太空探索

木卫四:满脸陨石坑,写着古老往事

木卫四直径 4,821 公里,拥有太阳系最古老、陨击最密集的表面和最大的多环撞击盆地瓦尔哈拉,冰壳下可能藏着咸水海洋;因位于木星辐射带之外,被视为未来载人深空任务的理想基地。

木卫四:满脸陨石坑,写着古老往事

如果把水星搬到木星旁边,它的个头会和木卫四(Callisto)很接近:木卫四直径 4,821 公里,是木星第二大、太阳系第三大的卫星。1610 年 1 月,伽利略第一次用望远镜认出它。四颗伽利略卫星中,木卫四离木星最远,也最为“安静”——没有已知的活火山或巨大冰羽,表面却像一本摊开的撞击史。

太阳系最古老、陨击最密集的表面

木卫四以约 188 万公里的距离绕木星运行,公转一周约需 16.7 个地球日。由于远离木星,它几乎不受潮汐加热影响,地质活动早早沉寂。结果,它的表面年龄 超过 40 亿年,陨击坑密度接近饱和——每落下一颗新陨石,几乎都要叠在旧坑之上。亮白色的年轻撞击坑散布在暗色古老地表上,宛如一部太阳系编年史。这里平均表面温度约零下 139 摄氏度。

伽利略号拍摄的木卫四表面特写:右侧为明亮的 Doh 撞击坑及其辐射纹,左图为阿斯加德盆地中央穹丘的高分辨率影像
伽利略号拍摄的木卫四表面特写:右侧为明亮的 Doh 撞击坑及其辐射纹,左图为阿斯加德盆地中央穹丘的高分辨率影像

瓦尔哈拉:太阳系最大的多环撞击盆地

木卫四最壮观的地貌是瓦尔哈拉(Valhalla)撞击盆地:直径约 600 公里的明亮中央区之外,环绕着一圈圈同心环,最外环距中心约 1,900 公里,整个结构跨度近 3,800 公里,约占表面积的 16%,是太阳系已知最大的多环撞击盆地。约 40 亿年前,一颗巨型小行星撞上年轻的木卫四,冲击波在冰壳中激起石子入水般的涟漪,随即被冻结成永恒的环形"年轮"。

旅行者号拍摄的瓦尔哈拉多环撞击盆地,明亮的中央区周围环绕着一圈圈同心环
旅行者号拍摄的瓦尔哈拉多环撞击盆地,明亮的中央区周围环绕着一圈圈同心环

内部结构:冰壳、海洋与未分层的深部

木卫四的密度仅约 1.83 克每立方厘米,由大致等量的水冰和岩石构成。与彻底分层为金属核、岩幔、冰壳的木卫三不同,它的内部从未完全分异:越往深处岩石占比越高,整体是冰岩缓慢过渡的混合体。最外层是厚约 100 至 200 公里的冰壳,冰壳之下可能藏着一层 地下咸水海洋,再往下是冰岩混合的深部,直到中心。它还拥有一层薄到几乎可以忽略的二氧化碳大气。

木卫四内部结构剖面示意图:陨击坑密布的表面之下是厚冰壳(浅色带),其下细窄的蓝色条带代表可能存在的咸水海洋,最内部为冰与岩石的混合体
木卫四内部结构剖面示意图:陨击坑密布的表面之下是厚冰壳(浅色带),其下细窄的蓝色条带代表可能存在的咸水海洋,最内部为冰与岩石的混合体

地下海洋的线索

1996 至 1997 年间,伽利略号多次近距离飞掠木卫四,其磁强计记录到一个随木星磁场起伏的感应磁场。最合理的解释是:冰壳之下存在导电的液态层——一片含盐的地下海洋,深度可能超过 10 公里。近年对这批老数据的重新分析进一步强化了这一证据,不过导电的电离层也可能解释部分信号。木卫四是否真是"海洋世界",仍待证实。

人能在木卫四上建基地吗?

和木卫二相比,木卫四离木星强辐射带更远,表面环境相对温和;水冰还能用来制取饮用水、氧气和火箭燃料。它的重力约为地球的八分之一,一个 40 千克的孩子站上去,体重秤的读数会像只有约 5 千克。

但“相对温和”不等于适合居住:这里几乎没有可呼吸的大气,极冷,补给又要跨越数亿公里。未来基地首先会是密闭舱室或地下设施,而不是可以摘下头盔散步的小镇。

为什么它会被当作深空前哨?

木卫四位于木星最强辐射区之外,表面辐射远低于木卫二和木卫三,加上地质稳定、冰资源丰富,常被讨论为未来外太阳系载人基地的候选地——NASA 本世纪初的 HOPE 概念研究就设想过环绕它的载人方案。探测器方面,欧空局 JUICE 已于 2023 年 4 月发射,按计划将在 2031 年 7 月抵达木星系统,随后多次飞掠木卫四,继续寻找地下海洋线索。

艺术想象图:欧空局 JUICE 探测器飞掠木卫四,巨大的太阳能帆板掠过陨击坑密布的冰质表面
艺术想象图:欧空局 JUICE 探测器飞掠木卫四,巨大的太阳能帆板掠过陨击坑密布的冰质表面

参考资料