Io, einer der vier Galileischen Monde, ist der vulkanisch aktivste Körper in unserem Sonnensystem. Durch Ios Nähe zu Jupiter und seine leicht elliptische Umlaufbahn werden starke Gezeitenkräfte erzeugt, die den Mond „durchkneten“ und seines Inneren erhitzen. Die Amplituden der Gezeiten der Gesteinsoberfläche erreichen bis zu 100 Meter. Im Vergleich dazu haben die Erdozeane eine Amplitude von bis zu 15 Metern. Normalerweise, würden diese Gezeitenkräfte die Umlaufbahn zu einem Kreis umformen, aber da Io in einer sogenannten Laplace-Resonanz (s. Factbox) ist, bleibt die Umlaufbahn elliptisch. Dies führt dazu, dass Io viele große Vulkane auf und riesige Magmakammern unter der Oberfläche hat. Kürzlich hat die NASA-Raumsonde Juno den bislang größten Vulkanausbruch beobachten können.

Durch den Vulkanismus entweicht Gas in die Atmosphäre von Io und in weiterer Folge in die Magnetosphäre von Jupiter. Man schätzt, dass Io eine Tonne Gas pro Sekunde verliert. Ein Teil des Gases wird ionisiert: UV-Strahlung von der Sonne und hoch energetische Elektronen in Jupiters Magnetosphäre können ein Elektron von den Gasteilchen trennen und so ein Ion erzeugen. Ionen können sich nicht willkürlich bewegen, wenn ein Magnetfeld vorhanden ist. Sie verbinden sich mit Jupiters Magnetfeld und beginnen, entlang der Feldlinien zu kreisen. Diese Kreisbewegung erzeugt elektromagnetische Wellen im Magnetfeld, sogenannte Ionen-Zyklotron-Wellen (IZW), deren Frequenz von der Masse und Ladung der Teilchen und der Stärke des Magnetfelds abhängt. Um diese Wellen in den Magnetfelddaten zu finden, muss eine Spektralanalyse gemacht werden. Diese zerlegt die Messdaten in "monochromatische" Wellen einer charakteristischen Frequenz. Für jede Frequenz bekommt man die Energiedichte in den Wellen, die dann als Funktion der Frequenz geplottet wird und ein sogenanntes Powerspektrum ergibt. Jedes Maximum im Powerspektrum kann für ein spezifisches Ion stehen.

"Phosphor wurde bisher noch nie auf Io gemessen", betont Daniel Schmid. 

Io ist stark schwefelhaltig, was die gelb-orange Farbe seiner Oberfläche klar zeigt. Deswegen war zu erwarten, dass schwefelhaltige Ionen gemessen werden. Tatsächlich wurde Schwefel-Tri-, Di- und Monoxid sowie atomarer Schwefel in den Powerspektren gefunden. "Natürlich gibt es mehr Elemente an der Oberfläche und im Inneren von Io als nur Schwefel. Leichtere Elemente wie Chlor, Kalium und Silizium sind auch vorhanden und zeigen ihre Signale in den Powerspektren. Diese Elemente waren schon bekannt, aber Wellen von einem Teilchen mit Masse 31 weisen auf Phosphor hin, der bisher noch nie auf Io gemessen wurde", betont IWF-Plasmaphysiker und Co-Autor Daniel Schmid.

Die Stärke der elektromagnetischen Wellen in den Powerspektren, kann zur Abschätzung der Dichte der Ionen verwendet werden, die diese Wellen erzeugen. So kann die Dichte der neu erzeugten Ionen bestimmt werden. Wie erwartet, zeigten die Messungen während des Vorbeiflugs an Io, dass die Dichte abnimmt, je weiter man sich von Io entfernt. Anhand der Magnetfelddaten von fünf Vorbeiflügen (wegen Störungen an der Raumsonde gibt es für zwei Vorbeiflüge keine Daten) sieht man aber auch, wie variabel die Dichten sind. Die schwefelhaltigen Ionen sind immer da, aber nicht immer im gleichen Maß oder Verhältnis. Die anderen Elemente fehlen manchmal völlig.

"Die Entdeckung von Phosphor könnte wichtige Einblicke in die potenzielle Lebensfreundlichkeit der benachbarten Eismonde Europa, Ganymed und Kallisto liefern", erläutert Helmut Lammer.

Für Leben, wie wir es von der Erde kennen, spielen sechs Elemente eine zentrale Rolle: C (Kohlenstoff), H (Wasserstoff), N (Stickstoff), O (Sauerstoff), P (Phosphor) und S (Schwefel). Diese sogenannten CHNOPS-Elemente bilden die Bausteine vieler Biomoleküle wie Proteine, Lipide und DNS. Unter ihnen ist Phosphor das seltenste im Sonnensystem. "Sollte es sich bei dem entdeckten Element mit der Massenzahl 31 tatsächlich um Phosphor handeln, könnte das wichtige Einblicke in die potenzielle Lebensfreundlichkeit der benachbarten Eismonde Europa, Ganymed und Kallisto liefern", so Co-Autor Helmut Lammer, Leiter der Forschungsgruppe Planetenphysik im Sonnensystem. Diese Entdeckung in den Powerspektren ist ein starker Hinweis darauf, dass Io durch seine vulkanische Aktivität eine Quelle für Phosphor im Jupitersystem sein könnte. Da die vier Galileischen Monde vermutlich gemeinsam in einer protoplanetaren Scheibe um Jupiter entstanden sind, legt ein Phosphorfund auf Io nahe, dass auch im Inneren der anderen Monde signifikante Mengen dieses Elements vorkommen könnten. Unter der Oberfläche von Europa, Kallisto und Ganymed werden zudem Wasserozeane vermutet. In Kombination mit dem flüssigen Wasser deutet der detektierte Phosphor darauf hin, dass diese Eismonde womöglich lebensfreundliche Bedingungen bieten könnten. Ähnliche Hinweise wurden bereits beim Saturnmond Enceladus gefunden.

Zukünftige Untersuchungen mit der ESA-Mission JUICE und der NASA-Raumsonde Europa Clipper können helfen zu klären, wieviel Phosphor über Milliarden Jahre von Io auf die benachbarten Eismonde transportiert wurde und wie dieses essenzielle Element im Jupitersystem verteilt ist bzw. zirkuliert.

Die Studie zeigt die Bedeutung von Magnetometern als wissenschaftliche Nutzlast von Raumsonden, die keine oder schlecht funktionierende Teilcheninstrumente - wie zum Beispiel auf Galileo – an Bord haben. Sie können dabei helfen, die Ionenspezies und -dichte rund um Planeten oder Kometen zu bestimmen - vorausgesetzt, die Ionen werden vor Ort neu erzeugt. Zusammen mit der Ionisationsrate (Anzahl der erzeugten Ionen pro Sekunde) kann, im Prinzip, auch die Neutraldichte abgeschätzt werden, wie IWF-Forscher das zum Beispiel für Merkur bereits gemacht haben. Im Gegensatz zu Merkur gibt es bei Io nicht nur eine, sondern viele Möglichkeiten, wie Ionen erzeugt werden können. Daher wurde die Neutraldichte in Ios Atmosphäre in dieser Studie nicht berechnet.

Die Entwicklung und der Bau von Magnetometern hat am IWF eine lange Tradition. Magnetfeldmessungen sind fixer Bestandteil nahezu aller Weltraummissionen, da das Magnetfeld oft als Referenzsystem für die Plasma-Umgebung des jeweiligen Himmelskörpers dient. Die Wechselwirkung zwischen Sonnenwind und einem Objekt im Sonnensystem kann nur in Verbindung mit Magnetfeldmessungen untersucht werden.

"Die IWF-Magnetometer können dazu beitragen, die Entstehung des Sonnensystems besser zu verstehen", so Christiane Helling.

Die Nutzung von Magnetometern als Teilchenmessgeräte betrachtet IWF-Direktorin Christiane Helling als ausgesprochen kreativen Ansatz: "Damit können unsere Geräte dazu beitragen, die Entstehung des Sonnensystems und des Jupitersystems noch besser zu verstehen."