木衛四 -距木星第八近已知衛星

木衛四

距木星第八近已知衛星
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木衛四(卡裏斯托,Callisto,希臘文:Καλλιστώ)是圍繞木星運轉的一顆衛星,它于1610年為伽利略·伽利萊首次發現。木衛四是太陽系中的第三大衛星和繼木衛三之後的木星第二大衛星。木衛四的直徑為水星直徑的99%,但是質量隻有它的三分之一。在四顆伽利略衛星中,其軌道距離木星最遠,約為188萬公裏。木衛四並不像內層的三顆伽利略衛星——木衛一、木衛二和木衛三那般處于軌道共振狀態,所以其上並不存在明顯的潮汐熱效應。木衛四屬同步自轉衛星,永遠以同一面朝向木星。由于軌道較遠,較之內層的衛星,木衛四表面受到木星磁場的影響較小。

  • 中文名稱
    木衛四
  • 外文名稱
    Callisto
  • 發現者
    伽利略·伽利萊
  • 發現時間
    1610年

​基本資料

木衛四表面曾經遭受過猛烈撞擊,其地質年齡十分古老。由于木衛四上沒有任何板塊運動、地震或火山噴發等地質活動存在的證據,故天文學家認為其地質特征主要是隕石撞擊所造成的。木衛四主要的地質特征包括多環結構、各種形態的撞擊坑、撞擊坑鏈、懸崖、山脊與沉積地形。在天文學家仔細考察後,發現該衛星表面地形多變,包括位于抬升地形頂部、面積較小且明亮的冰體沉積物及環繞其四周、邊緣較平緩的地區(由較黑暗的物質來構成)。天文學家認為這種地形是小型地質構造升華所導致的,小型撞擊坑普遍消失,許多疙瘩地形是遺留下來的痕跡,該地形的確切年齡還未確定。

木衛四上存在一層非常稀薄的大氣,主要由二氧化碳構成,成分可能還包括氧氣,此外木衛四還有一個活動劇烈的電離層。科學家們認為木衛四是因木星四周氣體和塵埃圓盤的吸積作用而緩慢形成的。由于木衛四形成過程緩慢且缺乏潮汐熱效應,所以內部結構並未經歷快速的分化。木衛四內部的熱對流在形成後不久就已經開始,這種對流導致內部結構的部分分化,位于地表100至150千米深處的地下海洋與一個個比較小的岩質核心可能因此形成。

木衛四木衛四

發現與命名

義大利天文學家伽利略在1610年1月發現了木衛四和其他三顆木星大衛星(木衛一、木衛二和木衛三)。木衛四的名稱來自希臘神話中宙斯的愛人之一卡裏斯托,她是一位與月亮女神阿爾忒彌斯關系密切的寧芙(有時也被認為是呂卡翁的女兒)。西門·馬裏烏斯在該星被發現後不久提出該名稱,馬裏烏斯則認為這是約翰內斯·開普勒的建議。然而天文學家在很長時間內都不歡迎這個名稱,直到20世紀中期才廣泛採用。很多早期的天文學文獻中均以羅馬數位來稱呼這顆衛星(該體系由伽利略所提出),即稱為木衛四(Jupiter IV)或"朱庇特的第四顆衛星"(the fourth satellite of Jupiter)。

軌道

木衛四(左下角)、木星和木衛二(位于木星大紅斑的左下方)。木衛四是距離木星最遠的伽利略衛星,其軌道距離木星約188萬公裏(是木星半徑--7萬1398公裏--的26.3倍),比之距離木星次近的木衛三的軌道半徑--107萬公裏--遠得多。由于軌道半徑較大,故其並不處于軌道共振狀態,可能永遠也不會處于這種狀態。

木衛四不參與軌道共振,這意味著它永遠都不會產生明顯的潮汐熱效應,而潮汐熱效應是星體內部結構分化和發育的重要動力。由于距離木星較遠,所以其表面來自木星磁場的帶電粒子流較弱--比之木衛二表面的帶電粒子流弱了300倍。所以較之其他幾顆伽利略衛星,木衛四表面的帶電粒子光滲效應較弱。

和大部分的衛星一樣,木衛四是一顆同步自轉衛星,即木衛四的自轉周期等同于其公轉周期,約為16.7個地球日。其軌道離心率很小,軌道傾角也很小,接近于木星赤道,同時在數百年的周期裏,軌道的離心率和傾角還會以周期函式的形式受到太陽和木星引力攝動的影響。變化範圍分別為0.0072-0.0076和0.20-0.60°。這種軌道的變化使得其轉軸傾角在0.4-1.6°之間變化。

物理特徵

構成成分

木衛四上一個撞擊坑平原的近紅外光譜圖。木衛四的平均密度為1.g/cm3,,表明它是由近乎等量的岩石和冰體水構成的,此外可能還存在某些不穩定的冰體,如氨的冰體。冰體的比重介于49-55%之間。 木衛四岩石的確切構成還不為人知,但是很可能接近于L型或LL型普通球粒隕石,這兩類隕石較之H球粒隕石,所含的全鐵和金屬鐵較少,而鐵氧化物較多。在木衛四上,以質量計,鐵和矽的豐度比為1.05-1.27,而在太陽中,則為1.8。

木衛四的表面是不對稱的:其同軌道方向的一面要暗于逆軌道方向的一面,這與其他伽利略衛星的情況正好相反。 此外,其逆軌道方向一面似乎富含二氧化碳,而其同軌道方向一面則含有較多的二氧化硫。木衛四上許多較年輕的撞擊坑都含有較豐富的二氧化碳。總的來說,木衛四表面的物質構成,特別是暗區的物質構成,十分接近于D型小行星,後者的表面由碳基物質構成。

木衛四表面的反照率為0.2。人們推測其表面的物質構成與其整體的物質構成大致相同。利用近紅外光譜學,科學家們在1.04、1.25、1.5、2.0和3.0微米波長段發現了強烈的冰體水的吸附帶。冰體在木衛四表面普遍存在,比重在25-50%之間。對伽利略號和地基觀測站拍攝的高解析度近紅外光譜和紫外線光譜照片進行分析後,科學家們發現了多種非水溶性物質,如含鎂和含鐵的水合矽酸鹽、二氧化碳、二氧化硫,可能還包括氨和多種有機化合物。[光譜分析的資料表明即使在很小的區域內,該星體表面的物質構成也極度混雜。由冰體構成的小面積、明亮斑塊與由岩石、冰體混合物構成的斑塊相混雜,而廣大的暗區則由非冰物質構成。

內部結構

木衛四的內部結構圖。木衛四遭受過猛烈轟擊的表面之下是一層厚度在80-150公裏之間的寒冷、堅硬的冰質岩石圈。對包圍著木星及其衛星的磁場進行的研究表明在木衛四地殼之下50-200公裏深處存在著一個鹹水海洋:科學家們發現置于木星多變的磁場中的木衛四就像個理想的導電球體,即磁場無法穿透到達該衛星的核心,這意味著在該星體中存在著一層厚度至少達到10公裏的高電導率液體。該海洋中可能還含有少量的氨或其他防凍物質,比重達到了5%,從而阻止了海洋的冰凍。在這種情況下,海洋的厚度將達到250-300公裏。如果不存在海洋,那麽其冰質岩石圈將會更厚,可能厚達300公裏。

岩石圈和假定的海洋之下的星體內部可能既不是質地均勻的整體也不是完全的分化型。伽利略號的探測資料(特別是在近距離飛掠中測定的無量綱轉動慣量--其數值為0.3549 ± 0.0042)表明其內部由被壓縮的岩石和冰體構成,且由于構成成分的部分沉積,隨著深度的增加,岩石的比重也逐漸加大。也就是說木衛四的內部結構隻是部分分層。在該密度和轉動慣量下,星體的中心可能存在著一顆小型矽酸鹽核心。這類核心的半徑不可能超過600公裏,而其密度可能介于3.1-3.g/cm3之間。

木衛四上的撞擊坑平原

木衛四表面的地質年齡十分古老,它同時也是太陽系中遭受過最猛烈轟擊的天體之一,[31]其撞擊坑密度已經接近于飽和:任何新的撞擊坑均可能覆蓋于舊的撞擊坑之上。木衛四上的大型地質構造相對簡單:這裏沒有大型的山脈、火山或其他內源性構造特征。撞擊坑和多環結構,

以及裂縫、懸崖和沉積地形是該星體表面發現的為數不多的幾種大型地質構造。

木衛四表面能夠被分成數種不同的地質單元:撞擊坑平原、較明亮的平原、明亮而平緩的平原以及由多環機構和撞擊坑組成的多類地形單元。撞擊坑平原覆蓋了木衛四的大部分表面,是古老岩石圈的典型代表,其構成物質為冰體和岩石的混合物。較明亮的平原中存在著明亮的撞擊坑、被稱為變餘結構的古老撞擊坑的殘跡和多環結構的中央部分,科學家們猜測這種地形是由冰質撞擊坑沉積而成。明亮而平緩的平原覆蓋的區域較小,常出現于沃爾哈拉撞擊坑和阿斯嘉德撞擊坑的山脊和槽溝地帶中,撞擊坑平原中的孤立斑點地帶也屬于這種地形。這種地形的形成最初被認為與內源性地質活動有關,但是伽利略號傳回的高解析度照片顯示這種明亮而平緩的平原地形與斷裂、瘤狀地形有關,並沒有出現任何星體表面被多次覆蓋的跡象。伽利略號的照片亦顯示木衛四上小塊的陰暗平坦區域的覆蓋面積小于1萬平方公裏,並被周圍的地形所環繞。這種地形可能是冰火山沉積地形。這些比較明亮或平緩的平原的地質年齡都比撞擊坑平原稍小。

哈爾撞擊坑及其中央拱形結構

木衛四上的撞擊坑直徑從100米--這是探測照片的最大解析度--到100多公裏不等,而多環結構則不算在列。直徑小于5公裏的較小撞擊坑擁有簡單的碗型結構或平底結構。直徑在5-40公裏間的撞擊坑則擁有中央山峰。直徑在25-100公裏間的很多撞擊坑,如庭德爾撞擊坑(Tindr crater),其中央山峰為塌陷地形所取代。而直徑大于60公裏的大型撞擊坑的中央則可能存在著拱形結構,這可能是撞擊事件發生之後的構造抬升作用造成的。而少數明亮且直徑大于100公裏的撞擊坑則擁有與眾不同的拱形結構。這些撞擊坑較之月球上的同類結構都很淺,可能是向多環機構轉變的過渡地形。

多環盆地

木衛四上最大的撞擊地形是多環盆地。其中有兩個規模巨大,而沃爾哈拉撞擊坑則是其中其中最大的,其明亮的中央地帶直徑達到了600公裏,而環狀結構則繼續向外延展了1800公裏。第二大的多環結構是阿斯嘉德撞擊坑,直徑大約為1600公裏。多環結構產生的原因可能是撞擊事件發生之後處在柔軟或流動物質--如海洋之上的岩石圈產生的同心環狀的斷裂。撞擊坑鏈則是一長串鏈狀、呈直線分布于星體表面的撞擊坑,它們可能是木衛四被過于接近木星而受到引力潮汐作用解體的天體撞擊之後形成的,也可能是遭受小角度撞擊後產生的。前一種情況得到了蘇梅克-列維9號彗星撞擊事件的印證。

木衛四上的撞擊坑平原。木衛四上的撞擊坑平原。

沃爾哈拉多環結構正如前文所提及的,木衛四上還存在著由純冰體構成的、反照率高達0.8的斑塊地形,其四周為較暗的物質所環繞。伽利略號的高解析度照片顯示這些較明亮的斑塊主要位于抬升地形上:如撞擊坑坑緣、懸崖、山脊和瘤狀地形。這種斑塊可能是一層薄薄的霜體沉積。較暗的物質通常位于四周地勢較低且較平坦的地帶,如撞擊坑坑底和撞擊坑之間的低窪地帶,它們將原本的霜體沉積物覆蓋住,故而該地區顯得較暗,形成了直徑達5公裏以上的暗斑。

退化特征

在幾公裏的級別上,較之其他伽利略衛星的表面,木衛四的表面地形現出了更多的退化特征。例如相比較與其他衛星,如木衛三的暗區,木衛四的表面即缺乏直徑小于1公裏的撞擊坑,取而代之的是無處不在的小型瘤狀地形和陷坑。瘤狀地形被認為是撞擊坑經歷了迄今為止還不為人知的退化過程而形成的坑緣殘跡,這種退化很可能是冰體的緩慢升華造成的--當木衛四運行至日下點時,其向陽面溫度會達到165K以上,此時冰體即會出現升華現象:基岩引起其上的髒冰分解,從而使得其中的冰體水和其他易揮發物質升華。而殘骸中的非冰質殘餘物則發生崩塌,從撞擊坑坑緣的坡上下落。這種崩塌經常在撞擊坑附近和撞擊坑內部出現,被稱為"周邊碎片"(debris aprons)。

此外,有些撞擊坑的坑緣被一些蜿蜒的、類似峽谷的切口(它們被稱為溝壑)所切割,這些溝壑看起來有點像火星表面的峽谷。在冰體升華假說中,位于低窪地帶的暗色物質被解釋為主要由來自退化的撞擊坑坑緣的非冰質物質組成的覆蓋層,它覆蓋了木衛四表面大部分的冰體基岩。

塌陷地形和瘤狀地形通過各地質單元所覆蓋的撞擊坑的密度,人們可以推斷出它們的相對年齡:撞擊坑分布密度越大,該地質單元相對年齡越大。但是它們的絕對年齡卻還無法確定,不過根據理論預測,撞擊坑平原的地質年齡被認為長達45億年,幾乎可以追溯到太陽系的形成時期。多環結構和撞擊坑的地質年齡則取決于其所在區域的撞擊坑密度,由此得出的估計年齡從10億年到40億年不等。

哈爾撞擊坑及其中央拱形結構。哈爾撞擊坑及其中央拱形結構。

大氣層和電離層

木衛四周圍的感應磁場木衛四擁有一層非常稀薄的大氣,主要由二氧化碳構成。伽利略號上的近紅外測繪分光儀(Near Infrared Mapping Spectrometer,NIMS)在4.2微米段勘查到該大氣層的吸收特征,從而證實了它的存在。據估計其表面壓力為7.5 × 10-12巴,粒子密度為4 × 108 cm-3。這層大氣是如此稀薄,僅僅需要四天,組成它的物質就會逃逸殆盡,所以該大氣一定源源不斷的得到了補充,補充來源可能是從該星體冰質地殼中升華出的幹冰,這也與該星體表面明亮地區瘤狀地形的冰體升華形成假說相契合。

木衛四的電離層則是在伽利略號的數次飛掠中被首次發現,[13]其高電子密度為7-17 × 104 cm-3,這種密度與大氣中二氧化碳的光致電離作用的效果不相符合。所以有人預測木衛四大氣層的組要成分應該是氧氣(含量為二氧化碳的10倍到100倍),但是尚未在該大氣中探測到氧氣的存在。

木衛四周圍的感應磁場木衛四周圍的感應磁場 塌陷地形和瘤狀地形塌陷地形和瘤狀地形

起源與演化

相關解釋

木衛四內部結構的部分分層(該結論由無量綱轉動慣量數值推斷而出)表明該星體從未被充分加熱以使其冰質部分融解。因此,其最可能的形成模型是低密度的木星次星雲中的緩慢吸積過程。這個持續時間甚久的吸積過程使得星體最終冷卻,而無法保持在吸積過程、放射性元素衰變過程和星體收縮過程積聚的熱量,從而阻斷了冰體融化和快速分化過程。其形成階段所耗時間大約在10萬年到1000萬年之間。

瘤狀地形而之後木衛四的進一步演化則取決于放射性衰變的產熱機製和靠近星體表面熱傳導的冷卻機製之間的競賽,以及星體內部到底是處于固態還是亞固態對流狀態。冰體的亞固態對流的具體運動狀況是所有冰衛星模型中最大的不確定性因素。基于溫度對冰體黏度的影響,當溫度接近于冰體的熔點時,就會出現亞固態對流。在亞固態對流中,冰體的運動速度十分緩慢,大約為1釐米/年,但是從長期來看,亞固態對流事實上是非常有效的冷卻機製。在木衛四寒冷而堅硬的表層--被稱為"密封蓋"(stagnant lid)--中,熱量的傳導並沒有以對流形式進行;而在該層之下的冰體中,熱量則是以亞固態對流形式進行傳導。對木衛四來說,外部的傳導層即是厚度約為100公裏的寒冷而堅硬的岩石圈。它的存在解釋了為何木衛四表面沒有任何內源性構造活動的跡象。而在木衛四內部,熱對流可能是分層次的,因為在高壓之下,冰體水會出現多種晶相,從星體表面的第一態冰到星體中心的第七態冰。在早期,木衛四內部亞固態對流機製的運作阻止了冰體的大面積融化,而後者則會導致星體內部的分化,從而形成一個大型的岩石核心和冰質地幔。同時也由于對流作用的存在,冰體和岩石的部分分化持續了數十億年之久,至今仍在緩慢進行中。

有關現今解釋

現今解釋木衛四形成的觀點考慮到了在其表面之下可能存在著一個地下海洋,其形成與冰體的第一晶相的熔點異常有關--其熔點隨著壓力的增大而降低,當壓力達到2070巴時,熔點可低至251K。在所有的木衛四現實模型中,位于100-200公裏深處地層的溫度都十分接近,甚至是略微超過了這個異常的熔點。而少量氨--比重約為1-2%--的存在則能夠加大該深度液體存在的可能性,因為氨能夠進一步降低冰體熔點。

可作為基本參考對象

盡管在很多方面木衛四和木衛三十分相似,但是前者的地質歷史相對簡單。在撞擊事件和其他外力影響作用之前,該星體的表面即已基本成型。與擁有槽溝構造的鄰近衛星木衛三相比,木衛四上甚少發現地質構造活動的跡象。 這種相對簡單的地質歷史對于行星科學家來說意義十分重大,他們可將該星體作為一個很好的基本參考對象,用來對比其他更加復雜的星體。

存在生命的可能性

就如同木衛二和木衛三一樣,也有人認為在木衛四表面之下的鹹水海洋中可能存在著外星生命。但是較之木衛二和木衛三來說,木衛四上的環境顯得相對惡劣,主要是因為:缺乏可接觸的岩石物質、來自星體核心的熱通量較低。科學家特倫斯·約翰森這樣論述木衛四和其他伽利略衛星上生命存在可能性的問題是:" 構成生命的基本材料--我們稱之為"前生命時期物質"--在許多太陽系天體,如彗星、小行星和冰衛星中含量都十分豐富。生物學家相信液態水和熱量是支撐生命必不可少的,所以能夠在另一個天體上發現液態水是十分令人振奮的。但是,對于木衛四來說,至少在目前階段,熱量是一個大問題,它上頭的海洋主要依靠放射性元素衰變加熱,而離木星相對較近的木衛二則能夠依靠引力潮汐產生更多的熱量。 "

西班牙科學家在26日出版的英國《自然》雜志上為木衛四內部的海洋提供了一個新的解釋。其計算表明,木衛四的溫度和壓力條件使得其表面的冰層傳熱性較差,阻止了內部熱能散失,保溫效果比人們以前認為的更好。

根據計算,木衛四地表以下150公裏深處可能存在一個深20公裏的巨大海洋。木星的另兩顆大衛星木衛二和木衛三也可能因為類似原因而擁有地下海洋。

木衛四是木星的第二大衛星,直徑4800公裏。1998年,伽利略號探測器發回的資料顯示,木衛四的磁場隨著木星的轉動而波動不定。對這種情況的最可能解釋是木衛四地表下有一個含鹽的大海洋。含鹽的水能導電,引起木衛四的磁場和木星的磁場相互作用而產生這種波動。西班牙科學家的新成果為上述猜想提供了進一步支持。

人們通常認為,有水的地方就有可能存在生命。但是科學家說,木衛四內部的海洋深處充滿了密集的冰塊和岩石。這些冰塊和岩石阻止了熱能的流動,使木衛四上存在生命的可能性非常渺茫.

基于如上的考慮和其他科學觀測,木衛二被認為是伽利略衛星中最可能存在生命的天體

探測

未來人類在木衛四上設定的基地的藝術想象圖[40]20世紀70年代,先驅者10號先驅者11號先後接近木星,獲取了少量關于木衛四的新信息。真正的突破來自1979-1980年間旅行者1號和旅行者2號的考察。它們對木衛四一半以上的表面進行了拍攝,圖像解析度在1-2公裏之間,同時還精確地測量了木衛四的表面溫度、質量和大小。第二波的考察在1994年至2003年間展開,其時伽利略號8次近距離飛掠木衛四,最後一次飛掠發生在2001年,當時伽利略號位于C30軌道上,距離木衛四表面僅138公裏。伽利略號完成了對木衛四表面的全球測繪,並傳回了大量解析度達到15米的特定地區的照片。2000年,卡西尼號在前往土星途中對包括木衛四在內的四顆伽利略衛星進行了高精度紅外光譜探測。2007年2月至3月,新視野號探測器在前往冥王星途中經過木衛四,對其進行了拍攝和光譜分析。

美國航空航天局和歐洲空間局合作的一項旨在探測木星衛星的計畫--"木衛二-木星計畫"將于2020年實施。2009年2月,美國航空航天局和歐洲空間局確認該計畫將優先于"土衛六-土星計畫"得以實施。但是歐洲空間局的計畫資金仍然面臨來自該局其他計畫的競爭。"木衛二-木星計畫"包括美國航空航天局主持的"木星-木衛二軌道飛行器"和歐洲空間局主持的"木星-木衛三軌道飛行器",可能還包括日本宇宙航空研究開發機構主持的"木星磁場探測器"。

殖民計畫

2003年,美國航空航天局針對人類未來對外太陽系的探索進行一項被稱為"人類外行星探索"(Human Outer Planets Exploration,HOPE)的概念型研究。在詳細審議中將目標定位木衛四。科學家們認為有可能在木衛四表面建立一個基地,從而為太陽系更深空間的探索提供燃料支持。

在木衛四上建立基地的好處在于它的較低輻射(木衛四離木星較遠)和地質上的穩定性。同時它還能為進一步探索木衛二提供便利支持,也是在木星系中設定前往更遠的外太陽系空間飛船的維修站的理想地點--在離開木衛四之後,飛船可以通過近距離飛掠木星獲得重力助推。

未來人類在木衛四上設定的基地的藝術想象圖未來人類在木衛四上設定的基地的藝術想象圖

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