作為一顆新生的行星，從木星最大衛星的角度來看，年輕的木星在天空中發出耀眼的光芒，甚至超過了今天的太陽。這種早期的光輝——以及即將到來的多次太空探測器訪問——可能有助於解開一個關於這些衛星成分的40年謎團。
幾十年來，科學家們一直努力理解木星四顆伽利略衛星奇怪的密度差異——這些衛星從離行星最近到最遠依次是木衛一、木衛二、木衛三和木衛四。儘管這些天然衛星應該由相同的物質原料形成，因此具有相似的成分，但密度測量表明，木衛四和木衛三比木衛二更冰冷，而木衛一則完全沒有冰。亞利桑那州立大學的行星科學家卡弗·比爾森上個月在一次會議上透露的最新研究可能為這個問題提供一些線索。
巨行星透過聚集和壓縮大量的氣體和塵埃而形成。這個過程釋放出大量的多餘能量，並賦予新生巨行星字面意義上的年輕光芒，這種光芒可以持續數百萬年。這不僅僅是一個理論：天文學家經常利用這種光芒來成像年輕的巨型系外行星，否則這些行星將會在附近恆星的眩光中消失。但是，這種光芒如何影響伴隨衛星的，這個不太引人注目的問題仍然很少被研究。在木星的例子中，比爾森及其同事的計算機模型表明，木星早期的光輝會照亮其新生的衛星，並在數百萬年內煮沸它們的大部分水。
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“這給人們提供了一個全新的思考過程，”加州大學聖克魯茲分校研究冰衛星的弗朗西斯·尼莫說，他沒有參與這項研究。
四顆衛星，一個起源
自首次獲得衛星的高質量密度測量結果以來，四顆伽利略衛星的不同成分已經困擾了研究人員數十年。木衛一被困在木星的輻射帶內，並受到木星強大潮汐力的內部加熱，潮汐力像揉麵團一樣揉捏衛星的內臟，木衛一是一個完全沒有冰、火山活動異常活躍的世界。稍微遠一點的木衛二也處於木星輻射和潮汐的控制之下。但是，適度程度的內部加熱賦予了這顆衛星一個地下海洋和一個冰殼，而不是噴射熔岩的火山口。木衛三和木衛四都相對惰性、富含冰，並且比木衛一和木衛二離木星更遠。
儘管木星引力控制的變化顯然解釋了衛星之間的一些差異，但行星科學家仍然努力理解這些天體如何共享共同的起源，卻又彼此之間如此截然不同。類似於行星如何從圍繞新生原恆星旋轉的原行星氣體和塵埃盤中出現，大型衛星可能從小型的迷你盤中形成，這些迷你盤在新生的氣體巨行星世界周圍產生。目前的想法要求木星在太陽系生命最初的1000萬年內，在來自逐漸變亮的太陽的光和恆星風吹走原行星盤中的所有氣體之前，非常迅速地獲得其大部分體積。
相對緊迫的時間線意味著木星必須貪婪地、快速地吸收氣體才能達到目前的體積，這將導致它升溫併發光，溫度估計高達華氏1160度（攝氏627度）。對於可能與木星本身同時形成的伽利略衛星來說，這顆行星會在天空中像恆星一樣閃耀，並壓倒來自更遙遠太陽的光。透過仔細模擬木星增強的光度對伽利略衛星的影響，比爾森及其同事發現，這種光線的湧入可以巧妙地解決衛星當前成分差異之謎。
一張合成影像，顯示了木星的四顆最大衛星，按距離氣體巨行星由近及遠排列。從左到右：木衛一最近，其次是木衛二，然後是木衛三，最後是木衛四。圖片來源：Universal History Archive/Universal Images Group via Getty Images
溫暖的新鮮出爐的衛星
木衛一今天被木星的引力撕裂，是一個火山爆發的煉獄景觀，也是太陽系中最活躍的天體。但是，該團隊發現，木星年輕的光芒最初可能使木衛一具有類似地球的溫度——甚至可能存在海洋。“我認為，在木衛一形成時或剛形成後，地表很可能存在一些水，”比爾森說。
這種情況會很快改變，因為根據比爾森的說法，木衛一從木星接收到的能量大約是今天從太陽接收到的能量的30倍。如果木衛一最初的水量與它的兄弟衛星木衛三目前包含的水量一樣多，那麼所有的水分都會很快被剝離，任何海洋的痕跡都會在衛星存在的最初一百萬年內沸騰消失。
木衛二比木衛一更遠，它的表面條件會稍微涼爽一些——儘管可能仍然足夠熱，以至於這顆衛星失去了很大一部分水。在更遠的木衛三，木星看起來幾乎與今天的太陽一樣明亮——這種水平的日照對衛星的冰沒有顯著影響。對於被限制在木星系統外圍的木衛四來說，木星閃耀的青春期不會產生任何影響。（所有這些都假設衛星處於目前的軌道位置。然而，它們可能在遷移到目前的位置之前形成得更近，這意味著這項研究的結果可能只是對每顆衛星被木星烘烤程度的下限估計。）
“這個假設的好處是，你可以應用一些測試，”尼莫說。
一次 JUICE-y 的提議
如果木衛二在其生命週期中失去了大部分冰，而不是形成時冰量就比其兄弟衛星少，那麼留下的氫和氧的同位素指紋將與木衛三和木衛四上的冰的同位素指紋不同。因此，將木衛二與一顆或兩顆最外層的衛星進行同位素比較，最終可以揭示這些衛星如何從共同起源中分離出來的真相。“你對衛星化學成分進行的比較越多[衛星化學成分之間]，你就越能理解事物在最早時期是如何演變的，”比爾森說。
考慮到歐洲航天局的最近發射的木星冰衛星探測器（JUICE）任務，這是一個相當 JUICE-y 的提議。在 2031 年至 2034 年之間，JUICE 將對木衛二、木衛四和木衛三進行 35 次飛越，然後進入繞木衛三的軌道執行。這次延長的巡視可能會在很大程度上確定所有伽利略衛星是否都誕生時都具有相同的冰量。尼莫說，JUICE 攜帶的質譜儀可以對可能從衛星（尤其是木衛三）散發到太空中的氫氣和水蒸氣進行重要測量。
“問題是木衛三是否向 JUICE 可以取樣的海拔高度提供足夠的物質，”尼莫說。他仍然樂觀地認為會這樣。
即使 JUICE 的研究無法破解這個案例，它也不會是唯一一個在木星系統周圍徘徊的衛星探測航天器。NASA 的朱諾號任務已經在繞氣體巨行星執行，而美國宇航局的歐羅巴快帆任務計劃於明年發射，前往該任務同名衛星。快帆號的資料應該為 JUICE 對木衛二冰層的看法提供強有力的比較，這將足以推斷並區分歐洲航天器在木衛三以及可能的木衛四上看到的情況。
“衛星之間的比較將極其重要，”比爾森說。“令人興奮的是，我們將同時擁有 JUICE 和歐羅巴快帆號在那裡，而且可能會略有重疊。”