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木卫二

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木卫二
木卫二背向行进方向的半球。右下角的白色区域为普维斯撞击坑,深色区域是木卫二水冰表面矿物含量较高的区域。图像颜色近似真色,于1996年9月7日由伽利略号拍摄。
发现
发现者伽利略·伽利莱
西门·马里乌斯
发现日期1610年1月8日[1]
编号
其它名称欧罗巴
轨道参数[3]
历元 2004年1月8日
近心点664862 km[a]
远心点676938 km[b]
二次轨道半径670900 km[2]
离心率0.009[2]
轨道周期3.551181 天[2]
平均轨道速度13.740 km/s[2]
轨道倾角0.470°(对木星赤道)
1.791°(对黄道[2]
隶属天体木星
物理特征
平均半径1560.8±0.5 km(0.245地球[4]
表面积3.09×107 km2(0.061地球)[c]
体积1.593×1010 km3(0.015地球)[d]
质量(4.799844±0.000013)×1022 kg(0.008地球)[4]
平均密度3.013±0.005 g/cm3[4]
表面重力1.314 m/s2(0.134 g)[e]
2.025 km/s[f]
自转周期同步[5]
转轴倾角0.1°[6]
反照率0.67±0.03[4]
表面温度 最低 平均 最高
表面 ≈ 50 K[7] 102K(−171.15℃) 125K
视星等5.29([4]
大气特征
表面气压0.1 µPa(10−12[8]
伽利略号飞船拍摄到接近真实色彩的木卫二表面照片
伽利略号飞船拍摄到接近真实色彩的木卫二表面照片
木卫二的“康纳马拉混沌地形”,崎岖的山丘和平坦的盆地交错在一起
木卫二的“康纳马拉混沌地形”,崎岖的山丘和平坦的盆地交错在一起
艺术家笔下的木卫二喷出羽状水蒸气,在后面的是木星。
艺术家笔下的木卫二喷出羽状水蒸气,在后面的是木星。

木卫二又称为“欧罗巴”(英语:Europa,IPA: /juˈroʊpə/希腊语Ευρώπη),木星天然卫星之一,由伽利略于1610年发现(不久之后又由西门·马里乌斯(Simon Marius)独立发现),是四颗伽利略卫星中最小的一颗。在已知的67颗木星卫星中,木卫二是直径质量第四大,公转轨道距离木星第六近的一颗。木卫二稍微比月亮小,主要由硅酸盐岩石构成,并具有水-冰地壳[9],和可能是一个-核心;有稀薄的大气层,主要由氧气组成;表面有大量裂缝和条纹,而陨石坑比较罕见,有在太阳系任何已知的固体物体的最光滑表面[10]

木卫二的词源

刚刚发现木卫二的时候,马里乌思将之命名为欧罗巴(芭,Europa)。欧罗巴是希腊神话中的美丽腓尼基公主,其他三颗伽利略卫星也由马里乌斯以希腊神话人物分别命名为艾奥(Io,木卫一)、盖尼米德(Ganymede,木卫三)和卡利斯托(卡利斯多、卡里斯托或卡利斯托;Callisto,木卫四),这四个人物皆以英俊或美丽著称。但是在20世纪中叶以前[11],相当长的一段时期内,这一套命名并未获天文学家所认可。早期的文献中多以位置编号将“欧罗巴”称作“木卫二”。1892年发现了木卫五,比之前已知的所有木星卫星都更靠内。1979年旅行者号探测器又发现了三颗内侧卫星,至此,“欧罗巴”的位置排到了第六。尽管如此,编号名仍然承袭下来,并偶尔有使用,中文因对音等问题,亦通行以“木卫二”指称“Europa”。

轨道特征

木卫二与木星之间的平均距离为670,900公里,公转一周只须三天半的时间。它的轨道十分接近正圆,偏心率仅0.009。[12]跟其他的伽利略卫星一样,木卫二也被潮汐锁定,因而有一个半球永远朝向木星。由木星和其他卫星不同方向的重力牵引所转化成的热和能量为有可能发生的,冰层内部液化成海洋,以及驱动表层下的地质运动提供了必要的条件。[13]

物理特征

木卫二内部结构
木卫二内部结构

内部结构

木卫二的主体构成与类地行星相似,即主要由硅酸盐岩石构成。它的表面由覆盖,据推测厚可达上百千米(上层为冻结的冰壳,冰壳下是液态的海洋),1995到2003年期间环绕木星进行科学考查的伽利略号飞船所采集到的磁场数据表明,木卫二在木星磁场的影响下自身能够产生一个感应磁场,这一发现暗示著,其表层内部很可能存在与咸水海洋相似的传导层。木卫二可能还有一个金属性的铁核。[14]

表面特征

木卫二的表面大体光滑,很少有超过几百米的起伏,不过在某些地区也可以观测到接近一公里的落差。木卫二是太阳系中最光滑的天体。它那些显眼的纵横交错的纹路,也就是所谓的反照率特征,是由低浅的地形所造成。由于撞击坑非常少,木卫二是反照率最高的卫星之一。这也暗示了它的表面是相当“年轻”和“活跃”的;基于对木卫二可能经受的彗星撞击频度的估算,它的“表面”年龄大概在2千万到1亿8千万年之间[15](从其地质特征可明显看出年龄的巨大差距)。

木卫二表面最突出的特征就是那些张牙舞爪地布满整个星球的暗色条纹。近距离观测表明,条纹两侧的板块有相向移动的现象。大一点的条纹横向跨度可达20公里,可以观察到这些宽条纹的深色部分和板块外缘有模糊过渡。规则的纹路,以及宽条纹夹有浅色的细纹,这些形态很可能是由表层冰壳开裂较温暖的下层物质暴露而引起的冰火山喷发或间歇泉所造成。这与在地球上的海脊有着相似的效果。据推想,大部分的裂痕是由木星所施加的强大的潮汐压力所造成;由于木卫二已被潮汐锁定,它总是保持一个方向对着木星,固定的压力模式应该可以形成特定的可预测的破例式样。然而在木卫二表面上只有新近出现的裂痕才符合预测的式样,其他的裂痕可以向各个方向延伸,年代越久远的就越是如此。一个较合逻辑的解释是,木卫二其表层的自转速度要略快于其内部,冰面下的海洋将外壳与更下层的地幔分隔开,冰壳在木星的重力牵扯下被撕裂。对比旅行者号和伽利略号拍摄的照片可测算出,大约每10,000年木卫二的外壳会比其内部多自转一周。

木卫二另一个显著的特征就是遍布四野的或大或小或圆或椭的暗斑,拉丁文作“lenticulae”,义为“雀斑”。这些暗斑有的突起如穹有的凹陷如坑有的平坦如镜,也有的纹理纷糅粗糙。突起的小丘多顶部平整,显见着原本是与周遭的平原一体,受推挤上抬而形成。据推想,暗斑的形成是下层温度较高的“暖冰”在透刺(diapir)作用下向上涌升而穿透表层的“寒冰”所致,其运动机理与(地球)地壳内部的熔岩窨相似。光滑的暗斑是“暖冰”冲破表壳时有融水渗出所造成,那些粗糙杂错的斑痕(又被称作“混沌”(chaos)区域,如康纳马拉混沌)是由大量细小的表壳碎片镶嵌在暗色的圆丘中所构成,就像是极地海洋中漂浮的冰山(地球)。

冰下海洋

木卫二的表面温度在赤道地区平均为110K(-163℃),两极更低,只有50K(-223℃),所以表面的水是永久冻结的。但是潮汐力所提供的热能可能会使表面冰层以下的水保持液态。这个猜想最初由针对潮汐热的一系列推测所引发(略为偏心的轨道和木卫二与其他伽利略卫星之间的轨道共振所产生的后果)。伽利略计划的读图团队在对伽利略号和旅行者号所拍摄的图像分析之后推测木卫二的地形特征意味着冰下海洋的存在。有学者将木卫二表面极富特色的混沌地形解释为下层海水渗出地表而造成。但是这一解释争议极大,多数对木卫二进行研究的地质学家更倾向于支持一个被称作“厚冰”模型的理论,他们认为即便存在这样的海洋,也几乎不可能对表面造成直接的影响[16]。对冰壳厚度的估算也存在相当大的分歧,有认为是几千米的,也有认为是数十千米的[17]

木卫二表面为数不多的几个大形的撞击坑就是支持“厚冰”模型的最佳证据。最大的一个撞击坑被若干同心圆圈所环绕,坑内被新鲜的冰填充得相当平整。以此为基础再结合对潮汐力所生成的热能的估算,所推测出冰壳厚度在10到30公里之间,与地球地壳的厚度相当,这也意味着冰下的海洋可能深达100公里[15]

伽利略号轨道飞行器还观测到,木卫二在通过木星巨大的磁场时自身会产生一个强度呈周期性变化的弱磁场(其强度与木卫四接近,约为木卫三磁场的四分之一)。有猜测认为,冰下咸水海洋中的极性离子是该磁场的成因。[14]

另有光谱分析的证据表明,木卫二表面裂痕中微显淡红色的物质有可能是从冰下渗出的海水挥发后沉积下来的盐(比如硫酸镁)。硫化氢[18]也是这一现象的一个合理的解释。但是,由于这两种物质的纯净物都是无色或白色的,别的一些物质也被用于解释淡红色的成因,比如含有硫磺的混合物等。

大气

1994年哈勃空间望远镜戈达德高解析摄谱仪观测到,木卫二的表面包裹着一层主要由氧构成的极其稀薄的大气(1地表气压约1微帕)。[19]在已知的太阳系的所有卫星当中只有七颗具有大气层(其他六星为木卫一木卫四土卫二木卫三土卫六海卫一)与地球不同,木卫二大气中的氧是非生物来源的。很可能是带电粒子的撞击和阳光中的紫外线线的照射使木卫二表面冰层中部分水分子分解成氧和氢,氢因原子量低而逃逸,原子量相对较高的氧则被保留下来。

可能的生命

冰下海洋里可能存在的生物(假想图)
冰下海洋里可能存在的生物(假想图)

据猜想,冰下的海洋中可能有生命存在,其生存环境可能与地球上的深海热泉南极沃斯托克湖(Lake Vostok)相似,其生命的形态可能与地球上的某些嗜极生物相似。尽管目前还没有任何证据,但基于可能存在的液态水,相继有若干项向木卫二派遣空间探测器议案曾被提出(详探索一节)。[20]

相关探索

穿冰机器人(cryobot)和涵泳机器人(hydrobot)的艺术想像图。
穿冰机器人(cryobot)和涵泳机器人(hydrobot)的艺术想像图。

人类有关木卫二的大多数知识都获取自旅行者号伽利略号两次任务中的飞掠观测。木星冰月轨道器计划已于2005年取消[21],但是还有各种各样针对木卫二的未来探索任务的议案被不断的提出。

2006年NASA(美国航空暨太空总署)的预算中编列了应美国国会的口头提请为未来的环航木卫二计划而建立基金。在设想中,该计划的任务包括:通过重力和高度的测量手段确认木卫二的表面冰壳下是否存在海洋;大范围地对地表进行高解析拍摄,通过光谱分析以确认其表面物质的化学成分;以及利用穿冰雷达对冰层进行穿透探测等。该计划甚至考虑让飞船携带一个小型的着陆装置,利用此装置直接分析木卫二表面的化学成分,同时采集地激波数据以确定冰层的厚度和活跃程度。然而目前不可确知该计划是否有切实启动的可能,NASA2007年度的预算编列中就没有这项资金[22]

另一个可行的计划是使用与深度撞击(DI)计划相似的撞击器。用撞击器猛烈撞击木卫二表面以激起碎屑烟雾,让一艘小型飞船穿过烟雾收集碎屑。因无须从木星或木卫二的环航轨道上发射着陆器——当然也省略了从卫星上重新起飞的步骤——燃料的消耗将大大缩减,故而该设想被看成是最经济的方案之一[23]

还有一些更大胆的设想,比如发射一个着陆器寻找冻结在冰壳浅层的可能的生命迹象,或者直接深入内部对冰下海洋进行探查。提案之是派遣一个被称作“融探”(Melt Probe)的巨型核动力探测器(穿冰机器人——cryobot),用它融冰打孔,一直钻入到冰下海洋,接触到水后再释放一个自主运行的水下行走器(涵泳机器人——hydrobot)。这个装置可以将收集到信息传送回地球。穿冰和涵泳机器人都要经过严格的消毒,以避免将可能从地球携带的有机质误认作当地的生物,并杜绝对冰下海洋的污染[24]。这一议案尚未进入严肃筹划的阶段[25]

Cryobot在南极洲经过了测试。随着钻头通过产生的热量融化冰层,探测器会“越陷越深”。融化冰层从理论上讲是个不错的概念,但如果探测器碰到冰层深处的东西,比如大块石头,它将陷入其中不可自拔。如果不能融化冰层,那么探测任务将就此走向终结。香港理工大学匈牙利格拉兹威尔特劳姆福斯特研究所设计出将钻探技术和融化方法完美融为一体的创新方法。他们提出的“热钻”(thermal drill)系统原型机在实验中表现不俗,实验结果刊登在2008年7月出版的《行星和空间科学》杂志上。[26][27][28][29]

高校空间研究协会(Universities Space Research Association)于2006年出版了一册《太阳系探索指南》(Solar System Exploration Roadmap)作为NASA的决策参考。该手册将对木卫二的探索排在前列,建议于2008年启动一系列有关旗舰级木卫二任务的策划项目,并期望飞船能在2015年升空。[30]

由旅行者2号所拍摄的木卫二高分辨率图片,图片显示木卫二有着光滑的表面,只有三个陨石坑的直径超过5公里。
旅行者2号所拍摄的木卫二高分辨率图片,图片显示木卫二有着光滑的表面,只有三个陨石坑的直径超过5公里。

大众文化

2013年科幻冒险片《木卫二报告

2016年11月4日发售的《使命召唤:无限战争》中第一章剧情在木卫二上开展。

2019年进入先期发布英语Early Access的游戏《潜渊症英语Barotrauma (video game)》可以直接操控潜艇在木卫二冰层下探索并遭遇虚构生物。

参见

注释

  1. ^ 近心点从半长轴(a)和离心率(e)推算而得:a(1−e)。
  2. ^ 远心点从半长轴(a)和离心率(e)推算而得:a(1+e)。
  3. ^ 表面积从半径(r)推算而得:4πr 2
  4. ^ 体积从半径(r)推算而得:4/3πr 3
  5. ^ 表面重力从质量(m)、重力常数G)和半径(r)推算而得:Gm/r 2
  6. ^ 逃逸速率从质量(m)、重力常数G)和半径(r)推算而得:

参考文献

  1. ^ Blue, Jennifer. Planet and Satellite Names and Discoverers. USGS. 9 November 2009. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 Overview of Europa Facts. NASA. [2007年12月27日]. (原始内容存档于2014年3月26日). 
  3. ^ JPL HORIZONS solar system data and ephemeris computation service. Solar System Dynamics. NASA, Jet Propulsion Laboratory. [2007年8月10日]. 
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 Yeomans, Donald K. Planetary Satellite Physical Parameters. JPL Solar System Dynamics. 13 July 2006 [2007年11月5日]. 
  5. ^ Geissler, P. E.; Greenberg, R.; Hoppa, G.; Helfenstein, P.; McEwen, A.; Pappalardo, R.; Tufts, R.; Ockert-Bell, M.; Sullivan, R.; Greeley, R.; Belton, M. J. S.; Denk, T.; Clark, B. E.; Burns, J.; Veverka, J.; Hoppa, G.; Helfenstein, P.; McEwen, A.; Pappalardo, R.; Tufts, R.; Ockert-Bell, M.; Sullivan, R.; Greeley, R.; Belton, M. J. S.; Denk, T.; Clark, B. E.; Burns, J.; Veverka, J. Evidence for non-synchronous rotation of Europa. Nature. 1998, 391 (6665): 368–70. Bibcode:1998Natur.391..368G. PMID 9450751. doi:10.1038/34869. 
  6. ^ Bills, Bruce G. Free and forced obliquities of the Galilean satellites of Jupiter. Icarus. 2005, 175 (1): 233–247. Bibcode:2005Icar..175..233B. doi:10.1016/j.icarus.2004.10.028. 
  7. ^ McFadden, Lucy-Ann; Weissman, Paul; and Johnson, Torrence. The Encyclopedia of the Solar System. Elsevier. 2007: 432. ISBN 0-12-226805-9. 
  8. ^ McGrath. Atmosphere of Europa. (编) Pappalardo, Robert T.; McKinnon, William B.; and Khurana, Krishan K. Europa. University of Arizona Press. 2009. ISBN 0-8165-2844-6. 
  9. ^ Chang, Kenneth. Suddenly, It Seems, Water Is Everywhere in Solar System. New York Times. 12 March 2015 [13 March 2015]. 
  10. ^ Europa Moon | Planets.org.uk
  11. ^ Marazzini C.(2005)木星彗星的名称:从伽利略到马里乌斯(The names of the satellites of Jupiter: from Galileo to Simon Marius)Lettere Italiana 57(3): 391-407
  12. ^ "Overview of Europa Facts" NASA webpage. URL accessed 15 April 2006
  13. ^ "Tidal Heating" 互联网档案馆存档,存档日期2006-03-29.
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  15. ^ 15.0 15.1 Schenk, P. M., Chapman, C. R., Zahnle, K., Moore, J. M. "Chapter 18: Ages and Interiors: the Cratering Record of the Galilean Satellites"(伽利略卫星的撞击坑记录)In Jupiter: The Planet, Satellites and Magnetosphere. Cambridge University Press, 2004
  16. ^ Greeley, R. et al. "Chapter 15: Geology of Europa" In Jupiter: The Planet, Satellites and Magnetosphere. Cambridge University Press, 2004
  17. ^ Billings S. E., Kattenhorn S. A. The great thickness debate: Ice shell thickness models for Europa and comparisons with estimates based on flexure at ridges. Icarus. 2005, 177 (2): 397–412. doi:10.1016/j.icarus.2005.03.013. 
  18. ^ 英语原文作Sulfuric acid hydrate,不知何物
  19. ^ Hall, D. T. et al, "Detection of an oxygen atmosphere on Jupiter's moon Europa"(Abstract only)Nature 373, 677 - 679, 23 February 1995. URL accessed 15 April 2006.
  20. ^ 木卫二发现黏土型矿物 为找寻生命提供线索 互联网档案馆存档,存档日期2016-03-03.,亚太日报,2013年12月12日
  21. ^ "NASA 2006 Budget Presented: Hubble, Nuclear Initiative Suffer" 7 February 2005 Space.com article. URL accessed 15 April 2006.
  22. ^ Tony Reichhardt. Designs on Europa unfurl. Nature. 2005, 437: 8. doi:10.1038/437008a. 
  23. ^ McKay C. P. Planetary protection for a Europa surface sample return: The ice clipper mission. Advances in Space Research. 2002, 30 (6): 1601–1605. 
  24. ^ 英文作Forward-contamination,指将地球上微生物携带至地外天体使当地的“生态环境”受到污染
  25. ^ Powell J., Powell J., Maise G., Paniagua, J. NEMO: A mission to search for and return to Earth possible life forms on Europa. Acta Astronautica. 2005, 57: 579–593. doi:10.1016/j.actaastro.2005.04.003. 
  26. ^ P. Weiss, K.L. Yung, T.C. Ng, N. Komle, G. Kargl, E. Kaufmann. Study of a thermal drill head for the exploration of subsurface planetary ice layers. Planetary and Space Science. 2008, 56: 1280–1292. 
  27. ^ " 科学家拟用破冰机器人深入外星冰封海洋" 页面存档备份,存于互联网档案馆 2008年08月30日xinhuanet.com.
  28. ^ P. Weiss, K.L. Yung, N. Koemle, S.M. Ko, E. Kaufmann, G. Kargl ; Thermal drill sampling system onboard high-velocity impactors for exploring the subsurface of Europa, Advances in Space Research (18 January 2010)
  29. ^ Hsu, J. Dual Drill Designed for Europa’s Ice. Astrobiology Magazine. 
  30. ^ Solar System Exploration: This is the 2006 Solar System Exploration Roadmap for NASA's Science Mission Directorate (PDF). Universities Space Research Association. September 2006 [2006-09-29]. 

外部链接

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木卫二
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