木衛一

木衛一

木衛一,即艾奧,是木星的四顆伽利略衛星中最靠近木星的一顆衛星,它的直徑3,642 公裏,是太陽系第四大衛星,表面環境極其惡劣,眾多超級火山活動和超強地震頻繁發生,地表形態塑造周期較短。它的名字來自眾神之王宙斯的戀人之一:艾奧,是赫拉的女祭司

  • 中文名稱
    木衛一
  • 外文名稱
    Io
  • 體    積
    2.53×1010 km3 (0.023地球)
  • 表面積
    41,910,000 km2 (0.082地球)
  • 反照率
    0.63 ± 0.02
  • 星    等
     5.02 (沖)
  • 發現者
    伽利略、馬裏烏斯
  • 質    量
    8.9319×1022 kg (0.015地球)
  • 宇宙速度
     2.558 km/s
  • 平均密度
    3.528 g/cm3
  • 表面溫度
    平均 130K ;最大 200 K
  • 赤道旋轉速率
     271 km/h
  • 發現日期
    1610年1月7日

簡介

物理特徵

與不少外太陽系的衛星不同,木衛一與類地行星有不少相似的地方,其表層由矽酸鹽熔岩所構成,根據伽利略號所觀測的資料中,它的核心可能由硫化鐵所組成,其半徑估計最少有900公裏。

人們以前一直認為,木衛一表面定擁有不少環形山。可是從旅行者1號于1979年傳回地球的照片中,木衛一表面的環形山並不多,並非如人們所想,這是因為其火山活動使它的地形不斷改變。于是,人們便把它不斷更新的表面看成是"年輕"的,因為這些地形是新近形成;相反,月球表面滿布隕石坑,並保留了數十億年,人們便把月球的表面看成是"年老"的。

除了火山外,木衛一其他的景觀,僅有一些普通的山脈、溶化硫湖泊、深度達數百公裏的破火山口,以及長達數百公裏的低黏度液體在流動,可能是液態硫或是矽酸鹽。此外,木衛一的硫磺及其化合物擁有多種不同的顏色,形成了它獨特多變的面板。

科學家從兩艘旅行者號傳回的多張照片作出分析,相信木衛一表面的熔岩流,主要由融化了的硫化物所組成。但是從地面的紅外線研究結果中,測得木衛一熱點的溫度可高達2000K,比硫的沸點還要高出1300K,因此有指這些熔岩不太可能是硫,木衛一的整體平均溫度為130K,比熱點溫度低得多,而最新的理論也指出那些熔岩流是由矽酸鹽組成。根據哈勃太空望遠鏡的觀測結果,這些物質可能富含金屬元素,在不同地方也可能含有不同的物質。

木衛一大氣層極端稀薄,隻有地球大氣壓力的十億分之一,主要的成分是二氧化硫,氯化鈉、一氧化硫及氧也有少許。

其他伽利略衛星均擁有固態水,木衛一所含的水卻極少,人們認為是早期的木星溫度很高,其熱力可以蒸發木衛一上的水,但其他大型衛星的水則不足以蒸發。

它所有活動所需要的能量可能來自與它與木衛二,木衛三及木星之間的互動引潮力。這三顆衛星的共動關系固定,木衛一的公轉周期是木衛二的一半,後者是木衛三的一半。雖然木衛一就像地球的衛星月球一般,隻用固定的一面朝向其主星,由于木衛二與木衛三的作用使它有一點點不穩定。它使木衛一扭動、彎曲,大約有100米長,並在復原扭曲的迴圈中產生能量。

木衛一同樣切割木星的磁場線,生成電流。對于引潮力而言由此產生的能量不多,但電流的功率仍有1兆瓦特。它也剝去了一些木衛一的物質,並在木星周圍產生強烈的凸起狀輻射。在凸出面中脫離的粒子部分地造成了木星的巨大磁層。

物理特征

大小: 3,660.0 × 3,637.4 × 3,630.6 km

Io(木衛一)Io(木衛一)

赤道表面引力: 1.796 m/s2 (0.183 g)

宇宙速度: 2.558 km/s

自轉周期: 同步的

赤道旋轉速率: 271 km/h

反照率: 0.63 ± 0.02[2]

表面溫度:平均 130K ;最大 200 K

星等: 5.02 (沖)

軌道資料

近拱點: 420,000 km (0.002 807 AU)

遠拱點: 423,400 km (0.002 830 AU)

平均軌道半徑: 421,700 km (0.002 819 AU)

軌道離心率: 0.0041

軌道周期: 1.769 137 786 d (152 853.504 7 s, 42 h)

平均公轉速度: 17.334 km/s

軌道傾角: 2.21° (對黃道)

0.05°(對木星的赤道)

衛星所屬星球: 木星

觀測歷史

艾奧的第一份觀測報告是伽利略在1610年1月7日提出的。艾奧和木星其它伽利略衛星的發現被發表在伽利略于的1610年3月出版的星界報告。西門馬裏烏斯于1614出版的馬裏烏斯木星報中聲稱,他于1609年就發現了艾奧和木星的其它衛星,比伽利略早了一個星期。伽利略質疑這個聲明,並且反駁馬裏烏斯剽竊、抄襲他的成就。因為伽利略在馬裏烏斯之前就發布了他的發現,而且相信馬裏烏斯也知道這件事。

艾奧衛星的發現者伽利略艾奧衛星的發現者伽利略

在後來的兩個半世紀,艾奧仍未被解析過,在天文學家的望遠鏡中仍然隻是一個亮度5等的光點。在17世紀,艾奧和其他的伽利略衛星為各種各樣的目的服務,像是協助船員們進行經度的測量,驗證開普勒的行星運動第三定律,和測量光線在旅行在木星和地球之間的時間。以卡西尼等人建立的星歷表為基礎,拉普拉斯創造了一種數學的理論來解釋艾奧、歐羅巴、和蓋尼米得的軌道共振。這種共振在日後發現對這三顆衛星的地質有深遠的影響。

望遠鏡技術的改進,使19世紀末20世紀初的天文學家有能力在解析(能看得見)出在艾奧上大區域的表面特點。在1890年代,巴納德首先觀察到艾奧的赤道和極區之間在光度上的變化,正確的測量出這兩個地區的光度變化是來自顏色和反照率的不同,而不是因為艾奧呈現卵型,一如威廉·皮克林和他的同伴所主張的,而不是巴納德最初所主張的是兩個不同的天體。之後的望遠鏡觀測證實了艾奧很明確的在極區是紅棕色的,而赤道帶是黃白色的。

在20世紀中期的望遠鏡觀測開始註意到艾奧異常的本質。分光鏡的觀測建議艾奧的表面沒有水冰(在其它的伽利略衛星上被發現含量豐富的物質);同樣的觀測亦表面主要的成分是鹽和硫磺。電波望遠鏡的觀測揭露了艾奧對木星的磁層有所影響,如被觀察到的十米的波長爆發與艾奧的軌道周期有關。

先驅者號

通過艾奧附近的第一艘航天器是先驅者10號先驅者11號這一對孿生的航天器,分別在1973年12月3日和1974年12月2日以無線電追蹤提供了艾奧質量的改善估計值、與艾奧尺寸的最佳值。認為艾奧是四顆伽利略衛星中密度最高的,主要是由矽酸鹽的岩石組成,而不是水冰組成的。先驅者號也揭露艾奧有稀薄的大氣層,軌道附近有強烈的輻射傳送帶。先驅者11號的照相機獲得的唯一一張好的照片,顯示了艾奧的北極地區。先驅者10號原先計畫在近距離的接近艾奧時拍攝照片,但是這項觀測因為高輻射的環境而失敗了。

旅行者號

當另一對航天器旅行者1號和旅行者2號在1979年掠過艾奧,它們更為先進的影像系統可以獲得更好的影像。旅行者1號在1979年3月5日從20,600公裏飛掠過這顆衛星,它傳回在接近的影像顯露很奇怪、多彩多姿卻沒有撞擊坑的。解析度最高的影像顯示出相對年輕的表面點綴著其形怪狀的凹坑,山比艾佛勒斯峰還要高,還有類似熔岩流的特征。

旅行者1號拍攝的艾奧南極區的馬賽克圖旅行者1號拍攝的艾奧南極區的馬賽克圖

在短暫的邂逅之後,旅行者工程師琳達·蒙娜碧朵註意到在一張影像中有一個流束從表面放射出來。分析旅行者1號拍攝的其他影像後,總共找到9張有這種流束的照片,證實了艾奧有活躍的火山活動。在旅行者1號邂逅艾奧之前不久,Stan Peale、Patrick Cassen、和R. T. Reynolds曾發表了一篇論文,作者計算出因為歐羅巴和蓋尼米得的軌道共振,艾奧的內部會有巨大的潮汐熱化(詳細的過程與解釋請參見潮汐熱的章節)。來自這次飛掠的資料顯示艾奧的表面由硫磺和二氧化硫霜控製著。這些成分也掌控著稀薄的大氣層和圍繞著艾奧軌道的電漿環(也是旅行者發現的)。

旅行者2號在1979年7月9日以1,130,000公裏(702,150英裏)的距離掠過,雖然他沒有旅行者1號那麽接近,比較這兩艘航天器的影像顯示出在這五個月內表面有一些地區發生了變化。另一方面,旅行者2號在離開木星的系統時觀察到艾奧呈現月牙型,並顯示出在3月觀測到的9個流束中的8個依然活躍著,隻有裴蕾火山已經熄滅了。

伽利略號

伽利略號航天器從地球出發後經歷了6年的航程,于1995年抵達木星,依循旅行者航天器的發現和地基天文

台多年的觀測,繼續後續的觀測。艾奧的位置在木星最強烈的一條輻射帶之內,阻礙了近距離長時間飛掠的觀測,但是伽利略主要的任務就是研究伽利略衛星,在最初兩年的任務中軌道將進入並密切的經過這些衛星。在1995年12月7日飛掠過時雖然沒有獲得影像,但還是有重大的結果,例如發現類似于太陽系內側的岩石行星的巨大鐵核。

伽利略號與艾奧的邂逅

日期距離(公裏)
1995年12月7日897
1996年11月4日244,000
1998年3月29日252,000
1999年6月30日127,000
1999年10月11日611
1999年11月26日301
2000年2月22日198
2001年8月6日194
2001年10月16日184
2002年1月17日102
2002年11月7日45,800

在伽利略的主要任務期間,盡管缺乏近距離特寫的鏡頭和機械上的問題,還是傳回來了許多的資料,並且有一些重大的發現。伽利略號觀測到了Pillan火山的主要爆發,並且證實火山爆發由矽酸鹽的岩電漿和富含鎂的鎂鐵質和超鎂鐵質成分與硫磺和二樣化硫組成,類似于地球上的水和二氧化碳所扮演的角色。在任務的主要期間,幾乎每一條軌道都獲得了艾奧遠距離的影像,顯露很大數量的火山活動(來自表面和火山流束兩者的岩電漿冷卻時都散發出輻射熱),眾多的山和廣泛的型態學上的變化,還有在旅行者和伽利略的年代之間,以及伽利略不同的軌道期間,在表面發生的變化。

伽利略號的任務在1997和2000年兩度的延展,在這些延長任務的期間,航天器在1999年末至2000年初,三度飛越艾奧;在2001年末至2002年初又再三度飛越。在這些遭遇時間的觀察透露了艾奧的火山和山的地質過程,排除了磁場的出現,並且證實了火山運動的程度。在2000年的12月,卡西尼航天器在前往土星的路程上與木星系統有過短暫的邂逅,與伽利略號聯合一起觀測。這次的觀測在特瓦史塔火山口發現了一個新的流束和證實觀察到了艾奧的極光。

後續觀測

在伽利略號之後的2003年9月,火熱的困境出現在木星的大氣層,地基的望遠鏡觀測到艾奧有新的火山活動。特別是,來自夏威夷凱克望遠鏡自適應光學所獲取的影像,和哈勃空間望遠鏡允許天文學家監測艾奧的火山活動。這些影像使得科學家不需要用到航天器就能監測艾奧的火山活動。

伽利略號和新視野號相隔八年的表面特征變化伽利略號和新視野號相隔八年的表面特征變化

前往冥王星和柯伊伯帶的航天器新視野號在2007年2月28日在路途中接近木星和艾奧。在接近木衛一期間,它獲得許多艾奧的遠距離觀測資料,包括特瓦史塔火山口的巨大流束,證實了是自從1979年在艾奧觀測到裴蕾火山的第一個流束以來最大的。新視野號也捕捉到Girru Patera在接近與進入早期噴發前的影樣,還有一些在伽利略號就已經觀察到噴發的火山。

目前有兩個探測木星系統的計畫即將執行。朱諾號航天器在2011年發射,影像的能力雖然受到限製,但它可以使用近紅外線分光儀(JIRAM)提供艾奧的火山活動。歐羅巴木星系統任務(EJSM)是NASA和ESA合作的計畫,它已在2009年2月獲得核準,但發射的預定日期在2020年,將使用二艘航天器研究艾奧:NASA的木星歐羅巴軌道者和ESA的木星蓋尼米得軌道者。因為這兩艘航天器的主要任務是研究木星的冰衛星,所以對艾奧的觀察幾乎都是在比較遠的距離上,木星歐羅巴軌道者在進入環繞歐羅巴的軌道之前,在2025年和2026年之間將四度接近與飛掠過艾奧,但是ESA的貢獻仍將面對ESA其他項目在經費上的競爭。除了NASA已經批準的這兩個計畫之外,還有幾個與艾奧相關的計畫被提出。一個稱為艾奧火山觀測者的計畫將在2015年發射,它設定為發現級的任務,並將多次飛越艾奧,但這個計畫仍在概念研究的階段。

研究發現

木星衛星數目

木星衛星數目現已高達63顆,其中最大的四顆:木衛一、木衛二、木衛三和木衛四最為著名,早在1610年,伽利略便已通過他的望遠鏡觀測到這四顆衛星,並以之證明並非所有的天體都繞地球運行,成為"日心說(地動說)"的最佳證據之一,因此天文上以"伽利略衛星"稱呼這四顆木星的大衛星。

旅行者號宇宙飛船約在20幾年前掠過木星附近時,觀測到木衛一的表面有非常活躍的火山活動,地面科學家持續監測木衛一,結果發現它是太陽系中火山活動最頻繁的天體。而前幾年才剛功成身退的"伽利略"號宇宙飛船則發現木衛一表面的火山熱點溫度高達攝氏1610度左右,相較之下,地球上的火山(如夏威夷的幾勞亞火山等)隻有攝氏1000度左右,頓時使木衛一成為太陽系中表面溫度僅次于太陽的天體(太陽表面溫度約5700度左右)。已知木衛一表面有超過100座的火山,並證實木衛一的火山活動頻率高達地球的30倍以上。天文學家認為:木衛一的火山之所以如此活躍,原因在于它是四顆中最接近木星的一個,受到木星強大的潮汐力和磁場影響非常嚴重。

美國華盛頓大學行星科學家利用電腦仿真木衛一表面火山爆發的情形,結果顯示木衛一表面的熔岩溫度之高,使其中所含有的、鉀、等都被蒸發成氣體,有部分變成單原子氣體,有部分則維持分子狀態,如一氧化矽二氧化矽、一氧化鐵等,成為木衛一大氣層的一部份。科學家們曾在2000年時提出預測:這些被蒸發的岩石成分,與火山氣體中的硫或氯等互動作用之後,可能產生一些罕見的氣體,如氯化鈉、氯化鉀、二氯化鎂、二氯化鐵等。

天文學家在2003年時真的在木衛一表面發現氯化鈉氣體成分,但因觀測結果靈敏度不足,無法偵測出氯化鉀氣體的存在。如今,科學家們利用伽利略衛星的觀測資料,配合他們的地面望遠鏡觀測結果,分析後發現:木衛一表面熾熱熔岩中和鉀,正在蒸發成氣體進入大氣中。此外他們還發現一氧化矽則是熔岩中矽類氣體的主要成分;由于天文學家在太空中已觀測到一氧化矽的存在,尤其是表面溫度較冷的恆星大氣中,因此使得木衛一表面一氧化矽的發現顯得格外引人註目,他們還希望能在火山噴出的氣體中直接偵測到一氧化矽氣體。相關研究成果發表在2004年5月份的《伊卡魯斯》雜志中(行星科學的主要刊物)。

是太陽系最熾熱的衛星

2004年,天文學家們研究發現,太陽系內(除太陽外)最熾熱的星體並不是人們一貫認為的距離太陽最近的行星水星和金星,而是木星的衛星木衛一(木星最明亮的四顆衛星之一,400年前由伽利略最先發現)。

木衛一照片拼接圖木衛一照片拼接圖

當然,使得木衛一有如此之高的溫度並不是太陽輻射的功勞,而是它內部劇烈火山活動的結果。在太陽系內部,再沒有任何其它行星或衛星能與木衛一在火山數量上相媲美。

天文學家們首次發現木衛一上強烈的火山活動是在20多年前,當時美國的"旅行者"號星際探測器曾給木衛一拍攝了一系列照片。此後,在木星附近工作了約8年的"伽利略"號探測器還為這顆熾熱的衛星進行了近距離拍照。正是以這些照片為依據科學家們確定了木衛一上有著非常劇烈的火山活動,其表面溫度可達1610攝氏度。

來自聖路易斯華盛頓大學的研究人員對木衛一上的火山噴發進行的電腦模擬實驗顯示,木衛一火山爆發噴射出的熔岩能夠將其表面的、鉀、等物質及其化合物熔化並蒸發到大氣中。這些物質的氣化物與火山岩氣體(含亞硫化物及氯化物)發生反應便形成了木衛一大氣特有的組成成份:鈉和鉀的氯化物以及鎂和鐵的二氯化物。

氣態氯化鈉在木衛一上已經找到,就條件來看,要找到氣態氯化鉀我們的探測器的靈敏度還需要加以改進。

盡管科學家們已經獲取了有關木衛一的許多資料,但憑這些資料還遠遠不能讓科學家們揭開木衛一神秘的面紗:這顆大小僅與月球相當的衛星如何保持如此之高的岩漿溫度?如此高溫的岩漿卻為何熔化不了其周圍的岩石?它的岩石圈(包括地殼和地幔上部)到底有多厚多堅固?如果它上面有山,其高度會不會賽過珠穆朗瑪峰?當然,要解開這一系列的疑惑尚需要天文學家們持續不斷的努力。

火山爆發頻繁

科學家研究發現太陽系最活躍的火山即將爆發,而火山爆發活動頻繁的木衛在未來的某一天將可能休眠。

木星與木衛一木星與木衛一

此前,離木星距離最近一顆大衛星木衛一已多次出現火山爆發活動,其表層被火山灰覆蓋,其表面還有數十個活火山。而木衛一的大小和月亮差不多。科學家介紹稱,木衛一表面火山運功頻繁的原因是木星與其另外三個衛星引力的共同影響。因為木星與其衛星的引力引發了木衛一表面不同地區的引力變化,造成不同地區的拉伸和地殼變化。

這種引力的拉伸,造成木衛一表面每隔10米就會發生向上和向下的運動,因此引發了地殼的劇烈活動。法國巴黎天文台經過長時間的觀測和研究,已經證實了這種火山頻繁活動的原因。

科學家稱,最讓人震驚的是,如果這種運動過于激烈,將會使附近的衛星進入一個圓形軌道,而不是此前的橢圓形軌道,那麽太陽系的規律將會發生重大變化。實際上,科學家結合1891年就開始對木衛一的觀測資料,已經發現了這種細微的變化。加州大學的舒伯特教授認為,一旦木衛一處于休眠狀態,那麽木星的軌道也會發生變化,從而使得衛星的軌道發生變化。科學家們把相關的研究資料發表在了《自然》雜志上。

2014年3月科學家發現木衛一噴出近300公裏高噴流。

2014年8月7日,美國宇航局網站報道,在2013年8月份的兩個星期時間內,木星4顆伽利略衛星之一的木衛一上連續發生了三次大規模的火山噴發事件。

驚天碰撞

土衛一上存在一個巨大而古老的撞擊坑,這說明該天體之前發生過一次驚天碰撞,這個巨大的凹陷被稱為赫歇爾隕石坑直徑達到80英裏,而土衛一僅為247英裏的跨度。

相關資料

木衛一的內部在亞瑟·克拉克的小說《2010太空漫遊》(2010: Odyssey Two, 1984年作品)中,提及發現號太空船對木衛一進行觀測,其船身被火山所噴出的硫磺所覆蓋。

在電視連續劇《巴比倫五號》 (Babylon 5)中,木衛一是其殖民地之一。

在漫畫機動戰士海盜鋼彈中,木衛一(作品中稱為[伊奧])是木星帝國的根據地的訊息被泄漏給十字先驅者軍,因此十字先驅者軍決定向伊奧突擊。

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