Io hơi lớn hơn Mặt Trăng của Trái Đất. Nó có bán kính trung bình 1.821,3 km (lớn hơn bán kính Mặt Trăng khoảng 5%) và có khối lượng 8,9319×1022 kg (lớn hơn Mặt Trăng khoảng 21%). Trong số các vệ tinh Galile, cả về khối lượng và thể tích, Io xếp sau Ganymede và Callisto nhưng trước Europa.

Bên trong

Mô hình giả định của thành phần bên trong Io với một lõi sắt bên trong hay lõi sulfua sắt (màu xám), một vỏ silicat phía ngoài (màu nâu), và một lớp áo silicat bán nóng chảy ở giữa (màu cam)

Chủ yếu gồm đá silicat và sắt, Io có thành phần tương tự các hành tinh đất đá hơn là giống với các vệ tinh ở phía ngoài hệ Mặt Trời, chủ yếu gồm hỗn hợp nước đóng băng và silicat. Io có mật độ 3,5275 g/cm³, mật độ cao nhất trong số tất cả các vệ tinh trong hệ Mặt Trời; hơi lớn hơn các vệ tinh Galile khác và lớn hơn Mặt Trăng của Trái Đất[52]. Các mô hình dựa trên những đo đạc của Voyager và Galileo về khối lượng vệ tinh này, bán kính và hệ số hấp dẫn bốn cực (các giá trị số liên quan tới khối lượng được bố trí như thế nào bên trong một vật thể) cho thấy cấu trúc trong của nó phân dị với lớp vỏ và lớp phủ (quyển manti) bên ngoài giàu silicat và lớp lõi bên trong giàu sắt hay sulfua sắt[33]. Lõi kim loại chiếm xấp xỉ 20% khối lượng Io[53]. Dựa vào khối lượng lưu huỳnh trong lõi, lõi có bán kính trong khoảng 350 tới 650 km (220 tới 400 dặm) nếu nó hầu như gồm toàn bộ là sắt, hay trong khoảng 550 tới 900 km (310 tới 560 dặm) nếu lõi gồm hỗn hợp sắt và lưu huỳnh. Từ kế của Galileo không thể phát hiện một từ trường phía trong Io, gợi ý rằng lớp lõi không đối lưu[54].

Mô hình thành phần bên trong Io cho thấy lớp phủ gồm ít nhất 75% khoáng chất forsterit giàu magiê, và có thành phần tương tự với thành phần của các thiên thạch L-chondrit và LL-chondrit, với hàm lượng sắt cao hơn (so với silic) so với Mặt Trăng hay Trái Đất, nhưng thấp hơn Sao Hỏa[55][56]. Để hỗ trợ dòng nhiệt nóng quan sát được trên Io, 10–20% lớp phủ của Io có thể nóng chảy, mặc dù các vùng nơi có hoạt động núi lửa nhiệt độ cao đã được quan sát có thể có thành phần nóng chảy cao hơn[57]. Thạch quyển của Io, gồm bazan và lưu huỳnh lắng đọng bởi hoạt động núi lửa mạnh của Io, ít nhất dày 12 km (7 dặm), nhưng dường như dày chưa tới 40 km (25 dặm)[53][58].

Nhiệt thủy triều

Không giống Mặt Trăng của Trái Đất, nguồn nhiệt chính bên trong của Io có xuất xứ từ sự tiêu mòn thủy triều chứ không phải do sự phân rã đồng vị hạt nhân, kết quả của sự cộng hưởng quỹ đạo của Io với Europa và Ganymede[28]. Nguồn nhiệt này phụ thuộc vào khoảng cách của Io với Sao Mộc, độ lệch tâm quỹ đạo, thành phần bên trong và tình trạng vật lý của nó[59]. Cộng hưởng Laplace của nó với Europa và Ganymede giúp duy trì độ lệch tâm của Io và khiến sự tiêu mòn thủy triều bên trong Io không thể làm quỹ đạo của nó trở nên tròn. Quỹ đạo cộng hưởng cũng giúp duy trì khoảng cách của Io với Sao Mộc; nếu không thủy triều xuất hiện trên Sao Mộc sẽ từ từ khiến Io di chuyển xoắn ốc ra phía ngoài hành tinh mẹ[60]. Các khác biệt theo chiều thẳng đứng trong bướu thủy triều của Io, giữa khoảng thời gian Io ở điểm xa nhất và điểm gần nhất trên quỹ đạo của nó có thể lên tới 100 m (330 ft). Sự ma sát hay tiêu mòn thủy triều được tạo ra ở phía bên trong Io vì sự khác biệt trong lực kéo thủy triều này, mà, nếu không có quỹ đạo cộng hưởng, sẽ biến quỹ đạo của Io thành hình tròn, tạo ra nhiệt thủy triều mạnh bên trong Io, làm nóng chảy một khối lượng lớn lớp phủ và lõi vệ tinh này. Khối năng lượng được tạo ra lớn hơn gấp đến 200 lần so với khối năng lượng được phân rã phóng xạ tạo ra[61]. Nguồn nhiệt này được giải phóng dưới dạng hoạt động núi lửa, tạo ra dòng nhiệt lớn đã quan sát được (tổng cộng: 0,6 tới 1,6×1014 W)[57]. Các mô hình quỹ đạo của nó cho thấy khối năng lượng nhiệt thủy triều bên trong Io thay đổi theo thời gian, và dòng nhiệt hiện tại không đại diện cho mức độ trung bình của một thời gian dài[57].

Bề mặt

Hình ảnh quay của bề mặt Io, vòng tròn lớn màu đỏ bao quanh núi lửa Pele

Dựa trên kinh nghiệm với các bề mặt cổ của Mặt Trăng, Sao Hỏa và Sao Thủy, các nhà khoa học chờ đợi sẽ thấy nhiều hố va chạm trong những bức ảnh đầu tiên về Io do Voyager 1 chụp. Mật độ các hố va chạm trên bề mặt Io sẽ là những bằng chứng về độ tuổi vệ tinh này. Tuy nhiên, họ đã ngạc nhiên khi khám phá ra bề mặt hành tinh này hầu như không có các hố va chạm, thay vào đó là các vùng bình nguyên bằng phẳng với một vài dãy núi cao, với nhiều hình dạng và kích thước, và những dòng chảy dung nham núi lửa[25]. So với hầu hết các thiên thể đã được quan sát ở thời điểm đó, bề mặt của Io được bao phủ bởi nhiều vật liệu đa màu sắc (khiến Io được so sánh với một quả cam thối hay một chiếc bánh pizza) từ nhiều hợp chất lưu huỳnh[62]. Sự vắng mặt của các hố va chạm cho thấy bề mặt của Io về mặt địa chất học là còn trẻ, giống như bề mặt đất; các vật liệu núi lửa liên tục lấp đầy các hố va chạm ngay khi chúng được tạo ra. Kết quả này đã được xác nhận với ít nhất chín núi lửa đang hoạt động được Voyager 1 quan sát[27].

Ngoài các núi lửa, bề mặt Io còn bao gồm các ngọn núi phi núi lửa, nhiều hồ lưu huỳnh nóng chảy, nhiều hõm chảo sâu vài kilômét, và nhiều dòng chảy chất lỏng có độ nhớt thấp (có thể một số được hình thành từ lưu huỳnh nóng chảy hay silicat), kéo dài hàng trăm kilômét[63].

Thành phần bề mặt

Hình dạng nhiều màu sắc của Io là kết quả của nhiều vật liệu được tạo ra bởi các hoạt động núi lửa mạnh của nó. Các vật liệu này gồm silicat (như octopyroxen), lưu huỳnh và điôxít lưu huỳnh[64]. Băng điôxít lưu huỳnh tồn tại khắp nơi trên bề mặt Io, hình thành các vùng lớn được bao phủ bởi các vật liệu màu trắng hay xám. Lưu huỳnh cũng được quan sát thấy ở nhiều địa điểm trên khắp hành tinh này, hình thành nên các vùng màu vàng và vàng xanh. Lưu huỳnh lắng đọng ở các vùng vĩ độ trung và vùng cực thường bị thiệt hại bởi bức xạ, phá vỡ lưu huỳnh chuỗi 8 (S8) ổn định thông thường. Sự thiệt hại bức xạ này tạo ra các vùng cực màu đỏ nâu của Io[13].

Núi lửa phun nổ, thường ở hình thức các đám khói hình nấm, khiến bề mặt Io được bao phủ các vật liệu lưu huỳnh và silicat. Các lắng đọng khói trên Io thường có màu đỏ hay trắng tùy thuộc vào khối lượng lưu huỳnh và điôxít lưu huỳnh trong khói. Nói chung, các đám khói hình thành tại các miệng phun núi lửa từ dung nham khử khí có chứa một lượng lớn S2, tạo ra một lớp lắng đọng "hình quạt" đỏ, hay trong các trường hợp ngoại lệ, những vòng tròn đỏ lớn (thường vượt hơn 450 km (280 dặm) từ tâm miệng núi lửa[65]. Một ví dụ điển hình về một vòng tròn đỏ khói lắng đọng nằm tại núi lửa Pele. Những lắng đọng màu đỏ này gồm chủ yếu lưu huỳnh (thường là phân tử lưu huỳnh chuỗi 3- và 4-), điôxít lưu huỳnh, và có lẽ cả Cl2SO2[66]. Các đám khói được hình thành ở các rìa ngoài những dòng chảy dung nham silicat (thông qua sự tương tác của dung nham và các chất trầm lắng lưu huỳnh và điôxít lưu huỳnh đã tồn tại từ trước) tạo ra các trầm tích màu trắng hay màu xám.

Bản đồ thành phần cấu tạo và mật độ cao của Io cho thấy nó có chứa ít hoặc không có nước, dù những túi nhỏ chứa nước đóng băng hay các khoáng chất hydrat hóa có lẽ đã được xác định, đáng chú ý nhất là ở sườn phía tây bắc núi Gish Bar Mons[67]. Sự thiếu vắng nước có lẽ bởi Sao Mộc trong buổi đầu phát triển của hệ Mặt Trời đủ nóng để đẩy đi hết các chất dễ bay hơi như nước trong vùng phụ cận của Io, nhưng không đủ nóng để thực hiện việc đó ở khoảng cách xa hơn.

Hoạt động núi lửa

Wikimedia Commons có thêm hình ảnh và phương tiện truyền tải về Núi lửa trên Io.

Dòng chảy dung nham đang hoạt động trong vùng Tvashtar Paterae (vùng trống thể hiện các vùng bão hòa trong dữ liệu gốc). Các hình ảnh do Galileo chụp tháng 11 năm 1999 và tháng 2 năm 2000.

Nhiệt thủy triều do sự lệch tâm quỹ đạo cưỡng bức của Io tạo ra đã khiến vệ tinh này trở thành một trong những thiên thể có hoạt động núi lửa mạnh nhất trong hệ Mặt Trời, với hàng trăm trung tâm núi lửa và các dòng dung nham lớn. Trong một đợt phun trào lớn, các dòng chảy dung nham dài hàng chục thậm chí hàng trăm kilômét có thể được thạo ra, chủ yếu gồm các dòng dung nham bazan silicat với các thành phần hoặc mafic hay siêu mafic (giàu magiê). Như một sản phẩm phụ của hoạt động này, lưu huỳnh, khí điôxít lưu huỳnh và vật liệu mạt vụn núi lửa silicat (như tro) bị thổi lên độ cao tới 500 km (310 dặm) vào không gian, tạo ra những đám khói lớn, hình nấm, khiến bề mặt loang lổ màu đỏ, đen và trắng, và cung cấp vật liệu cho khí quyển mỏng của Io cũng như quyển từ lớn của Sao Mộc.

Bề mặt Io có rải rác các vùng lõm núi lửa được gọi là paterae[68]. Paterae nói chung có đáy phẳng được bao quanh bởi các bức tường dốc. Những đặc điểm này giống với các hõm chảo núi lửa trên Trái Đất, nhưng ta không biết nếu chúng được tạo ra sau sự sụp đổ một buồng dung nham trống rỗng như kiểu các hõm chảo trên Trái Đất hay không. Một giả thiết cho rằng những đặc điểm đó đã được tạo thành bởi sự đào lên của các sill núi lửa, và vật liệu nằm phía trên hoặc đã bị bắn ra hoặc đã tích hợp vào sill[69]. Không giống các đặc điểm tương tự trên Trái Đất và Sao Hỏa, những chỗ lõm đó nói chung không nằm ở trên đỉnh của các núi lửa hình khiên và thường to lớn hơn, với đường kính trung bình 41 km (25 dặm), vùng lõm lớn nhất là Loki Patera có đường kính 202 km (126 dặm)[70]. Dù cơ chế hình thành có như thế nào, thì hình thái và sự phân bố của nhiều vùng lõm cho thấy những đặc điểm đó về mặt kết cấu là có kiểm soát, với ít nhất một nửa được bao quanh bởi các phay đứt đoạn hay những ngọn núi[68]. Những nơi có đặc điểm này thường là các điểm phun trào núi lửa, hoặc từ các dòng dung nham trải dài trên bề mặt paterae, như tại điểm phun trào ở Gish Bar Patera năm 2001, hay ở hình thức một hồ dung nham[5][71]. Các hồ dung nham trên Io thường có hoặc một lớp vỏ dung nham liên tục đảo ngược, như tại hồ Pele, hoặc một vỏ đảo ngược theo chu kỳ, như tại hồ Loki[72][73].

Các dòng dung nham thể hiện một kiểu địa hình núi lửa chính khác trên Io. Macma phun trào lên bề mặt từ các miệng phun ở đáy paterae hay trên các đồng bằng từ các vết nứt, tạo ra các dòng dung nham phồng, phức hợp tương tự như những dòng nhung nham được quan sát thấy tại Kilauea ở Hawaii. Những hình ảnh thu được từ tàu vũ trụ Galileo cho thấy nhiều dòng dung nham lớn trên Io, như những dòng dung nham tại núi lửa Prometheus và Amirani, được tạo ra bởi sự bồi đắp những dòng dung nham nhỏ phía trên những dòng dung nham cũ[74]. Những vụ bùng phát dung nham lớn hơn cũng đã được quan sát thấy trên Io. Ví dụ cạnh trước của dòng Prometheus di chuyển 75 tới 95 km (47 tới 59 dặm) giữa lần quan sát của Voyager năm 1979 và những lần quan sát đầu tiên của Galileo năm 1996. Một cuộc phun trào lớn năm 1997 đã tạo ra hơn 3.500 km² (1.350 dặm vuông) dung nham và làm ngập tràn đáy của Pillan Patera gần đó[34].

Dãy năm hình do New Horizons chụp thể hiện vật liệu bị núi lửa Tvashtar trên Io phun ra cao tới 330 km trên bề mặt của nó.

Việc phân tích các hình ảnh của Voyager khiến các nhà khoa học tin rằng những dòng dung nham đó chủ yếu được tạo thành bởi nhiều hợp chất lưu huỳnh nóng chảy. Tuy nhiên, những nghiên cứu hồng ngoại sau này từ trên Trái Đất và những đo đạc của tàu vũ trụ Galileo cho thấy những dòng chảy đó là dung nham hợp chất bazan với thành phần mafic tới siêu mafic. Giả thuyết này dựa trên những đo đạc nhiệt độ tại các "điểm nóng" trên Io, hay tại các địa điểm phun trào nhiệt, cho thấy nhiệt độ ít nhất 1.300 K và một số nơi cao tới 1.600 K[75]. Những ước tính ban đầu cho thấy nhiệt độ phun trào đạt tới 2.000 K[34] đã bị chứng minh là sai lầm bởi các mô hình nhiệt không chính xác được sử dụng để đo nhiệt độ[76].

Sự khám phá các đám khói tại các núi lửa Pele và Loki là dấu hiệu đầu tiên cho thấy rằng Io có hoạt động địa chất[26]. Nói chung, những đám khói này được hình thành khi những chất dễ bay hơi như lưu huỳnh và điôxít lưu huỳnh bị các núi lửa trên Io phun lên trời ở tốc độ lên tới 1 km/s (0,6 dặm/s). Các vật liệu khác có thể có trong những đám khói núi lửa gồm natri, kali, và clo[77][78]. Những đám khói này có vẻ được hình thành theo một trong hai cách[79]. Những đám khói lớn nhất trên Io đã được tạo ra khi khí lưu huỳnh và điôxít lưu huỳnh thoát ra khỏi macma đang phun trào tại các miệng núi lửa hay các hồ dung nham, thường kéo theo vật liệu silicat dung nham núi lửa với chúng. Những đám khói này hình thành nên các chất lắng đọng màu đỏ (từ lưu huỳnh chuỗi ngắn) và đen (từ silicat núi lửa) trên bề mặt. Khói được hình thành theo cách này là những đám khói lớn nhất phát hiện thấy trên Io, tạo thành những vòng tròn đỏ có đường kính hơn 1.000 km (620 dặm). Những ví dụ về kiểu khói này như tại các núi lửa Pele, Tvashtar và Dazhbog. Một kiểu khói khác được tạo thành khi các dòng dung nham làm bốc hơi lớp băng điôxít lưu huỳnh phía dưới, khiến lưu huỳnh thoát ra bay lên trời. Kiểu khói này thường hình thành những lắng đọng màu sáng, hình tròn gồm điôxít lưu huỳnh. Chúng thường chưa cao tới 100 km (62 dặm), và là những đám khói có thời gian tồn tại lâu nhất trên Io. Những ví dụ như tại các núi lửa Prometheus, Amirani và Masubi.

Núi

Hình Tohil Mons theo gam màu xám, một ngọn núi cao 5,4 km

Io có từ 100 tới 150 ngọn núi. Chúng có chiều cao trung bình 6 km (4 dặm) và độ cao tối đa 17,5 ± 1,5 km (10,9 ± 1 dặm) ở phía nam Boösaule Montes[80]. Các dãy núi thường có vẻ ngoài đồ sộ (một dãy núi trung bình dài 157 km), là những cấu trúc tách biệt và không có mô hình kiến tạo tổng thể rõ rệt bên ngoài như núi trên Trái Đất[6]. Để có thể đỡ được khối lượng địa hình đồ sộ như vậy các ngọn núi này phải có thành phần chủ yếu là đá silicat, chứ không phải là lưu huỳnh[81].

Dù những núi lửa hoạt động mạnh là nguyên nhân gây ra đặc trưng bề mặt của Io, gần như mọi ngọn núi ở đây là những kết cấu kiến tạo, chứ không phải do núi lửa. Thực tế, đa số núi trên Io được hình thành như kết quả của các ứng suất nén trên đáy của thạch quyển, làm chúng nâng lên và đôi khi làm nghiêng phần vỏ của Io thông qua quá trình tạo phay nghịch[82]. Ứng suất nén dẫn tới sự hình thành núi là kết quả của sự sụp lún của các vật liệu núi lửa bị chôn vùi liên tục[83]. Sự phân bố núi trên khắp bề mặt cho thấy chúng trái ngược với sự phân bố các cấu trúc núi lửa; các ngọn núi chiếm ưu thế ở những vùng có ít núi lửa và ngược lại[84]. Điều này cho thấy những vùng rộng lớn trên thạch quyển Io nơi sự nén ép (hỗ trợ sự hình thành núi) và sự giãn rộng (hỗ trợ sự hình thành vùng lõm) chiếm ưu thế[85]. Tuy nhiên, ở cấp độ khu vực, núi và vùng lõm thường tiếp giáp với nhau cho thấy macma thường chui vào những đứt gãy được hình thành trong quá trình kiến tạo sơn để đẩy lên bề mặt[68].

Những ngọn núi trên Io (nói chung là những cấu trúc mọc lên cao hơn các đồng bằng xung quanh) có nhiều hình thái. Thường thấy nhất là các cao nguyên[6]. Những cấu trúc này tương tự như những núi mặt bàn lớn, phẳng đỉnh và bề mặt gồ ghề. Những ngọn núi khác thường có vẻ là những khối lớp vỏ bị nghiêng, với một sườn thoải từ bề mặt phẳng trước kia và một sườn dốc gồm những vật liệu thuộc lớp dưới bề mặt trước kia bị đẩy lên bởi các ứng suất nén ép. Cả hai kiểu núi thường có vách đứng có độ dốc lớn dọc theo một hay nhiều bờ mép. Chỉ có một lượng nhỏ núi trên Io có vẻ là có nguồn gốc núi lửa. Những ngọn núi này giống với các núi lửa hình khiên, với các sườn có độ dốc lớn (6–7°) gần một hõm chảo núi lửa nhỏ ở trung tâm và các sườn có độ dốc thấp dọc theo các bờ mép của chúng[86]. Những ngọn núi nguồn gốc núi lửa này thường nhỏ hơn kích thước núi trung bình trên Io, thông thường cao khoảng 1 tới 2 km (0,6 tới 1,2 dặm) và rộng 40 tới 60 km (25 tới 37 dặm). Các núi lửa hình khiên khác với các sườn ít dốc hơn được suy ra từ hình thái của một vài núi lửa trên Io, nơi những dòng dung nham mỏng tỏa ra từ một vùng lõm trung tâm, như tại Ra Patera[87].

Gần như tất cả các ngọn núi đều có vẻ ở một thời kỳ thoái hoá nào đó. Những trầm lắng từ các vụ lở đất lớn là phổ biến tại chân các dãy núi trên Io, gợi ý rằng sạt lở hàng loạt là hình thức thoái hóa chính. Các rìa kiểu vỏ sò rất thường thấy trên các núi mặt bàn và các cao nguyên của Io, kết quả của sự rỉ ra của điôxít lưu huỳnh từ lớp vỏ Io, tạo ra các vùng yếu dọc theo các rìa núi.[88]

Khí quyển

Ánh sáng cực quang trong phần thượng tầng khí quyển Io. Các màu sắc khác nhau thể hiện sự phát xạ từ các thành phần khác nhau của khí quyển (màu xanh lá cây từ sự phát xạ của natri, đỏ từ sự phát xạ của ôxy, và xanh nước biển từ sự phát xạ các khí núi lửa như điôxít lưu huỳnh). Ảnh được chụp khi Io đang xảy ra thực.

Io có khí quyển rất mỏng gồm chủ yếu điôxít lưu huỳnh (SO2) với áp suất bằng một phần tỷ atmotphe[30]. Khí quyển mỏng của Io đồng nghĩa với việc hạ cánh của bất kỳ tàu thăm dò nào được gửi tới Io trong tương lai sẽ không cần phải được bảo vệ bằng lớp chắn chống nhiệt kiểu vỏ tàu vũ trụ, thay vào đó là các tên lửa đẩy lùi cho một cuộc hạ cánh mềm. Khí quyển mỏng cũng buộc tàu vũ trụ muốn hạ cánh phải có khả năng chịu được bức xạ mạnh của Sao Mộc, mà lớp khí quyển dày hơn có thể ngăn chặn bớt.

Bức xạ tương tự (ở hình thức plasma) triệt tiêu khí quyển vì thế nó phải luôn luôn được bổ sung lại[89]. Nguồn SO2 lớn nhất là hoạt động núi lửa, nhưng khí quyển phần lớn được duy trì bởi sự thăng hoa SO2 đóng băng trên bề mặt bởi ánh sáng Mặt Trời. Khí quyển dày hơn ở phía xích đạo, nơi bề mặt ấm nhất và có những đám khói núi lửa hoạt động mạnh nhất[90]. Các biến thiên khác cũng tồn tại, với những biến thiên với mật độ cao nhất gần các miệng núi lửa (đặc biệt tại các địa điểm khói núi lửa) và trên nửa bề mặt ngược Sao Mộc của Io, nơi băng SO2 hiện diện nhiều nhất)[91].

Những hình ảnh độ phân giải cao về Io đã được chụp khi vệ tinh này trải qua một lần thực cho thấy một lớp sáng kiểu cực quang. Tương tự như trên Trái Đất, điều này bởi bức xạ va vào khí quyển. Cực quang thường xảy ra gần các cực từ của các hành tinh, nhưng tại Io thì cực quang lại sáng nhất ở địa điểm gần xích đạo. Io không có từ trường của riêng mình; vì thế, các electron bay theo từ trường Sao Mộc gần Io va chạm trực tiếp với khí quyển của vệ tinh. Càng có nhiều electron va chạm với khí quyển, cực quang càng sáng, nơi các đường từ trường tiếp giáp với vệ tinh (ví dụ, gần xích đạo), bởi cột khí chúng đi qua dày hơn ở đó. Cực quang đi liền với những điểm tiếp giáp đó trên Io được quan sát có "nhảy múa" với sự thay đổi hướng của độ nghiêng từ trường lưỡng cực của Sao Mộc[92].