太空探索

木衛三:比水星還大的月亮

木衛三直徑 5268 公里,比水星還大,是太陽系最大的衛星,也是唯一擁有內稟磁場的衛星。冰殼之下藏著可能比地球所有海洋還多的液態水,ESA 的 JUICE 探測器將於 2034 年 12 月進入環繞它的軌道。

木衛三:比水星還大的月亮

把水星和木衛三(Ganymede)並排放在一起,木衛三反而更寬:它直徑達到 5268 公里,是木星和整個太陽系最大的衛星。不過它主要由冰與岩石構成,質量只有水星的一半左右。更特別的是,它既有自己的磁場,冰殼下還可能藏著水量驚人的海洋。

比行星還大的衛星

1610 年 1 月,伽利略用自制望遠鏡發現了圍繞木星的四顆大衛星,木衛三便是其中之一。它在距木星約 107 萬公里 的軌道上運行,繞木星一週只需約 7.2 個地球日。論個頭,木衛三比水星大出約 8%,但由於主要由冰和岩石構成,質量只有水星的一半左右。

唯一擁有內稟磁場的衛星

在太陽系所有衛星中,木衛三是唯一一顆像行星一樣自帶磁場的衛星。1996 年,伽利略號探測器飛掠時發現了這個磁場,它源於內部液態鐵核的流動,原理與地球磁場類似。磁場在兩極附近引導帶電粒子撞擊稀薄的含氧大氣,形成絢爛的極光。這個磁場雖然被木星強大的磁場包裹著,卻為研究木衛三內部提供了一扇獨特的視窗。

哈勃望遠鏡觀測顯示木衛三兩極附近出現極光(藝術化處理),遠處為木星
哈勃望遠鏡觀測顯示木衛三兩極附近出現極光(藝術化處理),遠處為木星

冰殼下的深藏海洋

木衛三最驚人的秘密藏在表面之下。2015 年,天文學家利用哈勃望遠鏡觀測它的極光帶,發現極光的擺動幅度遠小於預期——合理的解釋是冰殼之下存在一片 導電的鹹水海洋,它產生的感應磁場抵消了極光的晃動。科學家估算,這片海洋可能深達上百公里,總水量或超過地球所有海洋之和。

內部結構:一顆分層的"迷你行星"

木衛三是太陽系中分化最徹底的天體之一,從內到外層次分明:中心是一個固態鐵核,外面包裹著液態的鐵與硫化鐵層——正是這裡的流動產生了磁場;再往外是岩石地幔;地幔之上是深藏的鹹水海洋,被夾在上下兩層冰之間;最外層則是厚度可達上百公里的冰殼。這種結構更像一顆小型行星,而非普通的衛星。

木衛三內部結構剖面示意:鐵核、岩石地幔、鹹水海洋與冰殼層層分明;本機化配圖
木衛三內部結構剖面示意:鐵核、岩石地幔、鹹水海洋與冰殼層層分明;本機化配圖

表面:明暗兩重世界

木衛三的表面由兩種截然不同的地貌拼接而成:古老、昏暗、佈滿隕石坑的暗區已經存在了約 40 億年,而明亮的溝槽地形則是冰殼曾受構造拉伸、裂開重塑的證據,上面平行排列著山脊與溝壑。這種明暗交錯的格局說明它曾經歷活躍的地質活動;哈勃望遠鏡還發現它擁有 極其稀薄的含氧大氣。

伽利略號拍攝的木衛三表面,亮區溝槽地形與暗區隕擊地貌交界清晰
伽利略號拍攝的木衛三表面,亮區溝槽地形與暗區隕擊地貌交界清晰

站在木衛三上,會看見什麼?

天空會是黑的,因為這裡只存在極其稀薄的大氣。木星則會顯得巨大:視直徑大約是我們從地球看滿月的十幾倍,雲帶和大紅斑可能清楚可見。木衛三被潮汐鎖定,同一側總朝向木星;如果站在朝木星的一面,木星會長期懸在天空相近的位置,而不是每天東昇西落。

不過這不是適合散步的觀景臺。木星磁層中的高能粒子會帶來輻射,表面也極冷,人必須依靠嚴密防護。

JUICE:為冰衛星而來

歐洲航天局的木星冰衛星探測器 JUICE 於 2023 年 4 月 14 日 發射升空,正在藉助行星引力奔赴木星,計畫於 2031 年 7 月抵達。任務方案包括飛掠木衛三、木衛二和木衛四,並在 2034 年 12 月 嘗試進入木衛三軌道;若按計畫完成,它將成為首個環繞地月系之外衛星運行的探測器。雷達、磁場和重力測量將幫助科學家研究冰殼與地下海洋。

JUICE 探測器飛掠冰質衛星的藝術想像圖,巨大的太陽能帆板展開
JUICE 探測器飛掠冰質衛星的藝術想像圖,巨大的太陽能帆板展開

參考資料