[科普中国]-伽利略卫星

伽利略卫星（Galilean satellites）是木星的四个大型卫星，由伽利略于1610年1月7日首度发现，所以将他们称为伽利略卫星。1

依其编号次序被命名为“艾奥”(Io)、“欧罗巴”(Europa)、“加尼美得”(Ganymede)和“卡里斯托”(Callisto)。它们是不以地球为中心运转天体的第一个发现，也是赞同哥白尼的日心说的有关行星运动的主要依据。这四个卫星可以低功率望远镜来观测，如果没有光害，且环境极好，甚至可用肉眼勉强看到木卫四。1

命名由来1610年伽利略观测这四个卫星多日，发现虽然木星在空中移动，卫星仍环绕木星公转，从而得到支持哥白尼日心说的论据，即并非所有天体均环绕地球旋转。木星的伽利略卫星在1610年发现后不久便由西门·马里乌斯命名为“艾奥”（Io）、“欧罗巴”（Europa）、“盖尼米德”（Ganymede）和“卡里斯托”（Callisto）。20世纪之前，这些名称并不受欢迎，取而代之的为“木卫一”、“木卫二”，或“木星的第一颗卫星”等诸如此类的称号。直到20世纪，这些名称才又被广泛使用。1

伽利略卫星简介伽利略卫星是木星的四颗卫星，即木卫一（Io）、木卫二（Europa）、木卫三（Ganymede）、木卫四（Callisto），是意大利天文学家伽利略在1610年发现的，因而得名。它们的轨道呈圆形，其轨道平面几乎都和木星的赤道面重合，自转周期和绕木星转动的周期相同，是太阳系内四个较大的卫星。这些卫星的发现对于日心体系的确立起了历史性的作用。十七世纪七十年代，丹麦天文学家罗默正是通过伽利略卫星被木星掩食的现象第一次测出了光的传播速度。十七世纪以来，对伽利略卫星的研究取得了许多成果。1

木卫一木卫一“艾奥”是木星四颗伽利略卫星中最靠内侧的一颗，公转轨道距离木星422,000公里，其直径约3630公里，除了地球之外，木卫一是太阳系中唯一一颗被证实存在频繁火山活动的星球。由于木卫一的引力较弱，大型爆发事件产生的碎屑喷发物会上升到很高的位置上。3
木卫一首先由伽利略1610年发现，并命名为Io。它有稀薄的大气，由二氧化硫与其他气体组成。与外层太阳系的卫星不同，木卫一与木卫二的组成与类地行星类似，主要由炽热的硅酸盐岩石构成。其表面也与太阳系中其他星体截然不同，这使得科学家在第一次接触旅行者号发回的数据时非常惊奇。他们原以为在类地星体上应布满了受撞击后留下的大大小小的环形山，然后以单位面积内留下的“弹坑”来估计星球外壳的年龄。但实际上木卫一的表面环形山极少，简直屈指可数。这样看来，其表面非常年轻。4

木卫一有着令人惊异的多种地形：有向下有数千米深的火山口，有炽热的硫湖，有很明显不过的非火山的连绵山脉，流淌着数百千米长的粘稠的液体，还有一些火山喷口。硫和其化合物的多种颜色使得木卫一表面的颜色赋予多样化。3

木卫一表面的最热点温度可达700K，虽然它的平均温度只有大约130K。这些热点是木卫一损失其热量的主要原因。不像其他伽利略发现的卫星，木卫一几乎没有水。这可能由于在太阳系进化过程的初期，木星太热，把木卫一较易挥发的物质都蒸发掉了。3

木卫一有令人惊异的多种地形：有向下有数千米深的火山口，有炽热的硫湖，有很明显不过的非火山的连绵山脉，流淌着数百千米长的粘稠的液体，还有一些火山喷口。硫和其化合物的多种颜色使得木卫一表面的颜色多样化。4

对旅行者号的图片分析使得科学家确信木卫一表面的熔岩流大多由炽热的硫的化合物组成。然而，接下去的基于地表的研究表明对那里温度过高，不会有液态硫。一个当前的说法是，木卫一的熔岩流是由炽热的硅酸盐岩石组成的。最近的哈勃望远镜的观察表明那些物质中可能富含钠，或者说那里不同的地方物质有着不同的组成成份。4

木卫一所有活动所需要的能量可能来自与它与木卫二，木卫三及木星之间的交互引潮力。这三颗卫星的共动关系固定，木卫一的公转周期是木卫二的两倍，后者是木卫三的两倍。虽然木卫一就像地球的卫星月球一般，只用固定的一面朝向其主星，由于木卫二与木卫三的作用使它有一点点不稳定。它使木卫一扭动、弯曲，大约有100米长，并在复原扭曲的循环中产生能量。木卫一同样切割木星的磁场线，生成电流。对于引潮力而言由此产生的能量不多，但电流的功率仍有1兆瓦特。它也剥去了一些木卫一的物质，并在木星周围产生强烈的凸起状辐射。在凸出面中脱离的粒子部分地造成了木星的巨大磁层。4

来自伽利略号的最近数据显示木卫一可能有自己的磁场，就像木卫三一样。木卫一有稀薄的大气，由二氧化硫与其他气体组成。岩石质的木卫一(Io)是太阳系中最与众不同的一个卫星。对木星系的探测中最令人惊奇的发现就是木卫一上的活火山，木卫一是除了地球太阳系中唯一一个存在活火山的天体。旅行者号在探测木卫一时，竟发现在木卫一表面有九个火山在同时喷发。喷发物上升的高度达到300公里，喷出物质的速度达到每秒一公里。剧烈的火山活动使木卫一表面覆盖着一层厚厚的硫磺，所以木卫一看起来呈现橘黄色。4

木卫一如此活跃的原因可能是因为它位于木星与木星的另两颗大卫星——木卫二和木卫三的共同引力潮汐作用下，这种类似拔河竞赛似的引力作用常常使木卫一的形状发生大至100米左右的改变。木卫一的表面温度约为零下143℃，在火山喷发时的温度可达17℃，因此木卫一表面会有大小不一的熔岩湖。这与地球形成初期的情形十分相似。3

木卫二木卫二(Europa)是木星的第六颗已知卫星，并是木星的第四大卫星，在伽利略发现的卫星中为离木星第二近。木卫二比地球的卫星月球稍微小一点。2

木卫二距离木星 670,900 千米，卫星直径为3138 千米，质量为 4.80e22 千克。木卫二由伽利略于1610年发现。2

木卫二与木卫一的组成与类地行星相似：主要由硅酸盐岩石组成。但是与木卫一不同，木卫二有一个薄薄的冰外壳。最近从伽利略号发回的数据表明木卫二有内部分层结构，并可能有一个小型金属内核。但是木卫二的表面不像一个内层太阳系的东西，它极度的光滑：只能看到极少的数百米高的地形。凸出的记号看来只是反照率特性或是一些不大的起伏。2

木卫二上的环形山很少；只发现三个直径大于5千米的环形山。这表面它有一个年轻又活跃的表面。木卫二的表面精确年龄是一个悬而未决问题。2

木卫二的表面照片与地球海洋上的冰的照片相似。这可能是因为木卫二表面的冰以下有一层液态的水，或许有50千米深，由引潮力带来的热量保持液态。如果是这样的话，这将是除地球之外，太阳系中唯一一个有大量的液态水存在的地方。2

木卫二最醒目的外观是遍布全球的一串串十字条纹。较大的一个向外扩散到淡色物质地带，长近20千米。最近的有关它们的起源理论是：它们由一连串火山喷出物或喷泉产生。最近的哈博望远镜观察揭示出木卫二有一个含氧的稀薄大气。太阳系中63个卫星里只知道有4颗卫星（木卫一，木卫三，土卫六和海卫一）拥有大气层。不像地球的大气中的氧，木卫二的并不是生物形成的。它最可能是由于太阳光中的电荷粒子撞击木卫二的冰质表面而产生水蒸气，然而分成氢气和氧气。氢气脱离，留下了氧气。2

来自伽利略号两次接近木卫二发回的图片看来验证了早期的理论：木卫二的表面相当年轻，只看到很少的环形山，一些活动很显然正在发生。有些区域看来很像春天到来时，两极的海洋处冰块融化的情景。木卫二表面和内部的确切性质还不很清楚，但有一个表面“海洋”的确切证据。2

木卫二(Europa)是太阳系中另一颗与众不同的卫星。木卫二是太阳系中最明亮的一颗卫星，几百年来它以它的独特性使一批又一批的科学家对它着迷。它之所以显得如此明亮是由于它表面有一层厚厚的冰壳，这层冰壳上布满了陨石撞击坑和纵横交错的条纹。木卫二的内部很可能是非常活跃的，在冰壳下面很可能隐藏了一个太阳系中最大的液态水海洋，这个海洋中极有可能存在着生命。2

具体而言，木卫二直径约3100千米，略小于月球，是木星4颗伽利略卫星中最小的一个，距离木星约67万公里，被木星潮汐锁定，如月球一样永远是一个面对着木星，同时由于木卫一、木卫二、木卫三也呈1:2:4的潮汐锁定关系（即绕木星公转周期为1:2:4），潮汐加热现象使得木卫二内部较热，令液态水的存在成为可能，因为它也成为太阳系中适合生命存在的一个热门候选。6

木卫三Ganymede 为最大的木星已知卫星，也是第七颗发现的木星卫星，在伽利略发现的卫星中离木星第三近。木卫三距离木星 1,070,000 千米，卫星直径为5262 千米，质量为1.48e23 千克。它的直径大于水星，质量约为水星的一半，也是太阳系中最大的卫星**。5**
木卫三被伽利略于1610年发现。但其实早在2000多年前，我国战国时楚国著名天文学家甘德就发现了，可因为当时科学还不被广泛普及，所以这个结论被认为为谬论。直到1610年伽利略发现才证实了这一说法。5

木卫三(Ganymede)是环绕木星运行的一颗卫星。是太阳系最大的卫星,直径约5276千米。木卫三仅需要一个多星期即可绕木星旋转一圈，离木星有1070000千米。5

在伽利略号接触木卫三之前，普遍认为它与木卫四是一块石质物质外包一个大的水或冰水混合物作为地幔，并有一个冰外壳（这与土卫六和海卫一相似）。来自伽利略号的初步数据提议木卫四有一个独一无二的组成成份，而木卫三则有三个层结构：一个小型的铁或铁硫化物内核，外面是硅酸盐岩石地幔，最外部是冰质外壳。事实上，木卫三除了一个冰外壳外，与木卫一极相似。5

木卫三的表面很粗糙，混有两种地形：非常古老，陨坑遍布的黑暗区，和相对年轻的有着大片凹槽和山脊的较明亮地区。它们的起源很显然不过是因为自然构造的，但详情不很清楚。在这方面，木卫三可能与地球，及金星或火星类似。7

哈勃望远镜发现了木卫三有稀薄的含氧大气的证据，与木卫二上发现的极相似。类似的凹槽与山脊的地形在土卫二、天卫五和天卫一也可见。黑暗区则与木卫四的表面相似。5

两种地形上都有延伸的环形山，环形山的密集程度反映它已有了30-35亿的年龄，与月球并不多。环形山有时为凹槽所切断，说明凹槽也很古老。相当年轻的环形山通过发出的光线也可被看到。但是它不像月球，陨坑都较平，缺少环状的山相围，中央洼地则通常与月球和水星上的相同。这可能是由于木卫三的冰外壳较脆弱，使地质流动而缺少起伏的缘故。古老的环形山被逐渐抹去，常被称作“覆画”。5

伽利略号飞行器第一次飞经木卫三时发现它有自己的磁场，内含于木星巨磁场中。这可能与地球的生成原因类似：星体内部物质运动的结果。研究人员发现，在太阳系中最大的卫星木卫三“加尼米德”(Ganymede)表面的崎岖冰层下，可能藏有液态的咸水海洋。地下水源的存在，是星球上是否拥有生命迹象的重要指针。这项最新的结果使得“加尼米德”也成为第3颗拥有地下水源的木星卫星。另外2个类似的卫星，分别是木卫二“欧罗巴”(Europa)以及木卫四“卡利斯托”(Callisto)。研究人员是在分析美国太空总署(NASA)的伽利略号宇宙飞船(Galileo)所传回的资料时，发现了可能的地底海洋。5

伽利略号宇宙飞船在1995年12月升空后，便开始绕着木星飞行收集资料。今年5月20日，伽利略号终于飞到最接近“加尼米德”的位置，两者仅仅相距809公里。科学家最近的发现，就是根据这次所传回来的资料。研究小组表示，一种用来测试磁场的仪器，在“加尼米德”的内部，侦测到一些细微的变化，暗示可能是一种具传导性的液体，例如咸水。加州大学洛杉矶分校(UCLA)的太空物理学家基弗森(Margaret Kivelson)说：“在与数量庞大的资料奋战了几个月之后，我们相信，在“加尼米德”的表面冰层下，应该藏有一层液态的水。”这个约有几英里厚的液态水层，应该是落在距离卫星地表160公里左右的地底下，水温可能为摄氏零下55.56度，不过，由于卫星内部的高压，这个液态水层并未结冰。伽利略号的相关研究人员也表示，根据宇宙飞船最近传回来的高度显影照片，“加尼米德”的表面活动看起来与地球相差无几。受到卫星内部放射性元素的热度影响，“加尼米德”地表的坚硬冰层，事实上，是浮在一层更具活动性的冰上。不过，在人类寻找外星生物的计划上，木星的“欧罗巴”卫星，还是目前科学界最主要的目标。因为，不像“卡利斯托”或是“加尼米德”，科学家在“欧罗巴”上所侦测到的地底海洋层并不很深，离地表只有几英里的距离，它的水温则足以让其保持液状形态。5

木卫四木卫四（Callisto）由伽利略和Marius于1610年发现。不像木卫三，木卫四的内部结构近乎没有；它一律由或多或少的40%的冰与60%的岩石或铁组成。这与土卫六和海卫一可能相似。木卫四距木星1,883,000 千米，卫星直径为4800 千米，质量为1.08e23 千克。木卫四的表面都是环形山，表面十分古老，就像月球和火星上的高原。木卫四有太阳系中所观察到的星体中最古老的表面环形山最多的地表；在漫长的40亿年中，除偶然的撞击之外只有很小的变动。4

较大的一些环形山周围围绕着一串同心环 ，就像裂痕一般，不过经过岁月的沧桑，冰的缓慢运动，已使它平滑了不少。其中最大的一个被称作Valhalla，直径4000千米，并是多环盆地，猛烈撞击后产生的典型例子。4

与木卫三相似，木卫四的古老的环形山已经崩溃。它们缺少月球和水星上所有的高大的环状的连山，放射状射线和中央洼地。来自伽利略号的清晰图片显示，至少在某些地区，小型环形山已消失。这说明一些运动正在进行中，不管其他的是否在衰落过程中。4

另一个奇特的地形现象是Gipul Catena，一系列撞击出的环形山在一条直线上排列。这可能由于一个物体在接近木星时受引力而断裂（与苏梅克列维9号彗星极相似），然后撞向了木卫四引起。伽利略号没有发现它的磁场的证据。与木卫三不同的是，它有复杂的地形，但木卫四上的地壳运动证据颇少。它的大多数性质与木卫三相同，所以它应有一个与木卫三类似的地理历史。这两颗卫星的不同地理历史是行星科学的重要难题。4

木卫四是迄今为止科学家认为最有可能存在生命的星球，它表面有平均厚度达300多米的冰层，下面极有可能存在人类未知的生命体。4

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于仁业 - 高级工程师 - 中航工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司