阿西莫夫：月亮的孪生姐妹

【译者之言：木星的卫星艾奥（木卫一）与我们地球的卫星月亮有着惊人相似的地方，实则又有着很大的不同。虽似孪生，却性格迥异。】

儿时刚学会阅读，就开始不分青红皂白，什么都读，回过头来，真的难以道出：“什么才是我人生中第一次通过阅读所了解到的。”在我看来，我写作的各种主题所用到的知识，似乎可以追溯到我儿时朦胧的记忆。

举个例子，我一辈子都不记得，是我早期阅读天文学书籍后，对希腊神话产生了兴趣，还是正好相反。我小时候两样书籍都读过，它们在我的脑海里搅在了一起。

错误可能在于，我在生命的头十年读到的关于天文学的书籍，在对星座的描述及其背后神话的描写都非常给力。早在我真正知道星星是什么之前，我就知道了大熊星、大熊座和小熊星、小熊座在被放入天空之前，曾经是女神卡利斯托和她的儿子阿卡斯。我花了很长时间才意识到，星座对天文学家来说，和国界对地质学家一样重要。

有一个希腊神话提到了女神艾奥（Io）。（我经常使用的普通英语发音是“艾-奥”，但希腊语发音是“伊-奥”。一些天文学家现在一直还读作伊奥。）

艾奥是河神的女儿，不幸地吸引了宙斯炽热的关注。（在希腊神话中，宙斯被赋予和所看到的每一个女性做爱的权力，这让他嫉妒心很强的妻子赫拉非常恼火。）

赫拉知道（她总是会知道）之后，为了报复，她把艾奥变成了一头白牛，并差遣怪物阿格斯去看管她。阿格斯有一百只眼睛，在任何时候，都只有其中一些闭上睡觉，其它睁着，所以他是一个高效的看守人。（当然，三个普通人轮班也是可以做到的，但希腊众神从来就没有想过简单的解决办法。）

于是，宙斯派赫耳墨斯过去，给阿格斯讲了一个伤感的故事，让他睡着。这样，当可怜的阿格斯将所有一百只眼睛都闭上，打起呼噜时，赫耳墨斯杀了他。

而赫拉也不甘示弱，派了一只牛虻去叮咬艾奥，让这个变成白牛的可怜女神，在地中海东部的大地上不断地游走。神话中每次描述她时，都提到她穿过一个海峡，从一片陆地游走到另一片陆地，这个海峡被命名为“博斯普鲁斯”（意思是“牛滩”）。

她首先去了希腊的西海岸，但希腊和意大利之间的大海太宽阔了，无法穿过。（为了纪念她，这里仍被称为“艾奥尼亚海”。然后她又向北和东方走去，穿过黑海的北岸，向南到达了高加索，从那里穿过西梅里亚.博斯普鲁斯（现在称为刻赤海峡）进入克里米亚半岛。然后进入色雷斯，穿过狭窄的海峡进入小亚细亚。这就是“色雷斯.博斯普鲁斯”，也是古老的博斯普鲁斯今天唯一保留下来的名字。伊斯坦布尔就在博斯普鲁斯的岸边。

然后，她又向东和向南前往印度，通过阿拉伯回到西部，并穿过红海南端狭窄的海峡，进入尼罗河上游的埃塞俄比亚。这个海峡就是“埃塞俄比亚.博斯普鲁斯海峡，现在被称为巴布曼达海峡”。最后，她向北到达了埃及，在那里生下了宙斯的儿子，并作为埃及女神伊西斯，安顿下来。

有些人认为艾奥实际上是一个月亮女神。弯曲的牛角代表新月，新月坐落在天空中，无数的星星（阿格斯的眼睛）在注视着她。当太阳升起时，所有的星星都会褪去，这样月亮就可以自由地在天空中漫步，每个月都会完全绕一整圈，就像艾奥绕着地中海东部游走一样。

（请记住，当我们回到天文学时，艾奥就是接下来的月亮女神。）

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1610年1月，意大利科学家伽利略（1564-1642年）利用他设计的望远镜，第一次指向天空，在木星附近发现了四颗像星星一样的模糊天体。他整夜整夜地观察，很明显这四个天体就像月亮绕着地球一样，在绕着木星转动。因此，这些天体开始被认为是“木星的月亮”。

德国天文学家约翰·凯普勒（1571-1630年）建议，将它们称为“卫星”，这是一个拉丁语，指那些依附有钱有势的人，希望偶尔以金钱或优待的方式获得一些好处的寄生虫。这个名称的使用，比“月亮”一词要好得多，因为月亮最好还是用作地球卫星的名称，而不要用作其它。（尽管如此，三十多年前我写了一本书，名为《幸运的星星和木星的月亮》，这个书名从此一直让我感到尴尬。）

自然，这四颗卫星需要名字，伽利略试图称它们为“美第奇行星”，以纪念托斯卡纳大公科西莫二世·德·美第奇（1590-1621年），他当时是伽利略的赞助人。幸运的是，这个名称没有得到坚持，它们被称为了“加利略卫星”，这是一个更好的名称。

德国天文学家西蒙·马吕斯（Simon Marius）（1573-1624年），在伽利略之后不久也看到了这些卫星，他给它们每个都取了一个神话人物的名字。他以四个都被宙斯（罗马人认为等同于他们的上帝——Jupiter（木星））拥抱过的人为它们命名。根据离木星由近至远的距离，他将它们分别命名为“艾奥（木卫一）”、“欧罗帕（木卫二）”、“甘尼米德（木卫三）”和“卡利斯托（木卫四）”。

我已经讲过了关于艾奥的故事。欧罗帕是一位腓尼基公主，宙斯以公牛的身形，把她带到克里特。卡利斯托是一个女神，她为宙斯生了一个孩子，被愤怒的狩猎女神阿耳忒弥斯变成了熊，阿耳忒弥斯要求为她服务的女神都必须是处女。当卡利斯托的儿子阿卡斯长大成人时，追捕到她，准备杀死她时，宙斯把阿卡斯也变成了一头熊，并把他们两个当作星座放在了天空中。

至于甘尼米德，他是一个英俊的特洛伊王子，也适合宙斯兼收并蓄的品味。（古希腊人并不反对他们神中的双性恋。）宙斯以鹰的身形，将甘尼米德带到奥林巴斯为他捧杯。

为什么马吕斯会选择这些特别的名字，而不是宙斯其他相好的名字呢？我想，这是一个随机选择的问题。

甘尼米德是伽利略卫星中最亮的一颗，有4.5级，马吕斯带有当时随意的性别歧视，所以给它起了一个男性的名字。（所有四颗伽利略卫星都足够明亮，可以用肉眼看到，但它们都被淹没在附近木星耀眼的光芒之中了。）我怀疑，其它三个女性的名字也是随机分配的。

这不禁又将我们带到了我所喜欢的一种巧合之中。（多年来一直关注我的文章的人都知道，我在热心地收集科学和历史上的巧合。并不是我觉得它们有某种神秘性，只是巧合而已。）

记住，艾奥是一位女神，她的神话经历可以看作是对月球天文学行为的解释。那么，作为一颗卫星，我们除了它的存在、它的亮度和围绕木星转动之外，其它一无所知——而它在好些方面又都应该是月亮双胞胎的不二选择，我们难道一点都不觉得奇怪吗？

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首先，月球的直径为3470公里 （2160英里），而艾奥的直径为3630公里 （2255英里）。艾奥的直径只比月亮大4.67%。太阳系中其它天体，直径上再没有比艾奥这么接近月球的了。

其次，月球的平均密度为3.341克每立方厘米，而艾奥的平均密度为3.55克每立方厘米。在太阳系所有相当尺寸的天体中，艾奥是唯一一个密度如此接近月球的天体。这两个天体大概都是由岩石材料组成的。两者都没有太多的金属成分（如：地球、金星和水星），也没有像其它大型卫星那样带有大量冰的成分。

当然，由于艾奥比月球大一点，密度也大一点，艾奥最终的质量大约是月球的1.2倍。这仍然相当接近。

接下来，让我们考虑每颗卫星与它的主行星（即它所环绕的行星）的距离。月球距离地球，中心到中心的距离平均为384401公里（238867英里）。而艾奥到木星的平均距离为421600公里（262000英里）。这意味着艾奥离木星比月球离地球远9.7%。这不是很接近，但仍然还是相当接近。

就与主行星的距离而言，另外只有一颗卫星更接近月球。土卫四是土星的卫星之一，从中心到中心，它距离土星37.7万公里（23.4万英里）。与地球和月球的距离相比，只有2.1%的差距。不过，土卫四的直径只有大约1120公里（700英里），因此与艾奥和月球相比，它只是一个小天体。

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但这对双胞胎也只能走到这么远了，除了大小、密度、质量和距离之外，这对双胞胎一点也不相似。

首先，它们围绕着彼此截然不同的行星旋转。木星比地球要大得多，其质量是我们这个微小行星的318.4倍。这意味着，在与行星相等的距离下（只要这些距离大于任何一颗行星的半径），木星的引力场的强度是地球的318.4倍。

艾奥与木星的距离也许和月球与地球的距离大致相同，但在木星强大引力的作用下，它移动的速度要快得多。月球沿着其轨道以平均1.03公里每秒（0.64英里每秒或2304英里每小时）的速度在慢跑。而另一方面，艾奥为了避免被木星的强大引力拖入，并被摧毁，它必须以17.4公里每秒（10.8英里每秒或38880英里每小时）的速度移动。换句话说，相对于木星，艾奥在空间移动的速度是月球相对于地球的17倍。

由于它们与主行星的距离相似，它们都必须在轨道上移动相似的距离，才能围着其主行星绕出一个完整的圆圈。月球绕地球的轨道长为1207630公里（750421英里）。而艾奥绕木星的轨道长为1324500公里（823000英里）。

相对于恒星，月球在27.32天内绕地球转动一圈——这被称为“sidereal month（恒星月）”，“sidereal”来自拉丁语，意思是“恒星”。然而，相对于恒星，艾奥在1.77天内就能在略长的轨道上绕木星一圈。月球绕地球一圈，艾奥则可以绕木星15.4圈。

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主行星对卫星的引力是不均匀的。卫星的内侧更接近主行星，受到的引力比卫星的外侧更大。因此，卫星会被引力向主行星方向拉伸，朝主行星会有一个轻微的隆起，而另一端隆起则背离主行星，这就是“潮汐效应”。

随着主行星引力的增大、卫星尺寸的增大以及两者之间距离的减小，潮汐效应的程度会增大。

潮汐隆起的存在会干扰卫星的旋转。随着卫星的旋转，主行星的引力会在隆起处拖拽，卫星表面部分也会连续朝主行星隆起，然后又下沉。卫星体内的这种运动所产生的内部摩擦，会释放出旋转能量，转化为热量。卫星的旋转会减缓，并最终停止（相对于其主行星），此时隆起会永久地指向和背离主行星，不再有进一步的拖拽。

月球在地球上产生潮汐隆起，但月球的质量只有地球的1/81，所以它的引力相当弱，而地球的旋转能量则相当大。虽然月球的潮汐效应减缓了地球的自转，使地球自转的时间比远古时期长得多，但它还不能阻止地球相对于月球的自转。

然而，地球对月球的潮汐效应，比月球对地球的潮汐效应要强烈得多，而且月球的旋转能量也比地球要小得多。因此，月球相对于地球的自转已经停止了，它只有一面朝向我们。不过，虽然月球相对于地球不旋转，但它相对于恒星，还是绕着自身的轴在旋转。它的恒星日是27.32个地球日，正好等于它的恒星月（只有一面朝向其主行星的卫星总是这种情况）。

艾奥对超大质量木星的潮汐效应是微不足道的，但木星对艾奥的潮汐效应则是巨大的，是地球对月球潮汐效应的几百倍。这样，艾奥以及其它的伽利略卫星，总是只有一面朝着木星，这就一点也不奇怪了。因此，艾奥的恒星日就等于其恒星月，都是1.77个地球日。

如果卫星还没有在行星的赤道平面上，潮汐效应会倾向于将其拉到赤道平面上，而如果卫星的轨道还不是圆形，潮汐效应则会倾向于使其变成圆形。不过，除非潮汐效应非常巨大，否则这个变化过程是非常缓慢的。

例如，月球不在地球的赤道平面上，而是倾斜了大约23度。月球的轨道显然是椭圆的，偏心度为0.055。这个偏心率不是很大，比火星和水星轨道的偏心度都小，与土星轨道的偏心度大致相等。尽管如此，它仍然是地球绕太阳轨道的偏心度的三倍多，而且比其它任何大型卫星轨道的偏心度都大。

随着时间的推移，月球的轨道可能会变得更圆，并可能更接近地球的赤道平面。然而，月球离地球非常遥远，而地球与巨大的带外行星相比又是那么的渺小，因此潮汐效应也相对较小。此外，太阳距离我们1.49亿公里（9300万英里），算是比较近的，它会产生引力方面的复杂因素，我们预计月球轨道的修正一定会是一个漫长的过程。

木星对其伽利略卫星的潮汐效应太大，而遥远的太阳影响又比较小，使得那里的情况有所不同。伽利略卫星的轨道都非常接近木星的赤道平面，偏心度也非常接近于零。

木星的潮汐效应随着卫星距离的减小而迅速增加。因此，潮汐效应在艾奥上比在任何其它伽利略卫星上都要强得多，它的轨道预计会比其它三个卫星，更接近木星的赤道平面，也更接近于圆形。（事实上，由于木星的巨大质量和艾奥作为一颗非行星天体的庞大身躯，艾奥遭受的潮汐效应，比太阳系中的任何其它天体都要大得多。）

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现在让我们考虑一下偏心率和潮汐效应的组合。潮汐效应随增大距离的三次方而减小。由于月球轨道偏心率相对较大，它与地球中心最近距离为35.6万公里（22.1万英里）（“近地点”），两周后它与地球最远距离为40.7万公里（25.3万英里）（“远地点”）。因此，地球对月球的潮汐效应在月球的近地点，比在远地点要大50%。

我们可以想象月球两端慢慢被拉成一个稍大的隆起，然后坍缩成一个稍小的隆起，而后又回到一个稍大的隆起。这是一种手风琴效应，从一个最大隆起到下一个最大隆起之间的时间为一个恒星月，即27.32个地球日。

月亮的孪生姐妹艾奥受到的潮汐效应，比地球对月球施加的潮汐效应要大得多，但如果它的轨道完全是圆形的话（正如我所说的，你可能会认为它应该是圆形的），就不会有手风琴效应了。

不过，艾奥的轨道还是有一点点偏心，并且会一直这样，因为有来自附近其它大型天体的干扰。欧罗帕、甘尼米德和卡利斯托（特别是靠得最近的欧罗帕）的引力，对艾奥的轨道产生了扰动效应，使它远离了完美的圆形。

这意味着，艾奥和所有伽利略卫星都有手风琴效应。不过，卫星离木星越近，效应就越强，越快。因此，卡利斯托每16.69天出现一次手风琴效应，而艾奥则会更强烈，每1.77天出现一次。

这些手风琴效应会消耗旋转能量，并将其转化为热量。实际上，伽利略卫星会被潮汐效应加热，离木星越近，加热就越厉害。太阳系中，艾奥被潮汐力加热，比任何其它天体都更厉害。

这就解释了我们现在所知道的这些卫星的密度。卡利斯托是最外层的伽利略卫星，平均密度为1.83克每立方厘米，它一定主要由冰物质组成。下一个是甘尼米德，被加热得更高，失去了部分的冰物质，平均密度为1.93克每立方厘米。欧罗帕失去了更多的冰物质，密度为3.04克每立方厘米。而艾奥是被加热最厉害的一个，其密度为3.55克，一定是完全由岩石物质组成——就像我们的月亮一样。

所以这样看来，艾奥似乎仍然是我们月亮的孪生姐妹，是一个可能值得近距离观察的独特天体。

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1972年3月2日，人类发射了探测器先驱者10号，第一次近距离观察木星及其卫星的机会到来了。1973年12月3日，探测器来到了最接近木星的地方。它的主要目的是拍摄木星本身，而不是卫星。但即便如此，它还是发现了不少东西。

考虑到伽利略卫星的表面重力和表面温度，预计它们中的任何一个都不会有实质性的大气。艾奥应该也像它的孪生姐妹月亮一样，没有大气。（一些大小相当的天体，如：土星的卫星土卫六、海王星的卫星海卫一，以及小行星冥王星，都有相当可观的大气，但它们的温度都比伽利略卫星要低得多，可以抓住行动相应缓慢的气体分子。）

然而，当先驱者10号向地球发送无线电信号时，其中一些信号恰好掠过艾奥，它们被扭曲了，表明卫星附近存在一个电离层，是一个富含带电粒子的区域。反过来，这一般似乎又表明了大气的存在，即便非常稀薄。

伙伴探测器先驱者11号于1973年4月5日发射，并于1974年12月2日最接近木星，但没有增加任何新的内容。不过，天文学家们已经对艾奥变得十分好奇，开始从地球上的天文台瞄准了艾奥。

1973年，他们发现了明确的迹象，表明在艾奥周围有一团薄薄的钠蒸汽云，扩散到数十万公里之外。后来，他们又发现在艾奥周围有更广阔的硫和氧气云雾。事实上，这些云雾填满了艾奥的整个轨道，让它变成了一个薄薄的蒸汽甜甜圈，而艾奥在其中蹒跚前行。

在太阳系的其它地方还没有发现过类似的情况，而让人奇怪的是，这似乎又与艾奥猛烈的手风琴效应正好吻合。一个经历最强烈潮汐扭曲的世界，也是唯一的一个被云雾填满轨道的世界，这不可能只是个巧合。

因为艾奥根本不能保持静态的大气，不可能是大气中溢出的蒸汽进入了轨道。即使来自大气，它也应该早就溢入轨道并消失了。由于蒸汽甜甜圈今天仍然存在，一定是艾奥一直从其内部结构不断地产生蒸汽。

在20世纪70年代末，人类又发射了两个新的木星探测器，这些探测器比先驱者要复杂得多。旅行者1号于1977年9月5日发射，并于1979年3月5日通过木星。旅行者2号在此前两周，即1977年8月20日就已发射，但直到1979年7月9日才通过木星。

当它们还在旅途中时，天文学家们也在研究手风琴效应，在一些人看来，艾奥似乎会被加热得非常厉害，而被加热的物质会冲破它的地壳，形成火山，将物质喷射到艾奥表面上方无大气的空间中。

就在旅行者1号接近木星，并拍摄了艾奥的第一张特写照片之前的几天，有关这种效应，还发表了一篇论文。

天文学家自然会认为，一个与月球大小和密度相近的世界，应该会有一个像月球一样的表面。然而，当旅行者1号从不到19000公里（12000英里）的地方掠过艾奥时，却发现艾奥表面的照片与月亮大不相同。艾奥的表面环形山很少，它是一个红色、橙色和黄色（还有一点黑色和白色）的大杂烩世界。

此外，那里确实有火山，但不只是像火星和金星上那样的死火山。有一些火山还在积极地喷出物质。一共观察到了9座活火山，艾奥被证明是太阳系中除了地球外，第一个有活火山的天体。几个月后，当旅行者2号经过时，9座火山中还有8座在喷发。

它们正在喷射二氧化硫，在遥远的太阳的紫外线照射下分解成硫和氧气。有些硫就像红色的雪一样落下，每年堆积五到六厘米。它填满了大多数的环形山，所以只有最新的环形山仍然是黑色的，而正是硫带给了艾奥表面的颜色。一些硫蒸气和氧气在艾奥上形成了一层超薄的大气，也许只有地球大气密度的十亿分之一，然后慢慢地溢入到太空中，形成了卫星穿过的硫和氧蒸气的甜甜圈。

每个世界似乎都有截然不同的两个半球。地球的一个半球几乎是全海洋，而另一个则挤满了陆地。月球所有的黑暗区都在一个半球，而在另一个半球却没有。土卫八有一个黑暗的半球和一个明亮的半球。火星有一个带环形山的半球，和一个不带环形山的半球。同样，艾奥的的一个半球有巨大的火山，而另一个半球只有小火山。造成这些不同的原因都还不是太清楚。

艾奥的火山不仅为自己的表面着色，而且还为邻近的卫星的表面带去了颜色。在艾奥的轨道内有一颗小卫星，阿玛西娅。它距离木星中心只有181300公里（112000英里），12个小时就绕木星一圈。它的直径只有240公里（150英里），看上去是红色的。毫无疑问，它捕获了艾奥的一些硫磺雪。而在离艾奥更远的卫星欧罗帕的表面，也有硫的痕迹。

未来，我们有机会再去看看艾奥。1989年底，发射了距今为止最复杂的探测器伽利略号，它将沿着环形轨道于1995年到达木星。它原定于1982年发射，但有些延迟，主要是由于挑战者号的灾难引起的。

伽利略号将拜访每一颗伽利略卫星——有几次是对外围的卫星，而只会经过艾奥一次，因为它离木星太近，木星带电粒子聚集的巨大磁层，太容易破坏伽利略号的精密仪器。

不过，这将是一次漂亮的穿越。伽利略号将到达离艾奥表面1000公里（620英里）的地方，它应该会在巧妙而详细设计的动作中捕捉到一些火山。那将是多么精彩啊！

【译者之言：伽利略号探测器于1995年12月抵达木星，2000年2月22日，从距艾奥（木卫一）表面199公里处掠过，这是人类制造的宇宙飞行器第一次到达离木卫一如此之近的地方，并且发回了大量的宝贵资料。伽利略号探测器于2003年9月21日坠毁于木星，以此结束其近14年的太空探索生涯。】

（作者：艾萨克.阿西莫夫（Isaac Asimov），译者：劲松，校对：晓燕）