木卫四

木卫四
           木卫四
       木卫四又称为卡里斯托(Callisto)是围绕木星运转的一颗卫星,由伽利略·伽利莱在1610年首次发现。木卫四是太阳系第三大卫星,也是木星第二大卫星,仅次于木卫三。木卫四的直径为水星直径的99%,但是质量只有它的三分之一。该卫星的轨道在四颗伽利略卫星中距离木星最远,约为188万千米。木卫四并不像内层的三颗伽利略卫星(木卫一木卫二和木卫三)那般处于轨道共振状态,所以并不存在明显的潮汐热效应。木卫四属于同步自转卫星,永远以同一个面朝向木星。木卫四由于公转轨道较远,表面受到木星磁场的影响小于内层的卫星。 
 

基本介绍

  木卫四由近乎等量的岩石和水所构成,平均密度约为1.83克/厘米3。天文学家通过光谱测定得知木卫四表面物质包括冰、二氧化碳、硅酸盐和各种有机物。伽利略号的探测结果显示木卫四内部可能存在一个较小的硅酸盐内核,同时在其表面下100千米处可能有一个液态水构成的地下海洋存在。
  木卫四表面曾经遭受过猛烈撞击,其地质年龄十分古老。由于木卫四上没有任何板块运动、地震或火山喷发等地质活动存在的证据,故天文学家认为其地质特征主要是陨石撞击所造成的。木卫四主要的地质特征包括多环结构、各种形态的撞击坑、撞击坑链、悬崖、山脊与沉积地形。在天文学家仔细考察后,发现该卫星表面地形多变,包括位于抬升地形顶部、面积较小且明亮的冰体沉积物及环绕其四周、边缘较平缓的地区(由较黑暗的物质来构成)。天文学家认为这种地形是小型地质构造升华所导致的,小型撞击坑普遍消失,许多疙瘩地形是遗留下来的痕迹,该地形的确切年龄还未确定。
  木卫四上存在一层非常稀薄的大气,主要由二氧化碳[6]构成,成分可能还包括氧气,此外木卫四还有一个活动剧烈的电离层。科学家们认为木卫四是因木星四周气体和尘埃圆盘的吸积作用而缓慢形成的。由于木卫四形成过程缓慢且缺乏潮汐热效应,所以内部结构并未经历快速的分化。木卫四内部的热对流在形成后不久就已经开始,这种对流导致内部结构的部分分化,位于地表100至150千米深处的地下海洋与一个个比较小的岩质内核可能因此形成。
  由于木卫四上可能有海洋存在,所以该卫星上也可能有生物生存,不过概率要小于邻近的另一颗卫星木卫二。多艘空间探测器都曾对该卫星进行过探测,包括先驱者10号、先驱者11号、伽利略号和卡西尼号。长久以来,人们都认为木卫四是设置进一步探索木星系统基地的最佳地点。  

发现与命名

  意大利天文学家伽利略在1610年1月发现了木卫四和其他三颗木星大卫星(木卫一、木卫二和木卫三)。木卫四的名称来自希腊神话中宙斯的爱人之一卡里斯托,她是一位与月亮女神阿尔忒弥斯关系密切的宁芙(有时也被认为是吕卡翁的女儿)。西门·马里乌斯在该星被发现后不久提出该名称,马里乌斯则认为这是约翰内斯·开普勒的建议。然而天文学家在很长时间内都不欢迎这个名称,直到20世纪中期才广泛采用。很多早期的天文学文献中均以罗马数字来称呼这颗卫星(该体系由伽利略所提出),即称为木卫四(Jupiter IV)或“朱庇特的第四颗卫星”(the fourth satellite of Jupiter)。  

轨道

木卫四与月球及地球的比较
木卫四与月球及地球的比较
      木卫四(左下角)、木星和木卫二(位于木星大红斑的左下方)。木卫四是距离木星最远的伽利略卫星,其轨道距离木星约188万公里(是木星半径——7万1398公里——的26.3倍),比之距离木星次近的木卫三的轨道半径——107万公里——远得多。由于轨道半径较大,故其并不处于轨道共振状态,可能永远也不会处于这种状态。
  木卫四不参与轨道共振,这意味着它永远都不会产生明显的潮汐热效应,而潮汐热效应是星体内部结构分化和发育的重要动力。由于距离木星较远,所以其表面来自木星磁场的带电粒子流较弱——比之木卫二表面的带电粒子流弱了300倍。所以较之其他几颗伽利略卫星,木卫四表面的带电粒子光渗效应较弱。
  和大部分的卫星一样,木卫四是一颗同步自转卫星,即木卫四的自转周期等同于其公转周期,约为16.7个地球日。其轨道离心率很小,轨道倾角也很小,接近于木星赤道,同时在数百年的周期里,轨道的离心率和倾角还会以周期函数的形式受到太阳和木星引力摄动的影响。变化范围分别为0.0072-0.0076和0.20-0.60°。这种轨道的变化使得其转轴倾角在0.4-1.6°之间变化。  

物理特性  

·构成成分

  木卫四上一个撞击坑平原的近红外光谱图。木卫四的平均密度为1.g/cm3,,表明它是由近乎等量的岩石和冰体水构成的,此外可能还存在某些不稳定的冰体,如氨的冰体。冰体的比重介于49-55%之间。 木卫四岩石的确切构成还不为人知,但是很可能接近于L型或LL型普通球粒陨石,这两类陨石较之H球粒陨石,所含的全铁和金属铁较少,而铁氧化物较多。在木卫四上,以质量计,铁和硅的丰度比为1.05-1.27,而在太阳中,则为1.8。
  木卫四的表面是不对称的:其同轨道方向的一面要暗于逆轨道方向的一面,这与其他伽利略卫星的情况正好相反。 此外,其逆轨道方向一面似乎富含二氧化碳,而其同轨道方向一面则含有较多的二氧化硫。木卫四上许多较年轻的撞击坑都含有较丰富的二氧化碳。总的来说,木卫四表面的物质构成,特别是暗区的物质构成,十分接近于D型小行星,后者的表面由碳基物质构成。
  木卫四表面的反照率为0.2。人们推测其表面的物质构成与其整体的物质构成大致相同。利用近红外光谱学,科学家们在1.04、1.25、1.5、2.0和3.0微米波长段发现了强烈的冰体水的吸附带。冰体在木卫四表面普遍存在,比重在25-50%之间。对伽利略号和地基观测站拍摄的高分辨率近红外光谱和紫外线光谱照片进行分析后,科学家们发现了多种非水溶性物质,如含镁和含铁的水合硅酸盐、二氧化碳、二氧化硫,可能还包括氨和多种有机化合物。[光谱分析的数据表明即使在很小的区域内,该星体表面的物质构成也极度混杂。由冰体构成的小面积、明亮斑块与由岩石、冰体混合物构成的斑块相混杂,而广大的暗区则由非冰物质构成。  

·内部结构  

哈尔撞击坑及其中央拱形结构。
哈尔撞击坑及其中央拱形结构。
       木卫四的内部结构图。木卫四遭受过猛烈轰击的表面之下是一层厚度在80-150公里之间的寒冷、坚硬的冰质岩石圈。对包围着木星及其卫星的磁场进行的研究表明在木卫四地壳之下50-200公里深处存在着一个咸水海洋:科学家们发现置于木星多变的磁场中的木卫四就像个理想的导电球体,即磁场无法穿透到达该卫星的内核,这意味着在该星体中存在着一层厚度至少达到10公里的高电导率液体。该海洋中可能还含有少量的氨或其他防冻物质,比重达到了5%,从而阻止了海洋的冰冻。在这种情况下,海洋的厚度将达到250-300公里。如果不存在海洋,那么其冰质岩石圈将会更厚,可能厚达300公里。
  岩石圈和假定的海洋之下的星体内部可能既不是质地均匀的整体也不是完全的分化型。伽利略号的探测数据(特别是在近距离飞掠中测定的无量纲转动惯量——其数值为0.3549 ± 0.0042)表明其内部由被压缩的岩石和冰体构成,且由于构成成分的部分沉积,随着深度的增加,岩石的比重也逐渐加大。也就是说木卫四的内部结构只是部分分层。在该密度和转动惯量下,星体的中心可能存在着一颗小型硅酸盐内核。这类内核的半径不可能超过600公里,而其密度可能介于3.1-3.g/cm3之间。 
  木卫四表面的地质年龄十分古老,它同时也是太阳系中遭受过最猛烈轰击的天体之一,[31]其撞击坑密度已经接近于饱和:任何新的撞击坑均可能覆盖于旧的撞击坑之上。木卫四上的大型地质构造相对简单:这里没有大型的山脉、火山或其他内源性构造特征。撞击坑和多环结构,
  以及裂缝、悬崖和沉积地形是该星体表面发现的为数不多的几种大型地质构造。
  木卫四表面能够被分成数种不同的地质单元:撞击坑平原、较明亮的平原、明亮而平缓的平原以及由多环机构和撞击坑组成的多类地形单元。撞击坑平原覆盖了木卫四的大部分表面,是古老岩石圈的典型代表,其构成物质为冰体和岩石的混合物。较明亮的平原中存在着明亮的撞击坑、被称为变余结构的古老撞击坑的残迹和多环结构的中央部分,科学家们猜测这种地形是由冰质撞击坑沉积而成。明亮而平缓的平原覆盖的区域较小,常出现于沃尔哈拉撞击坑和阿斯嘉德撞击坑的山脊和槽沟地带中,撞击坑平原中的孤立斑点地带也属于这种地形。这种地形的形成最初被认为与内源性地质活动有关,但是伽利略号传回的高分辨率照片显示这种明亮而平缓的平原地形与断裂、瘤状地形有关,并没有出现任何星体表面被多次覆盖的迹象。伽利略号的照片亦显示木卫四上小块的阴暗平坦区域的覆盖面积小于1万平方公里,并被周围的地形所环绕。这种地形可能是冰火山沉积地形。这些比较明亮或平缓的平原的地质年龄都比撞击坑平原稍小。
  木卫四上的撞击坑直径从100米——这是探测照片的最大分辨率——到100多公里不等,而多环结构则不算在列。直径小于5公里的较小撞击坑拥有简单的碗型结构或平底结构。直径在5-40公里间的撞击坑则拥有中央山峰。直径在25-100公里间的很多撞击坑,如庭德尔撞击坑(Tindr crater),其中央山峰为塌陷地形所取代。而直径大于60公里的大型撞击坑的中央则可能存在着拱形结构,这可能是撞击事件发生之后的构造抬升作用造成的。而少数明亮且直径大于100公里的撞击坑则拥有与众不同的拱形结构。这些撞击坑较之月球上的同类结构都很浅,可能是向多环机构转变的过渡地形。
  木卫四上最大的撞击地形是多环盆地。其中有两个规模巨大,而沃尔哈拉撞击坑则是其中其中最大的,其明亮的中央地带直径达到了600公里,而环状结构则继续向外延展了1800公里。第二大的多环结构是阿斯嘉德撞击坑,直径大约为1600公里。多环结构产生的原因可能是撞击事件发生之后处在柔软或流动物质——如海洋之上的岩石圈产生的同心环状的断裂。撞击坑链则是一长串链状、呈直线分布于星体表面的撞击坑,它们可能是木卫四被过于接近木星而受到引力潮汐作用解体的天体撞击之后形成的,也可能是遭受小角度撞击后产生的。前一种情况得到了苏梅克-列维9号彗星撞击事件的印证。
  沃尔哈拉多环结构正如前文所提及的,木卫四上还存在着由纯冰体构成的、反照率高达0.8的斑块地形,其四周为较暗的物质所环绕。伽利略号的高分辨率照片显示这些较明亮的斑块主要位于抬升地形上:如撞击坑坑缘、悬崖、山脊和瘤状地形。这种斑块可能是一层薄薄的霜体沉积。较暗的物质通常位于四周地势较低且较平坦的地带,如撞击坑坑底和撞击坑之间的低洼地带,它们将原本的霜体沉积物覆盖住,故而该地区显得较暗,形成了直径达5公里以上的暗斑。  

·退化特征  

未来人类在木卫四上设置基地的想象图
未来人类在木卫四上设置基地的想象图
        在几公里的级别上,较之其他伽利略卫星的表面,木卫四的表面地形现出了更多的退化特征。例如相比较与其他卫星,如木卫三的暗区,木卫四的表面即缺乏直径小于1公里的撞击坑,取而代之的是无处不在的小型瘤状地形和陷坑。瘤状地形被认为是撞击坑经历了迄今为止还不为人知的退化过程而形成的坑缘残迹,这种退化很可能是冰体的缓慢升华造成的——当木卫四运行至日下点时,其向阳面温度会达到165K以上,此时冰体即会出现升华现象:基岩引起其上的脏冰分解,从而使得其中的冰体水和其他易挥发物质升华。而残骸中的非冰质残余物则发生崩塌,从撞击坑坑缘的坡上下落。这种崩塌经常在撞击坑附近和撞击坑内部出现,被称为“周边碎片”(debris aprons)。
  此外,有些撞击坑的坑缘被一些蜿蜒的、类似峡谷的切口(它们被称为沟壑)所切割,这些沟壑看起来有点像火星表面的峡谷。在冰体升华假说中,位于低洼地带的暗色物质被解释为主要由来自退化的撞击坑坑缘的非冰质物质组成的覆盖层,它覆盖了木卫四表面大部分的冰体基岩。
  塌陷地形和瘤状地形通过各地质单元所覆盖的撞击坑的密度,人们可以推断出它们的相对年龄:撞击坑分布密度越大,该地质单元相对年龄越大。但是它们的绝对年龄却还无法确定,不过根据理论预测,撞击坑平原的地质年龄被认为长达45亿年,几乎可以追溯到太阳系的形成时期。多环结构和撞击坑的地质年龄则取决于其所在区域的撞击坑密度,由此得出的估计年龄从10亿年到40亿年不等。  

·大气层和电离层

  木卫四周围的感应磁场木卫四拥有一层非常稀薄的大气,主要由二氧化碳构成。伽利略号上的近红外测绘分光仪(Near Infrared Mapping Spectrometer,NIMS)在4.2微米段勘查到该大气层的吸收特征,从而证实了它的存在。据估计其表面压力为7.5 × 10?12巴,粒子密度为4 × 108 cm?3。这层大气是如此稀薄,仅仅需要四天,组成它的物质就会逃逸殆尽,所以该大气一定源源不断的得到了补充,补充来源可能是从该星体冰质地壳中升华出的干冰,这也与该星体表面明亮地区瘤状地形的冰体升华形成假说相契合。
  木卫四的电离层则是在伽利略号的数次飞掠中被首次发现,[13]其高电子密度为7–17 × 104 cm?3,这种密度与大气中二氧化碳的光致电离作用的效果不相符合。所以有人预测木卫四大气层的组要成分应该是氧气(含量为二氧化碳的10倍到100倍),但是尚未在该大气中探测到氧气的存在。  

起源与演化  

·相关解释

  木卫四内部结构的部分分层(该结论由无量纲转动惯量数值推断而出)表明该星体从未被充分加热以使其冰质部分融解。因此,其最可能的形成模型是低密度的木星次星云中的缓慢吸积过程。这个持续时间甚久的吸积过程使得星体最终冷却,而无法保持在吸积过程、放射性元素衰变过程和星体收缩过程积聚的热量,从而阻断了冰体融化和快速分化过程。其形成阶段所耗时间大约在10万年到1000万年之间。
  瘤状地形而之后木卫四的进一步演化则取决于放射性衰变的产热机制和靠近星体表面热传导的冷却机制之间的竞赛,以及星体内部到底是处于固态还是亚固态对流状态。冰体的亚固态对流的具体运动状况是所有冰卫星模型中最大的不确定性因素。基于温度对冰体黏度的影响,当温度接近于冰体的熔点时,就会出现亚固态对流。在亚固态对流中,冰体的运动速度十分缓慢,大约为1厘米/年,但是从长期来看,亚固态对流事实上是非常有效的冷却机制。在木卫四寒冷而坚硬的表层——被称为“密封盖”(stagnant lid)——中,热量的传导并没有以对流形式进行;而在该层之下的冰体中,热量则是以亚固态对流形式进行传导。对木卫四来说,外部的传导层即是厚度约为100公里的寒冷而坚硬的岩石圈。它的存在解释了为何木卫四表面没有任何内源性构造活动的迹象。而在木卫四内部,热对流可能是分层次的,因为在高压之下,冰体水会出现多种晶相,从星体表面的第一态冰到星体中心的第七态冰。在早期,木卫四内部亚固态对流机制的运作阻止了冰体的大面积融化,而后者则会导致星体内部的分化,从而形成一个大型的岩石内核和冰质地幔。同时也由于对流作用的存在,冰体和岩石的部分分化持续了数十亿年之久,至今仍在缓慢进行中。  

·有关现今解释

  现今解释木卫四形成的观点考虑到了在其表面之下可能存在着一个地下海洋,其形成与冰体的第一晶相的熔点异常有关——其熔点随着压力的增大而降低,当压力达到2070巴时,熔点可低至251K。在所有的木卫四现实模型中,位于100-200公里深处地层的温度都十分接近,甚至是略微超过了这个异常的熔点。而少量氨——比重约为1-2%——的存在则能够加大该深度液体存在的可能性,因为氨能够进一步降低冰体熔点。  

·可作为基本参考对象

  尽管在很多方面木卫四木卫三十分相似,但是前者的地质历史相对简单。在撞击事件和其他外力影响作用之前,该星体的表面即已基本成型。与拥有槽沟构造的邻近卫星木卫三相比,木卫四上甚少发现地质构造活动的迹象。 这种相对简单的地质历史对于行星科学家来说意义十分重大,他们可将该星体作为一个很好的基本参考对象,用来对比其他更加复杂的星体。  

探测

  未来人类在木卫四上设置的基地的艺术想象图[40]20世纪70年代,先驱者10号和先驱者11号先后接近木星,获取了少量关于木卫四的新信息。真正的突破来自1979-1980年间旅行者1号和旅行者2号的考察。它们对木卫四一半以上的表面进行了拍摄,图像分辨率在1-2公里之间,同时还精确地测量了木卫四的表面温度、质量和大小。第二波的考察在1994年至2003年间展开,其时伽利略号8次近距离飞掠木卫四,最后一次飞掠发生在2001年,当时伽利略号位于C30轨道上,距离木卫四表面仅138公里。伽利略号完成了对木卫四表面的全球测绘,并传回了大量分辨率达到15米的特定地区的照片。2000年,卡西尼号在前往土星途中对包括木卫四在内的四颗伽利略卫星进行了高精度红外光谱探测。2007年2月至3月,新视野号探测器在前往冥王星途中经过木卫四,对其进行了拍摄和光谱分析。
  美国航空航天局和欧洲空间局合作的一项旨在探测木星卫星的计划——“木卫二-木星计划”将于2020年实施。2009年2月,美国航空航天局和欧洲空间局确认该计划将优先于“土卫六-土星计划”得以实施。但是欧洲空间局的计划资金仍然面临来自该局其他计划的竞争。“木卫二-木星计划”包括美国航空航天局主持的“木星-木卫二轨道飞行器”和欧洲空间局主持的“木星-木卫三轨道飞行器”,可能还包括日本宇宙航空研究开发机构主持的“木星磁场探测器”。  

可能的殖民计划

  2003年,美国航空航天局针对人类未来对外太阳系的探索进行一项被称为“人类外行星探索”(Human Outer Planets Exploration,HOPE)的概念型研究。在详细审议中将目标定位木卫四。科学家们认为有可能在木卫四表面建立一个基地,从而为太阳系更深空间的探索提供燃料支持。
  在木卫四上建立基地的好处在于它的较低辐射(木卫四离木星较远)和地质上的稳定性。同时它还能为进一步探索木卫二提供便利支持,也是在木星系中设置前往更远的外太阳系空间飞船的维修站的理想地点——在离开木卫四之后,飞船可以通过近距离飞掠木星获得重力助推。