[科普中國(guó)]-木衛(wèi)三

簡(jiǎn)介

木衛(wèi)三（蓋尼米得，Ganymede，Γανυμ?δη?）是圍繞木星運(yùn)轉(zhuǎn)的一顆衛(wèi)星，公轉(zhuǎn)周期約為7天。按距離木星從近到遠(yuǎn)排序，在木星的所有衛(wèi)星中排第七，在伽利略衛(wèi)星中排第三。它與木衛(wèi)二及木衛(wèi)一保持著1:2:4的軌道共振關(guān)系。

木衛(wèi)三是太陽(yáng)系中最大的衛(wèi)星。直徑大于水星，質(zhì)量約為水星的一半，木衛(wèi)三主要由硅酸鹽巖石和冰體構(gòu)成，星體分層明顯，擁有一個(gè)富鐵的、流動(dòng)性的內(nèi)核。體積大于水星，是太陽(yáng)系中已知的唯一擁有磁圈的衛(wèi)星。木衛(wèi)三最先并非伽利略所發(fā)現(xiàn)。在公元前400年到公元前360年之間（最有可能的是在公元前364年夏天）依據(jù)《唐開(kāi)元占經(jīng)》引錄甘德論及木星時(shí)所說(shuō)的話(huà)：“若有小赤星附于其側(cè)”，著名天文學(xué)史家席澤宗先生指出：甘德在公元前4世紀(jì)中葉就觀測(cè)到了木星的最后的衛(wèi)星木衛(wèi)二。而對(duì)于木星的衛(wèi)星的發(fā)現(xiàn)，近代是在17世紀(jì)初望遠(yuǎn)鏡發(fā)明之后，由意大利大科學(xué)家伽利略（Galilei）于1610年用它觀測(cè)木星時(shí)才發(fā)現(xiàn)的。甘德早伽利略近兩千年，而且在沒(méi)有望遠(yuǎn)鏡的條件，僅憑肉眼就發(fā)現(xiàn)了木星的衛(wèi)星，這真是一個(gè)奇跡。后天文學(xué)家西門(mén)·馬里烏斯以希臘神話(huà)中宙斯的愛(ài)人伽倪墨得斯為之命名。旅行者號(hào)航天器精確地測(cè)量了該衛(wèi)星的大小，伽利略號(hào)探測(cè)器則發(fā)現(xiàn)了它地下海洋和磁場(chǎng)。

2015年3月12日，美國(guó)國(guó)家航空航天局宣布，太陽(yáng)系最大衛(wèi)星木衛(wèi)三的冰蓋下有一片咸水海洋，液態(tài)水含量超過(guò)地球。1

星體命名在公元前400年到公元前360年之間（最有可能的是在公元前364年夏天），中國(guó)戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的甘德就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了木衛(wèi)三，比伽利略早了2000多年。

1610年1月11日，伽利略·伽利萊觀測(cè)到三顆靠近木星的星體；第二天晚上，他注意到這三顆星體發(fā)生了位移接著他又發(fā)現(xiàn)了第四顆星體，即后來(lái)的木衛(wèi)三。至1610年1月15日晚，伽利略確定這些星體是圍繞木星運(yùn)行的。他聲稱(chēng)有權(quán)為這些衛(wèi)星命名，并曾考慮過(guò)“科斯米安衛(wèi)星”（Cosmian Stars）的名字，但最終將之命名為“美第奇衛(wèi)星”(Medicean Stars)，

法國(guó)天文學(xué)家尼古拉斯·克勞迪·法布里·德·佩瑞斯特建議為美第奇衛(wèi)星家族的各顆衛(wèi)星分別命名，但是其建議未被采納。原本宣稱(chēng)其最初發(fā)現(xiàn)伽利略衛(wèi)星的西門(mén)·馬里烏斯曾試圖將這幾顆衛(wèi)星命名為“朱庇特的薩圖爾努斯”（Saturn of Jupiter）、“朱庇特的朱庇特”（Jupiter of Jupiter，即指木衛(wèi)三）、“朱庇特的維納斯”（Venus of Jupiter）和“朱庇特的墨丘利”（Mercury of Jupiter）但也從未被采用后來(lái)有建議以希臘神話(huà)中神的斟酒者、宙斯的愛(ài)人蓋尼米得為之命名。這種命名法在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)并沒(méi)有被普遍接受，直至20世紀(jì)中期才得到普遍使用在早期的天文學(xué)文獻(xiàn)中，該衛(wèi)星均以羅馬數(shù)字作為指代（該體系由伽利略提出）即被稱(chēng)為木衛(wèi)三（Jupiter III ）或“朱庇特的第三顆衛(wèi)星”（third satellite of Jupiter）。后來(lái)隨著土星的衛(wèi)星群的發(fā)現(xiàn)，基于開(kāi)普勒和馬里烏斯建議的命名系統(tǒng)開(kāi)始被用于指稱(chēng)木星的衛(wèi)星。木衛(wèi)三是伽利略衛(wèi)星中唯一一顆以男性人物名字命名的，

星體數(shù)據(jù)軌道參數(shù)：

所屬行星：木星

平均半徑：1,070,400km（0.007155 AU）

離心率：0.003

近拱點(diǎn)：1,069,200km（0.007147 AU）

遠(yuǎn)拱點(diǎn)：1,071,600km（0.007163 AU）

公轉(zhuǎn)周期：6天（0.012599年）

公轉(zhuǎn)速度：平均10.880km/s

軌道傾角：2.21（黃道夾角）0.20（木星赤道夾角）

物理性質(zhì)：

平均半徑：2,631.2km（地球的0.413倍）

表面積：87.000,000平方千米（地球的0.12倍）

體積：7.6×101?（地球的0.0705倍））

質(zhì)量：1.4819×1023（地球的0.025倍）

平均密度：4g/cm

表面引力：1.428m/s

逃逸速度：3km/s

自轉(zhuǎn)周期：7天

轉(zhuǎn)軸傾角：0-0.33

反照率：0.43±0.02

表面溫度：最高122K 平均99K 最低：22k

視星等∶5（oppositition）

大氣壓：極小

大氣成份：氧氣，原子氧，臭氧

結(jié)構(gòu)特征木衛(wèi)三是太陽(yáng)系中已知的唯一一顆擁有磁圈的衛(wèi)星，其磁圈可能是由富鐵的流動(dòng)內(nèi)核的對(duì)流運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的。其中的少量磁圈與木星的更為龐大的磁場(chǎng)相交迭，從而產(chǎn)生了向外擴(kuò)散的場(chǎng)線(xiàn)。木衛(wèi)三擁有一層稀薄的含氧大氣層其中含有原子氧，氧氣和臭氧，同時(shí)原子氫也是大氣的構(gòu)成成分之一而木衛(wèi)三上是否擁有電離層還尚未確定。木衛(wèi)三主要由硅酸鹽巖石和冰體構(gòu)成星體分層明顯，擁有一個(gè)富鐵的、流動(dòng)性的內(nèi)核?？茖W(xué)家推測(cè)在木衛(wèi)三表面之下200千米處存在一個(gè)被夾在兩層冰體之間的咸水海洋。木衛(wèi)三表面存在兩種主要地形：其中較暗的地區(qū)約占星體總面積的三分之一其間密布著撞擊坑，地質(zhì)年齡估計(jì)有40億年之久；其余地區(qū)較為明亮縱橫交錯(cuò)著大量的槽溝和山脊，其地質(zhì)年齡較前者稍小。明亮地區(qū)的破碎地質(zhì)構(gòu)造的產(chǎn)生原因至今仍是一個(gè)謎，有可能是潮汐熱所導(dǎo)致的構(gòu)造活動(dòng)造成的。

木衛(wèi)三是太陽(yáng)系中已知的唯一擁有磁圈的衛(wèi)星。它擁有一層稀薄的含氧大氣層，其中含有原子氧，氧氣和臭氧。而木衛(wèi)三上是否擁有電離層還尚未確定。

星體構(gòu)成木衛(wèi)三內(nèi)部結(jié)構(gòu)木衛(wèi)三的平均密度為1.936g/cm3，表明它是由近乎等量的巖石和水構(gòu)成的，后者主要以冰體形式存在冰體的質(zhì)量占衛(wèi)星總質(zhì)量的46-50%，

比之木衛(wèi)四稍低。此外可能還存在某些不穩(wěn)定的冰體，如氨的冰體。木衛(wèi)三巖石的確切構(gòu)成還不為人知，但是很可能接近于L型或LL型普通球粒隕石，這兩類(lèi)隕石較之H球粒隕石，所含的全鐵和金屬鐵較少，而鐵氧化物較多在木衛(wèi)三上，以質(zhì)量計(jì)，鐵和硅的豐度比為1.05-1.27，而在太陽(yáng)中，則為1.8。

木衛(wèi)三表面的反照率約為0.43。冰體水廣泛存在于其表面，比重達(dá)到50-90%，高出整體比重許多。利用近紅外光譜學(xué)，科學(xué)家們?cè)?.04、1.25、1.5、2.0和3.0微米波長(zhǎng)段發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)烈的冰體水的吸附帶。明亮地帶的槽溝構(gòu)造可能含有較多的冰體，故顯得較為明亮。除了水外，對(duì)伽利略號(hào)和地基觀測(cè)站拍攝的高分辨率近紅外光譜和紫外線(xiàn)光譜結(jié)果的分析也顯示了其他物質(zhì)的存在，包括二氧化碳、二氧化硫，也可能還包括氰、硫酸氫鹽和多種有機(jī)化合物。此外伽利略號(hào)還在木衛(wèi)三表面發(fā)現(xiàn)了硫酸鎂、硫酸鈉等物質(zhì)這些鹽類(lèi)物質(zhì)可能來(lái)自于地表之下的海洋

木衛(wèi)三的表面是不對(duì)稱(chēng)的：其同軌道方向的一面要亮于逆軌道方向的一面。這種狀況類(lèi)似于木衛(wèi)二，而和木衛(wèi)四的狀況正好相反。此外，木衛(wèi)三同軌道方向一面似乎富含二氧化硫。而二氧化碳在兩個(gè)半球的分布則相對(duì)均勻盡管在極地地區(qū)并未觀測(cè)到它的存在。木衛(wèi)三上的撞擊坑（除了一個(gè)之外）并不富含二氧化碳，這點(diǎn)也與木衛(wèi)四不同。木衛(wèi)三的二氧化碳可能在過(guò)去的一段時(shí)期已經(jīng)被消耗殆盡了。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)木衛(wèi)三的地層結(jié)構(gòu)已經(jīng)充分分化，它含有一個(gè)由硫化亞鐵和鐵構(gòu)成的內(nèi)核、由硅酸鹽構(gòu)成的內(nèi)層地涵和由冰體構(gòu)成的外層地涵。這種結(jié)構(gòu)得到了由伽利略號(hào)在數(shù)次飛掠中所測(cè)定的木衛(wèi)三本身較低的無(wú)量綱轉(zhuǎn)動(dòng)慣量——數(shù)值為0.3105± 0.0028——的支持事實(shí)上木衛(wèi)三是太陽(yáng)系中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小的固態(tài)天體。伽利略號(hào)探測(cè)到的木衛(wèi)三本身固有的磁場(chǎng)則與其富鐵的、流動(dòng)的內(nèi)核有關(guān)。擁有高電導(dǎo)率的液態(tài)鐵的對(duì)流是產(chǎn)生磁場(chǎng)的最合理模式。

木衛(wèi)三內(nèi)部不同層次的厚度取決于硅酸鹽的構(gòu)成成分（其中部分為橄欖石和輝石）以及內(nèi)核中硫元素的數(shù)量。最可能的情況是其內(nèi)核半徑達(dá)到700-900千米，外層冰質(zhì)地涵厚度達(dá)800-1000千米，其余部分則為硅酸鹽質(zhì)地涵。內(nèi)核的密度達(dá)到了5.5–6g/cm3，硅酸鹽質(zhì)地涵的密度為3.4–3.6g/cm3。與地球內(nèi)核結(jié)構(gòu)類(lèi)似，某些產(chǎn)生磁場(chǎng)的模型要求在鐵-硫化亞鐵液態(tài)內(nèi)核之中還存在著一個(gè)純鐵構(gòu)成的固態(tài)內(nèi)核。若是這種類(lèi)型的內(nèi)核，則其半徑最大可能為500千米。木衛(wèi)三內(nèi)核的溫度可能高達(dá)1500-1700K，壓力高達(dá)100千巴（100億帕）。

表面特征木衛(wèi)三的表面主要存在兩種類(lèi)型的地形：一種是非常古老的、密布撞擊坑的暗區(qū)，另一種是較之前者稍微年輕（但是地質(zhì)年齡依舊十分古老）、遍布大量槽溝和山脊的明區(qū)。暗區(qū)的面積約占球體總面積的三分之一，其間含有粘土和有機(jī)物質(zhì)，這可能是由撞擊木衛(wèi)三的隕石帶來(lái)的。而產(chǎn)生槽溝地形的加熱機(jī)制則仍然是行星科學(xué)中的一大難題。現(xiàn)今的觀點(diǎn)認(rèn)為槽溝地形從本質(zhì)上說(shuō)主要是由構(gòu)造活動(dòng)形成的；而如果冰火山在其中起了作用的話(huà)那也只是次要的作用。為了引起這種構(gòu)造活動(dòng)，木衛(wèi)三的巖石圈必須被施加足夠強(qiáng)大的壓力，而造成這種壓力的力量可能與過(guò)去曾經(jīng)發(fā)生的潮汐熱作用有關(guān)——這種作用可能在木衛(wèi)三處于不穩(wěn)定的軌道共振狀態(tài)時(shí)發(fā)生引力潮汐對(duì)冰體的撓曲作用會(huì)加熱星體內(nèi)部，給巖石圈施加壓力，并進(jìn)一步導(dǎo)致裂縫、地壘和地塹的形成，這些地形取代了占木衛(wèi)三表面積70%的古老暗區(qū)。槽溝地形的形成可能還與早期內(nèi)核的形成過(guò)程及其后星體內(nèi)部的潮汐熱作用有關(guān)，它們引起的冰體的相變和熱脹冷縮作用可能導(dǎo)致木衛(wèi)三發(fā)生了微度膨脹，幅度為1-6%。隨著星體的進(jìn)一步發(fā)育，熱水噴流被從內(nèi)核擠壓至星體表面，導(dǎo)致巖石圈的構(gòu)造變形。星體內(nèi)部的放射性衰變產(chǎn)生的熱能是最可能的熱源，木衛(wèi)三地下海洋的形成可能就有賴(lài)于它。通過(guò)研究模型人們發(fā)現(xiàn)，如果過(guò)去木衛(wèi)三的軌道離心率值較現(xiàn)今高很多（事實(shí)上也可能如此），那么潮汐熱能就可能取放射性衰變熱源而代之，成為木衛(wèi)三最主要的熱源。

在兩種地形中均可見(jiàn)到，但是在暗區(qū)中分布的更為密集：這一區(qū)域遭遇過(guò)大規(guī)模的隕石轟擊，因而撞擊坑的分布呈飽和狀態(tài)。較為明亮的槽溝地形區(qū)分布的撞擊坑則較少，在這里由于構(gòu)造變形而發(fā)育起來(lái)的地形成為了主要地質(zhì)特征。撞擊坑的密度表明暗區(qū)的地質(zhì)年齡達(dá)到了40億年，接近于月球上的高地地形的地質(zhì)年齡；而槽溝地形則稍微年輕一些（但是無(wú)法確定其確切年齡）。和月球類(lèi)似，在35-40億年之前，木衛(wèi)三經(jīng)歷過(guò)一個(gè)隕石猛烈轟擊的時(shí)期如果這種情況屬實(shí)，那么這個(gè)時(shí)期在太陽(yáng)系內(nèi)曾經(jīng)發(fā)生了大規(guī)模的轟擊事件，而這個(gè)時(shí)期之后轟擊率又大為降低在亮區(qū)中，既有撞擊坑覆蓋于槽溝之上的情況，也有槽溝切割撞擊坑的情況，這說(shuō)明其中的部分槽溝地質(zhì)年齡也十分古老。木衛(wèi)三上也存在相對(duì)年輕的撞擊坑，其向外發(fā)散的輻射線(xiàn)還清晰可見(jiàn)。木衛(wèi)三的撞擊坑深度不及月球和水星上的，這可能是由于木衛(wèi)三的冰質(zhì)地層質(zhì)地薄弱，會(huì)發(fā)生位移，從而能夠轉(zhuǎn)移一部分的撞擊力量許多地質(zhì)年代久遠(yuǎn)的撞擊坑的坑體結(jié)構(gòu)已經(jīng)消失不見(jiàn)，只留下一種被稱(chēng)為變余結(jié)構(gòu)（英語(yǔ)：palimpsest）的殘跡

木衛(wèi)三的顯著特征包括一個(gè)被稱(chēng)為伽利略區(qū)的較暗平原，這個(gè)區(qū)域內(nèi)的槽溝呈同心環(huán)分布，可能是在一個(gè)地質(zhì)活動(dòng)時(shí)期內(nèi)形成的。另外一個(gè)顯著特征則是木衛(wèi)三的兩個(gè)極冠，其構(gòu)成成分可能是霜體。這層霜體延伸至緯度為40°的地區(qū)。旅行者號(hào)首次發(fā)現(xiàn)了木衛(wèi)三的極冠。目前有兩種解釋極冠形成的理論，一種認(rèn)為是高緯度的冰體擴(kuò)散所致，另一種認(rèn)為是外空間的等離子態(tài)冰體轟擊所產(chǎn)生的。伽利略號(hào)的觀測(cè)結(jié)果更傾向于后一種理論，

大氣層和電離層1972年，一支在印度尼西亞的波斯查天文臺(tái)工作的印度、英國(guó)和美國(guó)天文學(xué)家聯(lián)合團(tuán)隊(duì)宣稱(chēng)他們?cè)谝淮窝谛乾F(xiàn)象中探測(cè)到了木衛(wèi)三的大氣，當(dāng)時(shí)木星正從一顆恒星之前通過(guò)。他們估計(jì)其大氣壓約為1微巴（0.1帕）。1979年旅行者1號(hào)在飛掠過(guò)木星之時(shí)，借助當(dāng)時(shí)的一次掩星現(xiàn)象進(jìn)行了類(lèi)似的觀測(cè)，但是得到了不同的結(jié)果。旅行者1號(hào)的掩星觀測(cè)法使用短于200納米波長(zhǎng)的遠(yuǎn)紫外線(xiàn)光譜進(jìn)行觀測(cè)，這比之1972年的可見(jiàn)光譜觀測(cè)法，在測(cè)定氣體存在與否方面要精確得多。旅行者1號(hào)的觀測(cè)數(shù)據(jù)表明木衛(wèi)三上并不存在大氣，其表面的微粒數(shù)量密度最高只有1.5 × 10?cm3，對(duì)應(yīng)的壓力小于2.5 × 10?微巴。后一個(gè)數(shù)據(jù)較之1972年的數(shù)據(jù)要小了5個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)明早期的估計(jì)太過(guò)于樂(lè)觀了，

木衛(wèi)三表面的假色溫度圖不過(guò)1995年哈勃空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了木衛(wèi)三上存在稀薄的、以氧為主要成分的大氣，這點(diǎn)類(lèi)似于木衛(wèi)二的大氣。哈勃望遠(yuǎn)鏡在130.4納米到135.6納米段的遠(yuǎn)紫外線(xiàn)光譜區(qū)探測(cè)到了原子氧的大氣光。這種大氣光是分子氧遭受電子轟擊而離解時(shí)所發(fā)出的，這表明木衛(wèi)三上存在著以O(shè)?分子為主的中性大氣。其表面微粒數(shù)量密度在 1.2-7 × 10?cm3范圍之間，相應(yīng)的表面壓力為0.2-1.2 × 10?微巴。這些數(shù)值在旅行者號(hào)1981年探測(cè)的數(shù)值上限之內(nèi)。這種微量級(jí)的氧氣濃度不足以維持生命存在；其來(lái)源可能是木衛(wèi)三表面的冰體在輻射作用下分解為氫氣和氧氣的過(guò)程，其中氫氣由于其原子量較低，很快就逃逸出木衛(wèi)三了。木衛(wèi)三上觀測(cè)到的大氣光并不像木衛(wèi)二上的同類(lèi)現(xiàn)象一般在空間分布上呈現(xiàn)均一性。哈勃望遠(yuǎn)鏡在木衛(wèi)三的南北半球發(fā)現(xiàn)了數(shù)個(gè)亮點(diǎn)，其中兩個(gè)都處于緯度50°地區(qū)——即木衛(wèi)三磁圈的擴(kuò)散場(chǎng)線(xiàn)和聚集場(chǎng)線(xiàn)的交界處。同時(shí)也有人認(rèn)為亮點(diǎn)可能是等離子體在下落過(guò)程中切割擴(kuò)散場(chǎng)線(xiàn)所形成的極光。

中性大氣層的存在著木衛(wèi)三上也應(yīng)該存在電離層，因?yàn)檠醴肿邮窃谠馐軄?lái)自磁圈和太陽(yáng)遠(yuǎn)紫外輻射的高能電子轟擊之后而電離的。但是和大氣層一樣，木衛(wèi)三電離層的性質(zhì)也引發(fā)了爭(zhēng)議。伽利略號(hào)的部分觀測(cè)發(fā)現(xiàn)在木衛(wèi)三表面的電子密度較高，表明其存在電離層，但是其他觀測(cè)則毫無(wú)所獲。通過(guò)各種觀測(cè)所測(cè)定的木衛(wèi)三表面的電子密度處于400-2,500 cm3范圍之間。及至2008年，木衛(wèi)三電離層的各項(xiàng)參數(shù)仍未被精確確定。

證明木衛(wèi)三含氧大氣存在的另一種方法是對(duì)藏于木衛(wèi)三表層冰體中的氣體進(jìn)行測(cè)量。1996年，科學(xué)家們公布了針對(duì)臭氧的測(cè)量結(jié)果。1997年，光譜分析揭示了分子氧的二聚體（或雙原子分子）吸收功能，即當(dāng)氧分子處于濃相狀態(tài)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)這種吸收功能，而如果分子氧藏于冰體之中，則吸收功能最佳。二聚體的吸收光譜位置更多的取決于緯度和經(jīng)度，而非表面的反照率——隨著緯度的提高，吸收光譜的位置就會(huì)上移。而相反的，隨著緯度的提高臭氧的吸收光譜則會(huì)下移。實(shí)驗(yàn)室的模擬試驗(yàn)表明，在木衛(wèi)三上表面溫度高于100K的地區(qū)，O?并不會(huì)聚合在一起，而是擴(kuò)散至冰體中。

當(dāng)在木衛(wèi)二上發(fā)現(xiàn)了鈉元素之后，科學(xué)家們便開(kāi)始在木衛(wèi)三的大氣中尋找這種物質(zhì)，但是到了1997年都一無(wú)所獲。據(jù)估計(jì)，鈉在木衛(wèi)三上的豐度比木衛(wèi)二小13倍，這可能是因?yàn)槠浔砻嬖揪腿狈υ撐镔|(zhì)或磁圈將這類(lèi)高能原子擋開(kāi)了。木衛(wèi)三大氣層中存在的另一種微量成分是原子氫，在距該衛(wèi)星表面3000千米的太空即已能觀測(cè)到氫原子的存在。其在星體表面的數(shù)量密度約為1.5 × 10?cm3。

磁層1995年至2000年間，伽利略號(hào)共6次近距離飛掠過(guò)木衛(wèi)三，發(fā)現(xiàn)該衛(wèi)星有一個(gè)獨(dú)立于木星磁場(chǎng)之外的、長(zhǎng)期存在的、其本身所固有的磁矩，其大小估計(jì)為1.3 × 1013T·m3，比水星的磁矩大三倍。其磁偶極子與木衛(wèi)三自轉(zhuǎn)軸的交角為176°，這意味著其磁極正對(duì)著木星磁場(chǎng)。磁層的北磁極位于軌道平面之下。由這個(gè)長(zhǎng)期磁矩創(chuàng)造的偶極磁場(chǎng)在木衛(wèi)三赤道地區(qū)的強(qiáng)度為719±2納特斯拉，超過(guò)了此處的木星磁場(chǎng)強(qiáng)度——后者為120納特斯拉。木衛(wèi)三赤道地區(qū)的磁場(chǎng)正對(duì)著木星磁場(chǎng)，這使其場(chǎng)線(xiàn)有可能重新聚合。而其南北極地區(qū)的磁場(chǎng)強(qiáng)度則是赤道地區(qū)的兩倍為1440納特斯拉，

長(zhǎng)期存在的磁矩在木衛(wèi)三四周劃出一個(gè)空間，形成了一個(gè)嵌入木星磁場(chǎng)的小型磁層。木衛(wèi)三是太陽(yáng)系中已知的唯一一顆擁有磁層的衛(wèi)星。其磁層直徑達(dá)4-5RG (RG=2,631.2千米)。在木衛(wèi)三上緯度低于30°的地區(qū)，其磁層的場(chǎng)線(xiàn)是閉合的，在這個(gè)區(qū)域，帶電粒子（如電子和離子）均被捕獲，進(jìn)而形成輻射帶。磁層中所含的主要離子為單個(gè)的離子化的氧原子——O+——這點(diǎn)與木衛(wèi)三含氧大氣層的特征相吻合。而在緯度高于30°的極冠地區(qū)場(chǎng)線(xiàn)則向外擴(kuò)散，連接著木衛(wèi)三和木星的電離層。在這些地區(qū)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了高能（高達(dá)數(shù)十甚至數(shù)百千伏）的電子和離子，可能由此而形成了木衛(wèi)三極地地區(qū)的極光現(xiàn)象。另外，在極地地區(qū)不斷下落的重離子則發(fā)生了濺射運(yùn)動(dòng)最終使木衛(wèi)三表面的冰體變暗。

木衛(wèi)三磁層和木星磁場(chǎng)的相互影響與太陽(yáng)風(fēng)和地球磁場(chǎng)的相互作用在很多方面十分類(lèi)似。如繞木星旋轉(zhuǎn)的等離子體對(duì)木衛(wèi)三逆軌道方向磁層的轟擊就非常像太陽(yáng)風(fēng)對(duì)地球磁場(chǎng)的轟擊。主要的不同之處是等離子體流的速度——在地球上為超音速，而在木衛(wèi)三上為亞音速。由于其等離子體流速度為亞音速，所以在木衛(wèi)三逆軌道方向一面的磁場(chǎng)并未形成弓形激波。除了其本身固有的磁層外，木衛(wèi)三還擁有一個(gè)感應(yīng)產(chǎn)生的偶極磁場(chǎng)，其存在與木衛(wèi)三附近木星磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化有關(guān)。該感應(yīng)磁場(chǎng)隨著木衛(wèi)三本身固有磁層方向的變化，交替呈放射狀面向木星或背向木星該磁場(chǎng)的強(qiáng)度較之木衛(wèi)三本身之磁場(chǎng)弱了一個(gè)數(shù)量級(jí)——前者磁赤道地區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)為60納特斯拉，只及木星此處場(chǎng)強(qiáng)的一半。木衛(wèi)三的感應(yīng)磁場(chǎng)和木衛(wèi)四的以及木衛(wèi)二的感應(yīng)磁場(chǎng)十分相似，這表明該衛(wèi)星可能也擁有一個(gè)高電導(dǎo)率的地下海洋。由于木衛(wèi)三的內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)是徹底的分化型，且擁有一顆金屬內(nèi)核，所以其本身固有的磁層的產(chǎn)生方式可能與地球磁場(chǎng)的產(chǎn)生方式類(lèi)似：即是內(nèi)核物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。如果磁場(chǎng)是基于發(fā)電機(jī)原理的產(chǎn)物那么木衛(wèi)三的磁層就可能是由其內(nèi)核的成分對(duì)流運(yùn)動(dòng)所造成的。

盡管已知木衛(wèi)三擁有一個(gè)鐵質(zhì)內(nèi)核，但是其磁層仍然顯得很神秘，特別是為何其他與之大小相同的衛(wèi)星都不擁有磁層。一些研究認(rèn)為在木衛(wèi)三這種相對(duì)較小的體積下，其內(nèi)核應(yīng)該早已被充分冷卻以致內(nèi)核的流動(dòng)和磁場(chǎng)的產(chǎn)生都無(wú)以為繼。一種解釋聲稱(chēng)能夠引起星體表面構(gòu)造變形的軌道共振也能夠起到維持磁層的作用：即木衛(wèi)三的軌道離心率和潮汐熱作用由于某些軌道共振作用而出現(xiàn)增益，同時(shí)其地幔也起到了絕緣內(nèi)核，阻止其冷卻的作用另一種解釋認(rèn)為是地幔中的硅酸鹽巖石中殘留的磁性造成了這種磁層。如果該衛(wèi)星在過(guò)去曾經(jīng)擁有基于發(fā)電機(jī)原理產(chǎn)生的強(qiáng)大磁場(chǎng)，那么該理論就很有可能行得通。

星體歷史木衛(wèi)三可能由木星次星云——即在木星形成之后環(huán)繞于其四周的、由氣體和塵埃組成的圓盤(pán)——的吸積作用所產(chǎn)生木衛(wèi)三的吸積過(guò)程持續(xù)了大約1萬(wàn)年，相較暗的尼克爾森區(qū)和較亮的哈帕吉亞槽溝之間可謂涇渭分明。

較于木衛(wèi)四的10萬(wàn)年短得多。當(dāng)伽利略衛(wèi)星開(kāi)始形成之際，木星次星云中所含的氣體成分已經(jīng)相對(duì)較少；這導(dǎo)致了木衛(wèi)四較長(zhǎng)的吸積時(shí)間。相反，由于木衛(wèi)三是緊接木星之后形成的，這時(shí)的次星云還比較濃密，所以其吸積作用所耗時(shí)間較短。相對(duì)較短的形成時(shí)間使得吸積過(guò)程中產(chǎn)生的熱量較少逃逸，這些未逃逸的熱量導(dǎo)致了冰體的融化和木衛(wèi)三內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分化：即巖石和冰體相互分開(kāi)，巖石沉入星體中心形成內(nèi)核。在這方面，木衛(wèi)三與木衛(wèi)四不同，后者由于其較長(zhǎng)的形成時(shí)間而導(dǎo)致吸積熱逃逸殆盡，從而無(wú)法在初期融化冰體以及分化內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這一假說(shuō)揭示了為何質(zhì)量和構(gòu)成物質(zhì)如此接近的兩顆衛(wèi)星看起來(lái)卻如此得不同。

在其形成之后，木衛(wèi)三的內(nèi)核還保存了大部分在吸積過(guò)程和分化過(guò)程中形成的熱量，它只是緩慢的將少量熱量釋放至冰質(zhì)地幔層中，就如同熱電池的運(yùn)作一般。接著，地幔又通過(guò)對(duì)流作用將熱量傳導(dǎo)至星體表面。不久巖石中蘊(yùn)含的放射性元素開(kāi)始衰變，產(chǎn)生的熱量進(jìn)一步加熱了內(nèi)核，從而加劇了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分化，最終形成了一個(gè)鐵-硫化亞鐵內(nèi)核和一個(gè)硅酸鹽地幔。至此，木衛(wèi)三內(nèi)部結(jié)構(gòu)徹底分化。與之相比較，未經(jīng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)分化的木衛(wèi)四所產(chǎn)生的放射性熱能只能導(dǎo)致其冰質(zhì)內(nèi)部的對(duì)流，這種對(duì)流有效地冷卻了星體，并阻止了大規(guī)模的冰體融化和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的快速分化，同時(shí)其最多只能引起冰體與巖石的部分分化?，F(xiàn)今，木衛(wèi)三的冷卻過(guò)程仍十分緩慢。從起內(nèi)核和硅酸鹽地幔所釋放出的熱量使得木衛(wèi)三上的地下海洋得以存在，同時(shí)只是緩慢冷卻的流動(dòng)的鐵-硫化亞鐵內(nèi)核仍在推動(dòng)星體內(nèi)的熱對(duì)流，并維持著磁圈的存在。木衛(wèi)三的對(duì)外熱通量很可能高于木衛(wèi)四。

運(yùn)行特點(diǎn)軌道距離木衛(wèi)三的軌道距離木星107萬(wàn)400千米，是伽利略衛(wèi)星中距離木星第三近的，其公轉(zhuǎn)周期為7天3小時(shí)。和大部分已知的木星衛(wèi)星一樣，木衛(wèi)三也為木星所鎖定，永遠(yuǎn)都以同一面面向木星，木衛(wèi)一、木衛(wèi)二和木衛(wèi)三三者之間的拉普拉斯共振狀態(tài)。它的軌道離心率很小，軌道傾角也很小，接近于木星赤道，同時(shí)在數(shù)百年的周期里，軌道的離心率和傾角還會(huì)以周期函數(shù)的形式受到太陽(yáng)和木星引力攝動(dòng)的影響。變化范圍分別為0.0009-0.0022和0.05-0.32°這種軌道的變化使得其轉(zhuǎn)軸傾角在0-0.33°之間變化。

木衛(wèi)三和木衛(wèi)二、木衛(wèi)一保持著軌道共振關(guān)系：即木衛(wèi)三每公轉(zhuǎn)一周，木衛(wèi)二即公轉(zhuǎn)兩周、木衛(wèi)一公轉(zhuǎn)四周當(dāng)木衛(wèi)二位于近拱點(diǎn)、木衛(wèi)一位于遠(yuǎn)拱點(diǎn)時(shí)，兩者之間會(huì)出現(xiàn)上合現(xiàn)象；而當(dāng)木衛(wèi)二位于近拱點(diǎn)時(shí)，它和木衛(wèi)三之間也會(huì)出現(xiàn)上合現(xiàn)象。木衛(wèi)一和木衛(wèi)二，木衛(wèi)三的上合位置會(huì)以相同速率移動(dòng)，遂三者之間有可能出現(xiàn)三星合現(xiàn)象。這種復(fù)雜的軌道共振被稱(chēng)為拉普拉斯共振。現(xiàn)今的拉普拉斯共振并無(wú)法將木衛(wèi)三的軌道離心率提升到一個(gè)更高的值。

離心率0.0013的離心率值可能是早期殘留下來(lái)的——當(dāng)時(shí)軌道離心率的提升是有可能的。但是木衛(wèi)三的軌道離心率仍然讓人困惑：如果在現(xiàn)階段其離心率值無(wú)法提升，則必然得表明在其內(nèi)部的潮汐耗散作用下，它的離心率值正在逐漸損耗。這意味著離心率值的最后一次損耗就發(fā)生在數(shù)億年之前。由于現(xiàn)今木衛(wèi)三軌道的離心率相對(duì)較低——平均只有0.0015，所以現(xiàn)今木衛(wèi)三的潮汐熱也應(yīng)該相應(yīng)的十分微弱。但是在過(guò)去，木衛(wèi)三可能已經(jīng)經(jīng)歷過(guò)了一種或多種類(lèi)拉普拉斯共振，從而使得其軌道離心率能達(dá)到0.01-0.02的高值。

這可能在木衛(wèi)三內(nèi)部引起了顯著的潮汐熱效應(yīng)；而這種多階段的內(nèi)部加熱最終造成了現(xiàn)今木衛(wèi)三表面的槽溝地形人們還無(wú)法確切知曉木衛(wèi)一、木衛(wèi)二和木衛(wèi)三之間的拉普拉斯共振是如何形成的。現(xiàn)今存在兩種假說(shuō)：一種認(rèn)為這種狀態(tài)在太陽(yáng)系形成之初即已存在；另一種認(rèn)為這種狀態(tài)是在太陽(yáng)系形成之后才發(fā)展出來(lái)的。一種可能的形成過(guò)程如下：首先是由于木星的潮汐效應(yīng)，致使木衛(wèi)一的軌道向外推移，直至某一點(diǎn)與木衛(wèi)二發(fā)生2:1的軌道共振；之后其軌道繼續(xù)向外推移，同時(shí)將部分的旋轉(zhuǎn)力矩轉(zhuǎn)移給木衛(wèi)二，從而也引起了后者的軌道向外推移；這個(gè)過(guò)程持續(xù)進(jìn)行直到木衛(wèi)二到達(dá)某一點(diǎn)與木衛(wèi)三形成2:1的軌道共振。最終三者之間的兩對(duì)上合現(xiàn)象的位置移動(dòng)速率保持一致形成拉普拉斯共振，

探測(cè)歷史第一批是先驅(qū)者10號(hào)和先驅(qū)者11號(hào)，兩者傳回的關(guān)于木衛(wèi)三的信息較少。之后旅行者1號(hào)和旅行者2號(hào)于1979年飛掠過(guò)木衛(wèi)三。它們精確測(cè)定了它的大小，最終證明它的體積要大于土衛(wèi)六，后者曾被認(rèn)為大于前者。此外，這兩艘飛船還發(fā)現(xiàn)了木衛(wèi)三上的槽溝地形。

1995年，伽利略號(hào)進(jìn)入環(huán)木星軌道。在1996年至2000年間，它共6次近距離飛掠過(guò)木衛(wèi)三。這6次飛掠被命名為G1，G2，G7，G8，G28，G29。在最接近的一次飛掠——G2——中，伽利略號(hào)距離木衛(wèi)三表面僅264千米。在1996年的G1飛掠中，它發(fā)現(xiàn)了木衛(wèi)三的磁場(chǎng)。后來(lái)又發(fā)現(xiàn)了木衛(wèi)三的地下海洋，并于2001年對(duì)外公布。伽利略號(hào)傳回了大量的光譜圖像，并在木衛(wèi)三表面發(fā)現(xiàn)了數(shù)種非冰化合物。前往近距離探測(cè)木衛(wèi)三的探測(cè)器是新視野號(hào)，它于2007年在前往冥王星的途中飛掠過(guò)了木衛(wèi)三，并在加速過(guò)程中拍攝了木衛(wèi)三的地形圖和構(gòu)成圖。

2009年2月，美國(guó)航空航天局和歐洲空間局確認(rèn)該計(jì)劃將優(yōu)先于“土衛(wèi)六-土星計(jì)劃”得以實(shí)施。木衛(wèi)二-木星計(jì)劃”包括美國(guó)航空航天局主持的“木星-木衛(wèi)二軌道飛行器”和歐洲空間局主持的“木星-木衛(wèi)三軌道飛行器”，可能還包括日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)主持的“木星磁場(chǎng)探測(cè)器”。 已被取消的環(huán)木衛(wèi)三軌道探測(cè)計(jì)劃是木星冰月軌道器。原計(jì)劃使用核裂變反應(yīng)堆作為其動(dòng)力來(lái)源，這將使其能夠?qū)δ拘l(wèi)三進(jìn)行詳細(xì)勘查。但是由于預(yù)算裁剪，該計(jì)劃于2005年被取消。另外還有一個(gè)被取消的計(jì)劃被稱(chēng)為“宏偉的木衛(wèi)三”（The Grandeur of Ganymede）。

冰下海洋2015年03月12日，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)宣布，美國(guó)宇航局哈勃太空望遠(yuǎn)鏡近日觀測(cè)到木衛(wèi)三磁場(chǎng)產(chǎn)生的極光現(xiàn)象，并測(cè)量出木衛(wèi)三冰層下方存在具有一定鹽度的咸水海洋。

根據(jù)測(cè)算，這片地下海洋深度約為10萬(wàn)米，相當(dāng)于地球上最深海洋的10倍多。它存在于150千米厚、主要由冰層組成的地表下。234

對(duì)木星影響木星最大的衛(wèi)星----木衛(wèi)三也是它擁有的唯一一顆有強(qiáng)磁場(chǎng)的衛(wèi)星。科學(xué)家利用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡獲得的數(shù)千張圖片，發(fā)現(xiàn)在木星極區(qū)看到的非常壯觀的極光，是在木衛(wèi)三的磁氣圈產(chǎn)生的引力影響下形成的，

木衛(wèi)三和非?；钴S的木衛(wèi)一在圍繞木星運(yùn)行時(shí)，會(huì)與這顆行星的等離子體相互作用，在木星極區(qū)產(chǎn)生明亮的斑點(diǎn)這些亮斑被稱(chēng)作“極光足印(auroral footprints)”。然而，直到現(xiàn)在也沒(méi)有人知道木衛(wèi)三的足跡到底有多大以及為什么木衛(wèi)三會(huì)導(dǎo)致木星極區(qū)產(chǎn)生美麗壯觀的極光。

研究人員通過(guò)分析哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的圖片，測(cè)量出木衛(wèi)三腳印的確切大小他們認(rèn)為這些斑點(diǎn)的面積太大根本不是衛(wèi)星在這顆行星上的投影，而且它的直徑跟木衛(wèi)三的保護(hù)性磁場(chǎng)的直徑非常相符?？茖W(xué)家還測(cè)量了木衛(wèi)一極光足印的大小及形狀這是由木衛(wèi)一上活躍的火山噴發(fā)出來(lái)的帶電粒子造成的

比利時(shí)列日大學(xué)(University of Liege)的天體物理學(xué)家丹尼斯·格倫頓特(Denis Grodent)說(shuō)：“這些極光結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)都在告訴我們一個(gè)正在進(jìn)行中的故事——在遙遠(yuǎn)的木星上正進(jìn)行著大規(guī)模能量傳輸。通過(guò)分析這些極光的確切位置，以及木衛(wèi)一和木衛(wèi)三圍繞木星運(yùn)行時(shí)，它們的形狀及亮度發(fā)生的改變，我們已經(jīng)制作出迄今為止最為詳細(xì)的模擬圖模仿木星與這些衛(wèi)星之間的電磁作用?！备駛愵D特在德國(guó)舉行的歐洲行星科學(xué)大會(huì)上詳細(xì)介紹了這項(xiàng)研究結(jié)果，

格倫頓特和他的科研組除了把木衛(wèi)三的極光足印與它的磁場(chǎng)結(jié)合在一起外還意外在這顆衛(wèi)星極光的亮度方面發(fā)現(xiàn)周期性變化，這些變化發(fā)生在三個(gè)不同時(shí)刻。研究人員認(rèn)為，每次變化都反映了木星的等離子體與木衛(wèi)三的磁場(chǎng)之間發(fā)生了相互作用，但是至今他們也不清楚是什么引起這種相互作用的，5

完整地圖研究負(fù)責(zé)人、約翰-霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的韋斯-帕特森表示：“通過(guò)繪制木衛(wèi)三表面圖，我們可更準(zhǔn)確地解答這顆真正獨(dú)一無(wú)二衛(wèi)星的形成和演變等科學(xué)問(wèn)題?！?/p>

這張地圖由美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局公布，從技術(shù)上闡述了木衛(wèi)三表面各種各樣的地質(zhì)特征，是第一張完整的冰冷的外行星衛(wèi)星地圖。帕特森、柯林斯和同事們用美國(guó)宇航局旅行者和伽利略太空探測(cè)器捕捉到的圖像制作出這張地圖。

從1610年1月木衛(wèi)三被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，它就成為反復(fù)觀測(cè)的焦點(diǎn)?？茖W(xué)家用地球望遠(yuǎn)鏡第一次觀測(cè)木衛(wèi)三，然后用飛近探測(cè)和環(huán)繞木星飛行的航天器進(jìn)行觀測(cè)。這些研究發(fā)現(xiàn)了一個(gè)復(fù)雜的冰冷世界。它的表面以?xún)蓚€(gè)主要地形類(lèi)型間的鮮明對(duì)比為特征。這兩種地形是又黑又冷的多隕石坑地區(qū)和更亮更年輕(但依然十分古老)的地區(qū)，后者以大量溝槽和山脊為特征。

木衛(wèi)三直徑3280英里(約合5262公里)，比行星水星和矮行星冥王星都大。它還是已知太陽(yáng)系中唯一一顆擁有自己磁層的衛(wèi)星。這張地圖詳細(xì)闡述了木衛(wèi)三形成和在太陽(yáng)系大部分歷史中演變的地質(zhì)特征。這些地質(zhì)特征記錄下木衛(wèi)三內(nèi)部演變、木衛(wèi)三動(dòng)力學(xué)和其他伽利略衛(wèi)星間相互作用以及撞擊木衛(wèi)三表面小天體演變的證據(jù)。

這張新地圖是研究人員比較其他冰冷衛(wèi)星地質(zhì)特征的重要工具，因?yàn)樵谄渌湫l(wèi)星上發(fā)現(xiàn)的任何特征類(lèi)型都和木衛(wèi)三某個(gè)地方的特征相似。木衛(wèi)三表面是地球所有陸地面積的一半以上。這顆衛(wèi)星為科學(xué)家提供各種各樣的觀測(cè)地點(diǎn)。柯林斯說(shuō)：“木衛(wèi)三表現(xiàn)出古老和最近形成的地質(zhì)特征。除了地質(zhì)多樣性，它還增加了歷史多樣性?！?

發(fā)現(xiàn)意義伽利略發(fā)現(xiàn)其他行星也有衛(wèi)星，證實(shí)了地球不是宇宙中唯一有衛(wèi)星的行星，還證明了尼古拉·哥白尼的“日心說(shuō)”是正確的。

使用簡(jiǎn)單的望遠(yuǎn)鏡，依靠單獨(dú)研究，伽利略讓人們很好地認(rèn)識(shí)了太陽(yáng)系、星系和浩瀚的宇宙。他制作的望遠(yuǎn)鏡使人們觀察到以前難以觀察到的太空景象，加深了人們對(duì)宇宙的理解。