第44章 人类对木卫三的探测

　　木卫三是太阳系最大的卫星，昵称“加尼米德”。木卫三是围绕木星运转的一颗卫星，公转周期约为7天。按距离木星从近到远排序，在木星的所有卫星中排第七，在伽利略卫星中排第三。它与木卫二及木卫一保持着1:2:4的轨道共振关系。
　　木卫三是太阳系中最大的卫星。直径5262公里，比行星水星和矮行星冥王星都大。它还是已知太阳系中唯一一颗拥有自己磁层的卫星。这张地图详细阐述了木卫三形成和在太阳系大部分历史中演变的地质特征。这些地质特征记录下木卫三内部演变、木卫三动力学和其他伽利略卫星间相互作用以及撞击木卫三表面小天体演变的证据。科学家们经过深入研究，发现在其他冰冷卫星上发现的任何特征类型都和木卫三某个地方的特征相似。木卫三表面是地球所有陆地面积的一半以上。这颗卫星为科学家提供各种各样的观测地点。一位专门研究木卫三的天文学家说：“木卫三表现出古老和最近形成的地质特征。除了地质多样性，它还增加了历史多样性。”
　　木卫三的直径大于水星，质量约为水星的一半，木卫三主要由硅酸盐岩石和冰体构成，星体分层明显，拥有一个富铁的、流动性的内核。体积大于水星，是太阳系中已知的唯一拥有磁圈的卫星。
　　关于木卫三的发现，还得从古老大中华古代著名天文学家甘德说起。甘德是大中华先秦时期著名的天文学家，世界上最古老星表的编制者和木卫三的最早发现者。他著有《天文星占》8卷、《岁星经》等。后人把他与石申各自写出的天文学著作结合起来，称为《甘石星经》，是现存世界上最早的天文学著作。这些著作的内容多已失传，仅有部分文字为《唐开元占经》等典籍引录，从中可以窥知甘德在恒星区划命名、行星观测与研究等方面有所贡献。
　　甘德还以占星家闻名，是在当时和对后世都产生重大影响的甘氏占星流派的创始人，他的天文学贡献同其占星活动是相辅相成的。
　　甘德，战国时楚国人，战国时期著名天文学家，大中华天文学的先驱之一。经过长期的天象观测，甘德与石申各自写出一部天文学著作。后人把这两部著作结合起来，称为《甘石星经》，书里记录了八百颗恒星的名字，其中一百二十一颗恒星的位置已被测定，是世界最早的恒星表。书里还记录了木、火、土、金、水等五大行星的运行情况，并指出了它们出没的规律。
　　甘德在伽利略之前近两千年就已经用肉眼观测到木星的最亮的卫星——木卫三，是当时认真观测木星和研究木星的名家。后来的天文学家西门·马里乌斯以希腊神话中宙斯的爱人伽倪墨得斯为之命名。美利坚合众国的旅行者号航天器精确地测量了木卫三的大小，伽利略号探测器则发现了它的地下海洋和磁场。21世纪之初的2015年3月12日，美利坚合众国国家航空航天局宣布，太阳系最大卫星木卫三的冰盖下有一片咸水海洋，液态水含量超过地球。
　　人类从在二十世纪中后期开始到二十五世纪的500年间，对木卫三进行过反反复复的探测，众多的探测资料说明，木卫三是太阳系中已知的唯一一颗拥有磁圈的卫星，其磁圈可能是由富铁的流动内核的对流运动所产生的。其中的少量磁圈与木星的更为庞大的磁场相交迭，从而产生了向外扩散的场线。木卫三拥有一层稀薄的含氧大气层，其中含有原子氧，氧气和臭氧，同时原子氢也是大气的构成成分之一。而木卫三上是否拥有电离层还尚未确定。木卫三主要由硅酸盐岩石和冰体构成，星体分层明显，拥有一个富铁的、流动性的内核。人们推测在木卫三表面之下200千米处存在一个被夹在两层冰体之间的咸水海洋。木卫三表面存在两种主要地形。其中较暗的地区约占星体总面积的三分之一，其间密布着撞击坑，地质年龄估计有40亿年之久；其余地区较为明亮，纵横交错着大量的槽沟和山脊，其地质年龄较前者稍小。明亮地区的破碎地质构造的产生原因至今仍是一个谜，有可能是潮汐热所导致的构造活动造成的。
　　从先驱者10号开始，多艘航天器曾近距离掠过木卫三。旅行者号航天器曾经精确地测量了该卫星的大小：平均半径：2631.2km（地球的0.413倍）；表面积：8700000km2（地球的0.171倍）；体积：7.6×1010km3（地球的0.0704倍）；质量：1.4819×1023kg（地球的0.025倍）；平均密度：1.942g/cm3；表面温度：最小----70K，平均----110K，最高-----152K；公转周期：7.15455296天（0.019588年）公转速度：平均10.880km/s；轨道倾角：2.21°（黄道夹角）0.20°（木星赤道夹角）
　　木卫三的轨道距离木星107万400千米，是伽利略卫星中距离木星第三近的，其公转周期为7天3小时。和大部分已知的木星卫星一样，木卫三也为木星所锁定，永远都以同一面面向木星。它的轨道离心率很小，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0.0009-0.0022和0.05-0.32°。这种轨道的变化使得其转轴倾角在0-0.33°之间变化。
　　木卫三和木卫二、木卫一保持着轨道共振关系：即木卫三每公转一周，木卫二即公转两周、木卫一公转四周。当木卫二位于近拱点、木卫一位于远拱点时，两者之间会出现上合现象；而当木卫二位于近拱点时，它和木卫三之间也会出现上合现象。木卫一-木卫二和木卫二-木卫三的上合位置会以相同速率移动，遂三者之间有可能出现三星合现象。这种复杂的轨道共振被称为拉普拉斯共振。现今的拉普拉斯共振并无法将木卫三的轨道离心率提升到一个更高的值。
　　木卫三的平均密度为1.936g/cm3，表明它是由近乎等量的岩石和水构成的，后者主要以冰体形式存在。冰体的质量占卫星总质量的46-50%，比之木卫四稍低。此外可能还存在某些不稳定的冰体，如氨的冰体。木卫三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。在木卫三上，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。
　　木卫三表面的反照率约为0.43。冰体水广泛存在于其表面，比重达到50-90%，高出整体比重许多。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。明亮地带的槽沟构造可能含有较多的冰体，故显得较为明亮。除了水外，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结果的分析也显示了其他物质的存在，包括二氧化碳、二氧化硫，也可能还包括氰、硫酸氢盐和多种有机化合物。此外伽利略号还在木卫三表面发现了硫酸镁、硫酸钠等物质。这些盐类物质可能来自于地表下的海洋。
　　木卫三的表面是不对称的：其同轨道方向的一面要亮于逆轨道方向的一面。这种状况类似于木卫二，而和木卫四的状况正好相反。此外，木卫三同轨道方向一面似乎富含二氧化硫。而二氧化碳在两个半球的分布则相对均匀，尽管在极地地区并未观测到它的存在。木卫三上的撞击坑（除了一个之外）并不富含二氧化碳，这点也与木卫四不同。木卫三的二氧化碳可能在过去的一段时期已经被消耗殆尽了。
　　木卫三的地层结构已经充分分化，它含有一个由硫化亚铁和铁构成的内核、由硅酸盐构成的内层地涵和由冰体构成的外层地涵。这种结构得到了由伽利略号在数次飞掠中所测定的木卫三本身较低的无量纲转动惯量——数值为0.3105±0.0028——的支持。事实上，木卫三是太阳系中转动惯量最小的固态天体。
　　木卫三内部不同层次的厚度取决于硅酸盐的构成成分（其中部分为橄榄石和辉石）以及内核中硫元素的数量。最可能的情况是其内核半径达到700-900千米，外层冰质地涵厚度达800-1000千米，其余部分则为硅酸盐质地涵。内核的密度达到了5.5-6g/cm3，硅酸盐质地涵的密度为3.4-3.6g/cm3。与地球内核结构类似，某些产生磁场的模型要求在铁-硫化亚铁液态内核之中还存在着一个纯铁构成的固态内核。若是这种类型的内核，则其半径最大可能为500千米。木卫三内核的温度可能高达1500-1700K，压力高达100千巴（100亿帕）。
　　木卫三的显著特征包括一个被称为伽利略区的较暗平原，这个区域内的槽沟呈同心环分布，是在一个地质活动时期内形成的。另外一个显著特征则是木卫三的两个极冠，其构成成分都是是霜体。这层霜体延伸至纬度为40°的地区。旅行者号首次发现了木卫三的极冠。目前有两种解释极冠形成的理论，一种认为是高纬度的冰体扩散所致，另一种认为是外空间的等离子态冰体轰击所产生的。伽利略号的观测结果更倾向于后一种理论。