Desember 1974. Pelacakan melalui radio berhasil mengumpulkan perkiraan massa Io, yang (ditambah dengan perkiraan terbaik yang ada mengenai ukuran Io) menunjukkan bahwa Io memiliki kepadatan terbesar di antara empat satelit Galileo lainnya, dan terdiri dari batu silikat daripada es air. Pioneer juga menemukan keberadaan atmosfer tipis di Io dan sabuk radiasi yang kuat di dekat orbit Io. Kamera di wahana Pioneer 11 berhasil mengabadikan wilayah kutub utara Io. Gambar dari dekat sebelumnya direncanakan akan diabadikan oleh Pioneer 10, tetapi hasil pengamatan tersebut hilang akibat radiasi yang tinggi.

Voyager

Wahana Voyager 1 dan Voyager 2 melewati Io pada tahun 1979. Sistem pencitraan mereka yang lebih maju memungkinkan pengambilan gambar yang lebih detail Voyager 1 melewati Io pada tanggal 5 Maret 1979 dari jarak sejauh 20,600 km (12,8 mi). Citra-citra yang dikirim kembali oleh Voyager 1 menunjukkan lanskap yang berwarna ganda dan tidak memiliki kawah tubrukan. Citra dengan resolusi tertinggi yang diabadikan Voyager 1 menunjukkan permukaan yang relatif muda yang diselangi oleh lubang-lubang dengan bentuk yang aneh, gunung-gunung yang lebih tinggi dari Gunung Everest, dan kenampakan-kenampakan yang menyerupai aliran lava vulkanik.
Segera setelah itu, insinyur navigasi Voyager Linda A. Morabito menyadari keberadaan plume pada salah satu gambar. Analisis citra-citra Voyager 1 lainnya menunjukkan sembilan plume yang tersebar di permukaan, sehingga membuktikan bahwa Io aktif secara vulkanik. Kesimpulan ini sudah diprediksi oleh Stan Peale, Patrick Cassen, dan R. T. Reynolds dalam karya ilmiah yang diterbitkan sebelum Voyager 1 melewati Io. Mereka memperkirakan bahwa bagian dalam Io seharusnya mengalami pemanasan pasang surut yang diakibatkan oleh resonansi orbit dengan Europa dan Ganymede. Data dari terbang lintas Voyager 1 juga menunjukkan bahwa permukaan Io didominasi oleh sulfur dan sulfur dioksida beku. Senyawa ini juga mendominasi atmosfer Io dan torus plasma yang berpusat di orbit Io (juga ditemukan oleh Voyager).
Voyager 2 melewati Io pada tanggal 9 Juli 1979 dari jarak . Walaupun tidak sedekat Voyager 1, perbandingan antara gambar-gambar yang diabadikan oleh kedua wahana menunjukkan terjadinya perubahan di permukaan Io dalam empat bulan. Selain itu, pengamatan Io dalam bentuk sabit yang dilakukan oleh Voyager 2 saat meninggalkan sistem Jupiter menunjukkan bahwa tujuh dari sembilan plume yang diamati pada bulan Maret ternyata masih aktif pada Juli 1979, dan hanya gunung berapi Pele yang tidak menunjukkan aktivitas yang sebelumnya diamati oleh Voyager 1.

Galileo

Wahana Galileo tiba di Jupiter pada tahun 1995 setelah menempuh perjalanan selama enam tahun dari Bumi. Lokasi Io di bagian sabuk radiasi Jupiter yang paling kuat menghalangi dilakukannya terbang lintas secara dekat, tetapi Galileo sempat melintasinya secara dekat segera sebelum memasuki orbit Jupiter selama dua tahun dengan misi utama untuk mempelajari sistem Jupiter. Meskipun tidak ada gambar yang diabadikan selama terbang lintas pada 7 Desember 1995, Galileo berhasil menuai hasil seperti penemuan inti besi yang besar, yang serupa dengan planet-planet berbatu di Tata Surya dalam.
Walaupun tidak ada citra dari dekat dan meskipun terdapat masalah mekanik yang membatasi jumlah data yang dapat dikirim kembali, Galileo berhasil menemukan pengetahuan baru. Galileo mengamati dampak letusan besar di Pillan Patera dan memastikan bahwa letusan vulkanik di Io terdiri dari magma silikat dengan komposisi mafik dan ultramafik yang kaya akan magnesium. Pencitraan Io dari jauh juga berhasil menunjukkan keberadaan sejumlah gunung berapi aktif (baik emisi panas dari magma yang mendingin di permukaan maupun plume vulkanik), gunung-gunung dengan berbagai macam morfologi, dan beberapa perubahan di permukaan yang terjadi semenjak misi Voyager terakhir dan selama Galileo mengorbit.
Misi Galileo dua kali diperpanjang pada tahun 1997 dan 2000. Selama perpanjangan misi tersebut, wahana ini melintasi Io tiga kali pada akhir 1999 dan awal 2000, dan tiga kali pada akhir 2001 dan awal 2002. Pengamatan yang dilakukan selama itu menunjukkan berlangsungnya proses geologis di gunung berapi dan gunung Io, menemukan bahwa Io tidak memiliki medan magnet, dan menunjukkan tingkat aktivitas vulkanik Io. Pada Desember 2000, jauh saat sedang menuju ke Saturnus, wahana Cassini secara singkat sempat melewati Jupiter dari jauh, sehingga dapat melakukan pengamatan bersamaan dengan Galileo. Pengamatan tersebut menemukan keberadaan plume  baru di Tvashtar Paterae dan memperoleh pengetahuan terkait aurora di Io.

Pengamatan selanjutnya

Setelah Galileo dengan sengaja diarahkan ke atmosfer Jupiter untuk dihancurkan pada September 2003, pengamatan vulkanisme Io dilakukan melalui teleskop-teleskop di Bumi, khususnya pencitraan optik adaptif dari teleskop Keck di Hawaii dan pencitraan dari teleskop Hubble. Pencitraan ini memungkinkan ilmuwan mengamati aktivitas vulkanik di Io tanpa harus bergantung pada wahana di sistem Jupiter.
Wahana New Horizons melewati sistem Jupiter dan Io pada tanggal 28 Februari 2007 saat sedang menuju Pluto dan sabuk Kuiper. Wahana ini berhasil mengabadikan beberapa gambar, seperti gambar plume besar di Tvashtar, yang merupakan pengamatan kelas plume vulkanik terbesar setelah pengamatan plume Pele pada tahun 1979. New Horizons juga mengambil gambar gunung berapi di dekat Girru Patera yang sedang melewati tahap awal letusan, dan beberapa letusan vulkanik yang terjadi semenjak misi Galileo selesai.
Saat ini terdapat dua misi yang direncanakan akan mengunjungi sistem Jupiter. Juno, yang diluncurkan pada tanggal 5 Agustus 2011, memiliki keterbatasan dalam pencitraan, tetapi dapat mengamati aktivitas vulkanik Io dengan menggunakan spektrometer inframerah dekatnya, JIRAM. Sementara itu, Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE) adalah misi European Space Agency yang direncanakan akan mengunjungi sistem Jupiter dan berakhir di orbit Ganymede. JUICE dijadwalkan akan diluncurkan pada tahun 2022, dan diperkirakan akan tiba di Jupiter pada Januari 2030. JUICE tidak akan melintasi Io, tetapi akan menggunakan alat-alatnya (seperti kamera bersudut sempit) untuk mengamati aktivitas vulkanik Io dan mengukur komposisi permukaannya selama fase di Jupiter (berdurasi dua tahun) sebelum memasuki orbit Ganymede. Di sisi lain, Io Volcano Observer merupakan usulan misi kelas Discovery yang akan diluncurkan pada tahun 2015. Misi ini menjadwalkan terbang lintas di Io; namun, misi ini tidak dipilih NASA untuk masuk ke penelitian Fase A, dan hanya menjadi konsep belaka.

Orbit dan rotasi

Io mengorbit Jupiter dari jarak sejauh 421,700 km (262 mi) dari pusat Jupiter dan 350,000 km (217 mi) dari awal tertinggi. Satelit ini merupakan satelit terdalam di antara satelit-satelit Galileo, dan orbitnya berada di antara Thebe dan Europa. Io juga merupakan bulan kelima dari Jupiter. Satelit ini membutuhkan waktu 42,5 jam untuk menyelesaikan orbitnya (cukup cepat sehingga pergerakannya dapat diamati dalam satu malam). Io berada dalam resonansi orbit 2:1 dengan Europa dan 4:1 dengan Ganymede, yang berarti Io menyelesaikan dua orbit setiap kali Europa menyelesaikan satu orbit, dan Io menyelesaikan empat orbit setiap kali Ganymede menyelesaikan satu orbit. Resonansi ini membantu mempertahankan eksentrisitas orbit Io (0,0041), yang menyebabkan pemanasan pasang surut yang memicu aktivitas geologi di Io. Tanpa eksentrisitas paksa ini, orbit Io akan melingkar akibat disipasi pasang surut, dan akibatnya Io akan menjadi objek yang kurang aktif secara geologis.
Seperti satelit-satelit Galileo lainnya dan Bulan, Io berada pada rotasi sinkron dengan Jupiter, sehingga salah satu permukaan selalu menghadap planet Jupiter. Sinkronitas ini menentukan sistem garis bujur di Io. Meridian utama Io bersilangan dengan khatulistiwa di titik subJupiter. Belahan yang selalu menghadap Jupiter disebut belahan subJupiter, sementara belahan yang selalu berlawanan arah dari Jupiter adalah belahan antiJupiter. Belahan Io yang selalu menghadap ke arah pergerakan Io disebut belahan depan, sementara belahan yang selalu menghadap arah yang berlawanan disebut belahan belakang.

Interaksi dengan magnetosfer Jupiter

Io berperan penting dalam membentuk medan magnet Jupiter dengan bertindak sebagai generator elektrik yang dapat menghasilkan aliran listrik sebesar 3 juta ampere, sehingga melepaskan ion-ion yang membuat ukuran medan magnet Jupiter dua kali lebih besar dari yang seharusnya. Magnetosfer Jupiter membersihkan gas dan debu dari atmosfer tipis Ion dengan laju 1 ton per detik. Materi-materi yang dibersihkan tersebut sebagian besar terdiri dari sulfur, oksigen, dan klorin atomik yang terionisasi; sodium dan potassium atomic; sulfur dioksida dan sulfur molekuler; dan debu sodium klorida. Materi-materi tersebut dihasilkan oleh aktivitas vulkanik Io, tetapi materi yang terlepas ke medan magnet Jupiter dan ruang antarplanet secara langsung berasal dari atmosfer Io. Materi-materi tersebut (tergantung ionisasi dan komposisi) akan berakhir di berbagai awan netral (tidak terionisasi) dan sabuk radiasi di magnetosfer Jupiter, atau kadang-kadang terlepas dari sistem Jupiter.
Di sekeliling Io (di jarak sejauh enam jari-jari Io dari permukaan) terdapat awan sulfur, oksigen, sodium, dan potasium netral. Partikel-partikel tersebut berasal dari atmosfer atas Io dan mengalami peningkatan energi akibat tubrukan dengan ion-ion di torus plasma dan proses-proses lain yang mengisi sfer Hill Io (zona yang tidak didominasi oleh gravitasi Jupiter, tetapi oleh gravitasi Io). Sebagian dari materi tersebut terlepas dari tarikan gravitasi Io dan masuk ke dalam orbit di sekitar Jupiter. Dalam waktu 20 jam, partikel-partikel tersebut menyebar dari Io dan membentuk awan netral yang berbentuk seperti pisang dan dapat mencapai jarak hingga enam jari-jari Jupiter dari Io, baik di dalam orbit Io maupun di luar atau di belakang orbit Io. Proses tubrukan yang meningkatkan energi partikel-partikel tersebut juga kadang-kadang mengadakan elektron untuk ion-ion sodium di torus plasma, sehingga melepaskan partikel-partikel netral dari torus. Namun, kecepatan partikel-partikel tersebut masih tetap sama (70 km/detik bila dibandingkan dengan kecepatan 17 km/detik di orbit Io).
Io mengorbit Jupiter di dalam sabuk radiasi intens yang disebut torus plasma Io. Plasma di cincin yang berbentuk seperti donat dan terdiri dari sulfur, oksigen, sodium, dan klorin terionisasi ini terbentuk ketika atom-atom netral di “awan” yang mengililingi Io terionisasi dan turut terbawa oleh magnetosfer Jupiter. Tidak seperti partikel lain di awan netral, partikel-partikel tersebut turut berotasi dengan magnetosfer Jupiter serta mengelilingi Jupiter dengan laju 74 km/detik. Seperti medan magnet Jupiter, torus plasma mengalami kemiringan sumbu pada khatulistiwa Jupiter (dan bidang orbital Io), sehingga Io pada waktu tertentu berada di atas atau di bawah inti torus plasma. Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, kecepatan dan energi ion yang tinggi mengakibatkan pelepasan atom-atom dan molekul-molekul netral dari atmosfer dan awan netral luar Io. Torus ini terdiri dari tiga bagian: torus luar yang "hangat" dan berada di luar orbit Io; wilayah vertical yang disebut "pita", yang terdiri dari wilayah sumber netral dan plasma yang mendingin, yang terletak di ruang antara Io dan Jupiter; dan torus dalam yang "dingin", yang terdiri dari partikel-partikel yang secara perlahan menyulur ke Jupiter. Setelah berdiam selama sekitar 40 hari di dalam torus, partikel di torus yang "hangat" terlepas dan berperan dalam membuat magnetosfer Jupiter menjadi lebih besar, karena tekanan ke luar partikel-partikel tersebut memperbesar magnetosfer dari dalam. Partikel-partikel dari Io yang terdeteksi sebagai variasi plasma magnetosferik telah dideteksi hingga magnetotail panjang oleh New Horizons. Untuk mempelajari variasi dalam torus plasma, para peneliti mengukur sinar ultraviolet yang dikeluarkan. Meskipun variasi semacam itu tidak sepenuhnya terkait dengan variasi aktivitas vulkanik Io (asal usul semua materi di torus plasma), aktivitas vulkanik terkait dengan keberadaan awan sodium netral.
Saat melewati Jupiter pada tahun 1992, wahana Ulysses mendeteksi aliran partikel sebesar debu yang dikeluarkan dari sistem Jupiter. Debu ini menjauhi Jupiter dengan kecepatan beberapa ratus kilometer per detik, memiliki rata-rata ukuran sebesar 10 μm, dan sebagian besar terdiri dari sodium klorida. Pengukuran yang dilakukan oleh wahana Galileo menunjukkan bahwa aliran debu tersebut berasal dari Io, namun masih belum diketahui bagaimana partikel-partikel tersebut terbentuk.
Garis medan magnet Jupiter yang dilewati oleh Io mengombinasikan atmosfer dan awan netral Io dan atmosfer atas kutub Jupiter dengan menghasilkan aliran listrik yang disebut tabung fluks Io. Aliran ini menghasilkan nyala aurora di wilayah kutub Jupiter yang disebut "jejak kaki Io", serta aurora di atmosfer Io. Partikel dari interaksi aurora ini menggelapkan wilayah kutub Jupiter (dalam panjang gelombang tampak). Letak Io dan "jejak kaki"nya sangat memengaruhi pancaran radio Jupiter: ketika Io tampak, sinyal radio dari Jupiter meningkat. Misi Juno yang direncanakan pada dasawarsa selanjutnya akan membantu menjelaskan peristiwa ini. Garis medan magnet Jupiter yang melewati ionosfer Jupiter juga memicu aliran listrik, yang pada gilirannya menghasilkan medan magnet terinduksi di bagian dalam Io. Proses tersebut diduga terjadi di dalam samudra magma silikat yang cair sebagian 50 kilometer di bawah permukaan Io. Medan magnet terinduksi serupa ditemukan di satelit-satelit Galileo lainnya oleh wahana Galileo; namun, berbeda dengan Io, medan magnet tersebut dihasilkan di samudra air yang cair di bawah permukaan satelit-satelit tersebut.