木星的四顆最大衛星可能共同作用以維持其地下海洋。長期以來，人們認為這些海洋是由於木星的引力牽引導致地殼彎曲產生的熱量而形成的，但它們的存在也可能歸功於衛星之間引力相互作用產生的巨大地下潮汐波。測量這些潮汐可以為了解這些月球深淵的深度提供見解——這些環境可能為在我們的太陽系中尋找外星生命提供最佳機會。
對木星伽利略衛星——歐羅巴、卡利斯托、蓋尼米德和木衛一——的觀測長期以來暗示了地下液態層的存在。據認為，其中三顆衛星擁有富含水的地幔，而木衛一可能反而擁有驅動其極端火山活動的岩漿海洋。隨著衛星繞行星運轉，行星對其內部的引力牽引以及放射性元素緩慢衰變產生的熱量，使液態物質保持液態，沒有凝固。
較少人關注衛星之間如何相互拉扯。宇宙中的所有物體都會產生與其質量成正比的引力牽引，並且引力會隨著距離而減弱。例如，木星對地球有引力，但由於距離太遠，這種影響可以忽略不計。由於伽利略衛星體積很小，它們之間相互的引力長期以來也被認為無關緊要。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠繼續看到關於發現和塑造我們當今世界的想法的具有影響力的報道。
當時還是亞利桑那大學研究生的哈米什·海伊在從事一個涉及系外行星潮汐引力的副專案時，他開始更多地思考海洋層如何改變這種等式。海伊現在是 NASA 噴氣推進實驗室的研究員，他決定研究富含海洋的伽利略衛星的潮汐。
令他驚訝的是，他發現當天然衛星的軌道恰好對齊時，它們相對較小的引力可能會被其海洋的行為放大。在這些被稱為共振的特殊條件下，潮汐效應可能會顯著增大，甚至超過質量更大的木星產生的潮汐效應。
“這非常有趣，因為這種效應可能很強，”比利時皇家天文臺研究地下海洋的米凱爾·博伊特說。博伊特審閱了海伊的研究，但沒有直接參與這項工作。
黑暗深海
當 NASA 的旅行者 1 號探測器於 1979 年抵達木星時，它發現了從木衛一升起的火山羽流，暗示那裡存在一個埋藏的岩漿海洋。來自旅行者 1 號和其他任務的進一步觀測顯示，歐羅巴表面有明顯的裂縫，揭示這顆冰衛星的地殼比之前認識到的更活躍和更具流動性，這可能是因為地下海洋。近年來，在許多其他星球上都發現了這種海洋，甚至微小的寒冷星球冥王星也可能擁有一個。海洋世界似乎很普遍，許多科學家懷疑蓋尼米德和卡利斯托擁有自己的深層含水內層。
木星衛星的海洋與地球上的海洋不同。地球海洋的平均深度約為 3.7 公里，最深處在馬裡亞納海溝達到 11 公里，而伽利略衛星的海洋據認為可達數百公里。這種排列方式使它們在潮汐變化方面具有優勢。“厚厚的[或深的]海洋……可以非常快速地響應潮汐效應，”海伊說。
波浪的速度由其海洋的深度控制，因為較厚的液體儲層比薄的液體儲層變化得更快。這似乎有悖常理，但淺海必須推動來自更廣闊區域的水才能形成與深海世界較小區域產生的波浪一樣高的波浪。
共振就像在鞦韆上玩耍的孩子。在鞦韆弧線的恰當時刻（或者實際上，在衛星軌道的適當點）的推動可以給鞦韆帶來比在其他時間推動更大的助力。在伽利略鄰居的引力引發的共振的刺激下，每顆衛星的液態層都比原本的情況更劇烈、更快速地晃動。由此產生的潮汐波在其衛星地下洶湧澎湃，永遠不會撞擊大陸，而是持續形成橫跨該天然衛星一半周長的永久波前。
木星引起的共振在只有幾百米深的海域中最有效——這對於伽利略海洋來說是一個不切實際的假設。然而，衛星在軌道上旋轉時會引發更深海洋的共振，使由此產生的波浪比行星本身引起的波浪更有可能 surge 得更高。
根據海伊的說法，這種衛星內部潮汐引力應在每個伽利略衛星的赤道附近表現得最強，從而可能使水或岩漿更容易在那裡湧出。因此，赤道地區更強的地質活動可能是衛星間潮汐強烈的可能訊號。觀測已經初步支援了這種情況，儘管對於赤道上湧的明顯增強還有許多其他可能的解釋。木衛一的大部分火山活動似乎都發生在赤道附近而不是兩極，儘管海伊警告說，這種現象可能是觀測偏差造成的：赤道區域的成像頻率高於兩極區域。NASA 的朱諾號任務正在改變這種不平衡，應該會提供更多關於木衛一兩極區域的見解。預計這些資訊將有助於確定木衛一火山的真實頻率和分佈。歐羅巴的赤道附近也似乎有特別混亂的“混沌地形”，這可能是潮汐將物質擠壓到地表造成的。
探測深度
然而，最終對任何伽利略潮汐強度的測量應該是直接的。在海浪之上，衛星的地殼也會上升和下降幾米——非常像暴風雨海面上船隻的甲板。這種運動可能使諸如歐洲航天局的木星冰衛星探測器 (JUICE) 等航天器能夠測量共振潮汐引起的湧動。
在木星系統進行為期多年的任務即將結束時（計劃於 2029 年末開始），JUICE 將繞蓋尼米德執行，以期確定該衛星是否擁有液態海洋。任務科學家已經計劃使用航天器的兩種儀器：3GM 和 GALA 來測量蓋尼米德的潮汐振幅。“如果存在由於共振引起的動力潮汐，那麼衛星間潮汐引起的訊號將更容易被探測到，”3GM 的首席研究員盧西亞諾·伊埃斯說，他沒有參與海伊的研究。GALA 的首席研究員豪克·胡斯曼也沒有參與這篇論文，他說他的儀器應該能夠發現衛星引起的潮汐變化。
NASA 的歐羅巴快帆號航天器是另一項旨在研究木星冰衛星的任務，可能無法與 JUICE 的測量結果相媲美。據快帆號團隊成員、斯坦福大學地球物理學家格雷戈爾·施泰因布呂格稱，該航天器的冰穿透雷達將能夠測量木星引起的較大潮汐變形，但將難以看到衛星間潮汐的更微妙、更短暫的影響。
如果任何一項任務能夠正確測量伽利略衛星地殼的上升和下降，這些資料可能有助於確定該衛星海洋的深度。由於共振會根據海洋的厚度而變化，因此波浪的頻率可以提供粗略的估計。海伊說，例如，一個地殼在歐羅巴日內 crest 20 次的海洋會比 crest 21 次的海洋更薄。
透過探究伽利略衛星研究中經常被忽視的一個量，海伊的研究為觀察它們提供了一種新方法。“我們必須考慮到這一點併為此做些什麼，”博伊特說。“這可能是理解這些衛星的一個重要因素，”他說。