太陽系的衛星 太陽系最像“地獄”的星球——木衛一（Io），擁有上百座活火山的狂暴衛星｜《太陽系衛星》第一集

大家好,我是斯文 這是我們太陽系衛星系列的第一期 這期視頻的主角是木星的一個衛星 目前,木星已知的天然衛星有97顆 其中最大的4顆衛星被叫做伽利略衛星 是伽利略在1610年發現的 分別是木維1愛奧,木維2歐羅巴 木維3蓋尼米德和木維4卡利斯托 這4顆衛星是人類發現的第一批不繞地球轉的天梯 這在當時也成了推翻地形數的關鍵證據 而我們今天要說的就是太陽系火山最活躍的星球 木維1愛奧 木維1的直徑大約是3642公里 是太陽系第四大的衛星 比月球略大一點 它的密度是太陽系所有衛星裏最高的 引力也是最強的 因爲它幾乎沒有冰 這也是它很獨特的一個地方 大多數外星型的衛星都有很多的冰 但木維1幾乎全是金屬和岩石 所以它的含水量自然也是太陽系最低的 我們第一次近距離的看到這顆星球是在1973年的12月 當時先鋒史號首次飛越了木星和它的衛星 拍到了包括木維1在內的很多木星衛星的照片 但是由於當時的拍攝時節 光線角度這些條件都不理想 所以拍到的木維1圖像質量很不好 完全看不出木維1有什麼特別的地貌 更別說發現火山了 人類真正看清木維1是在1979年的3月 旅行者一號傳回了第一張清晰的木維1近景照片 在分析這張圖片的時候 旅行者號的工程師質疑林達·莫拉比託發現 木維1的邊緣有一個模糊的雨流狀物體 他最開始還以爲是影子或者是圖像有問題 但是進一步分析確認之後 他在木維1的表面發現了9條這樣的雨流 這些雨流不是影子也不是圖像有問題 而是一個一個高達數百公里的岩漿柱 就這樣人類第一次在地球之外發現了活火山 6個月之後 1979年的9月旅行者二號從距離木維1 113萬公里的位置上飛過 雖然旅行者二號沒有旅行者一號那麼接近木維1 但是從兩個航天器拍攝的圖像對比結果來看 這6個月的時間裏 木維1上的這些火山也發生了一些變化 在3月份觀測到的9個雨流中 有8個在9月都還是活躍的 只有佩雷火山在這期間關閉了 木維1上有400多座活火山 佩雷火山是其中最有代表性的一座 它在木維1背向木形的一面 大家看這樣圖片 這道紅圈圍着的就是佩雷火山 這裏就是它的火山口 佩雷火山爆發的時候 岩漿柱的高度可以達到300公里 圖片右上角這一大片像雨一樣的東西 就是佩雷火山噴發形成的雨流 也就是當初琳達發現的雨流 但是更讓人印象深刻的是它周圍的這道紅圈 這是火山噴發的時候帶出來的硫磺 在空中冷卻沉降之後留下的 這道紅圈的直徑有上千公里 是整個木維1上最顯眼的一個地方 木維1上的火山跟地球上的火山是有很大區別的 首先是噴發高度和噴發物的形狀 大家看這樣圖片 這是佩雷火山和地球上1883年 喀拉喀托火山爆發時候的對比圖 因爲木維1幾乎沒有大氣阻力 所以火山的噴發物不會立刻落下 而是會像煙花一樣在真空中展開 而且這些噴發物會直接進入到太空 有些火山噴發的高度甚至可以達到300到500公里 而地球火山的噴發高度一般最多幾十公里 其次是岩漿的溫度 地球上的岩漿主要是硅酸巖的溶潤物 溫度一般在700到1410度之間 冷卻後會變成玄武岩等岩石 而木維1的岩漿雖然主要成分也是硅酸巖 但是鎂合鐵的含量要比地球岩漿高很多 而且溫度一般都在1440度往上 有些火山比如洛基火山和佩雷火山 測得的岩漿溫度甚至高達1740度 這是目前發現的太陽系最熱的岩漿 跟地球早期剛形成時的原始岩漿很像 這些岩漿冷卻之後還會揮發出各種含硫的物質 形成現在大家看到的這種五顏六色的表面 導致經常有人說木維1好像一個爛橘子 但問題來了 木維1既沒有地球那樣的板塊運動 也沒有足夠的太陽光給它提供能量 它爲什麼會有這麼強烈的地質活動呢 其實它的能量爆發來自於一個非常特別的機制 叫潮汐加熱 木維1是木星97顆衛星鏈離木星最近的 所以它會受到木星強大引力的拉扯 同時它又跟木維2和木維3處於一種叫 拉普拉斯共振的軌道關係 這是一種三個或者三個以上天體之間的軌道共振關係 它們三個之間的軌道共振比例是4比2比1 就說每當木維3讓木星轉一圈 木維2就會轉兩圈 而木維1就會轉四圈 這個共振會讓木維1的軌道 保持一個很微妙的橢圓形軌道 而不是一個完美的正圓 所以在木維1讓木星公轉的過程中 它離木星一會兒近一會兒遠 再加上木星引力對它的拉扯 就導致木維1的內部不斷的被擠壓拉伸 再擠壓再拉伸 最終這種潮汐作用產生的摩擦熱 讓木維1的內部不斷升溫 就形成了劇烈的火山活動 這就是所謂的潮汐摩擦加熱 就好像我們不停的去彎曲一塊鐵片 它會慢慢變熱一樣 更誇張的是木維1經歷的潮汐烈 大約是地球上月球引力的2萬倍 這種拉扯效應會讓木維1的表面 在每次公轉的過程中上下隆起最多可達100米 它就像一個被反覆揉搓變形的皮球 內部自然熱的發燙 這就是爲什麼它會成爲 全太陽系火山活動最劇烈的天體 在旅行者一號去到木維1之前 科學家以爲 木維1的表面應該是跟月球 火星水星一樣 到處都是密密麻麻的隕石坑 因爲這些隕石坑的分佈密度 一般可以用來判斷一顆天體的地質年齡 隕石坑越多 說明這個天體就越古老 越死氣沉沉 但當第一批圖像傳回地球的時候 科學家都驚呆了 木維1表面幾乎沒有明顯的隕石坑 而是一片光滑的平原 平原上有各式各樣的火山口和岩漿流 這並不是說木維1從來沒被隕石撞擊過 火山噴出的物質 可能把原本存在的隕石坑全都覆蓋掉了 在平原之上還有很多高山 據統計 木維1有100到150座大型山體 平均高度在6000米左右 其中最高的一座山叫伯瓦索利山 它高約17.5千米 是地球上珠穆朗瑪峯的兩倍高 這些山的形成和地球上的板塊擠壓有些類似 是從木維1的地竅中被硬生生頂起來的 更有意思的是 木維1上山多的地方火山反而少 火山多的地方山又不明顯 這說明木維1的地竅是分區域的 有的區域是以壓縮爲主 就更容易形成山 而有些區域是以拉伸爲主 就更容易形成火山口 不過木維1上的這些山雖然很高大很壯觀 但幾乎沒有一座是完好無損的 它們全都處於不同程度的退化狀態 很多山體的山腳下堆滿了滑坡和崩塌下來的碎石塊 說明這些山經常經歷大規模的山體滑坡 在地球上 類似的地質現象一般是出現在地震帶 或者地殼結構比較脆弱的地區 但是在木維1上這種滑坡似乎是常態 科學家還發現很多高原或者山地的邊緣 都呈現出一種扇背狀的邊緣 就像是被一點一點啃出來的一樣 這可能是因爲木維1的地殼含有大量的二氧化硫 而二氧化硫在真空的環境下很容易昇華 導致山體邊緣鬆動 就會出現崩塌和滑坡的現象 最終形成這種不規則的鋸齒狀邊緣 木維1的火山這麼活躍 那它有大氣層嗎 有 但是非常非常稀薄 它的大氣壓非常低 只有地球的十億分之一左右 主要成分是二氧化硫 還摻雜着一些一氧化硫 氯化鈉 以及原子胎的硫和氧 這些氣體大部分都來自火山噴發和地表昇華 木維1的大氣還會隨着時間 地點 陽光和火山活動不斷變化 比方說白天赤道附近 和麪對木星的一面氣溫就會比較高 地表雙層中的二氧化硫昇華之後 大氣就會變濃 而到了晚上氣溫降低 氣體會重新凝結 大氣也就會消失 木維1晚上的大氣壓非常非常低 幾乎就是真空 由於氣壓太低 而且木維1的這層大氣 對地表幾乎沒有任何保護作用 也無法形成風和天氣 它唯一的功能就是在白天 把二氧化硫從雙多的地方搬到雙少的地方 木維1的大氣不僅稀薄 而且很不穩定 幾乎隨時都在逃逸 因爲木星的磁場非常強 會不斷的掃過木維1 就像是吸塵器一樣 把木維1大氣裏的氣體吸走 據估算 大約每秒就會有一噸的物質 被木星的磁場帶走 所以木維1必須不斷的補充氣體 否則它的大氣層很快就會一點不剩了 最主要的補給方式我們剛剛說了 有兩個 一是火山分閥 尤其是像佩雷火山那種大型的火山口 它們平均每秒能噴出上萬噸的二氧化硫 雖然大部分最終還是會凝結回到地表 但是也有一部分能暫時維持大氣密度 另一個就是地表雙層的昇華 當太陽光照射到木維1的地表 動輒的二氧化硫就會升華 變成氣體 來維持白天的大氣濃度 更神奇的是 當木維1進入到木星陰影的時候 就是我們說的日蝕 它的大氣會發生一種肉眼可見的變化 由於木維1的表面溫度 在沒有陽光照射的時候會迅速下降 原本昇華成氣體的二氧化硫 會立刻重新凝結爲霜 落入地表 科學家在地面望遠鏡中發現 每當木維1從木星陰影裏走出來的那一刻 它的表面會突然變得比平常更亮 就像是被一層霜覆蓋了一樣 這個現象被叫做日蝕後增亮現象 大約15分鐘後 陽光再次照射到木維1表面 這些霜又開始昇華 亮度就會逐漸恢復正常了 雖然木維1的大氣非常稀薄 甚至在晚上還會幾乎消失 但它也並不是一點存在感沒有 相反正是這層稀薄的大氣 在木星磁場的作用下產生了極光 科學家在木維1進入木星陰影的時候 觀察到了極光現象 不過不是在兩極而是在赤道 木維1也沒有磁場 所以來自木星磁場的高能電子 就可以很輕鬆的穿過它的大氣層 尤其是赤道附近 這兒的帶電粒子 穿透的大氣層路徑是最長的 碰撞最多 極光也最亮 原理上它和地球極光很像 都是高能粒子撞擊大氣產生極光 但不同的是 地球的高能粒子主要來自太陽風 而撞擊木維1的高能粒子 是木星強大的磁場 在1979年 旅行着1號和2號飛越木維1之後 人類才知道 這顆星球遠比我們想象的要活躍很多 爲了進一步研究木星系統 NASA在1989年發射了伽利略號探測器 經過了6年的太空飛行 在1995年它才正式抵達木星 不過木維1也並不好靠近 它正好處在木星最強烈的輻射帶裏 任何探測器只要靠得太近 都可能會受到很嚴重的干擾 所以在剛到木星之處 伽利略號只是快速的飛越了一下 甚至都沒來得及拍照片 但是這次飛越還是有了一個很重要的發現 就是木維1有一個大型的金屬鐵盒 結構和地球火星這種類地行星很像 雖然之後因爲天線故障 伽利略號的數據傳輸受到了影響 但是它在每次繞木星軌道運行中 持續遠距離的拍攝木維1 幾乎每次都能看到新的火山活動 而且它還記錄到了一次特大火山爆發 噴發的地點叫毗蘭火山口 也正是在這次的噴發物中 伽利略號發現木維1的岩漿 是高溫的硅酸鹽岩漿 而不是想象中的硫 而且岩漿中還含有大量的鎂合鐵 原定的兩年任務完成之後 伽利略號的任務被兩次延長 在1999年到2002年時間 它一共對木維1進行了六次近距離飛躍 這一次終於拍下了大量高清圖像 還記錄到了多種不同類型的山脈結構 還有雨流的生騰 地表滑坡 岩漿的冷卻和沉積 甚至精確到了哪些火山是正在噴發中的 從它傳回來的數據裏 科學家第一次真正的對木維1 有了一個完整的認識 木維1是一顆像地球一樣 有持續的地質活動 表面不斷演化的活躍星球 2000年的12月 卡西尼號探測器在飛往土星的途中 在木星系統短暫的停留了一下 並且跟伽利略號進行了一次聯動觀測 在木維1的特瓦什塔火山群 發現了一道全新的火山雨流 再次證明木維1上的火山活動並非偶然爆發 而是隨時都在進行的 2007年2月28號 正在飛往冥王星的新石野號 經過了木星系統 在這次飛躍的過程中 它把相機對準了木維1 又給我們帶來了一些很震撼的圖像 其中最讓人關注的是 它捕捉到了特瓦什塔火山 噴出的超大型雨流 這是自1979年旅行者1號 記錄下佩雷火山爆發以來 人類再一次清晰的觀測到 木維1上最大級別的火山活動 目前還在運行的 能持續給我們更新木維1信息的探測器 只剩下朱諾號了 它在2011年發射 2016年正式進入木星軌道 它的主要任務目標並不是木星的衛星 而是研究木星的內部結構 磁場還有激光 它最接近木維1的一次 是在2020年的2月 當時它距離木維119.5萬公里 屬於遠觀但不接觸的階段 直到2021年 隨着朱諾號軌道方向的慢慢轉變 它終於開始靠近木星的四大衛星了 在2023年12月30號和2024年2月3號 朱諾號分別完成了兩次 只有1500公里高度的超近距離飛躍 這也是自2007年新世界號之後 人類再次如此近距離的接觸木維1 在去年12月27號的近距離飛躍過程中 朱諾號用近紅外成像椅拍攝了這張圖像 這是木維1南極區域的近紅外圖像 圖片中最亮的這個地方 也就是南極偏右的這個位置 是一個巨大的熱原 NASA官方給出的估算是 這個熱原的面積比地球上的蘇比利爾湖還要大 這個湖是地球上面積最大的淡水湖 這很有可能是一個正在劇烈噴發的火山 或者很多個火山口匯聚成的超級熱原 除了朱諾號 目前還有兩個木星探測項目已經在執行中了 第一個項目是由歐洲航天局主導的 木星冰衛星探測器Juice號 它已經在2023年4月成功發射了 預計也會在2031年7月到達木星系統 並且最終會進入木維3蓋尼米德的軌道 第二個項目是NASA的歐羅巴快船號 它的主要目標是木維2歐羅巴 尋找木維2上是否真的有地下海洋 這個探測器是去年10月份發射的 預計也會在2030年到達木星系統 這兩個探測器的主要目標雖然都不是木維1 但在飛躍的過程中也會順便觀察一下木維1的情況 其實NASA曾經提出過一個專門探測木維1的項目 叫木維1火山觀測者號 當時它是跟金星的兩個項目一起提出來的 但是很遺憾 最後NASA選擇了金星的兩個項目 木維1的這個項目就被放棄了 好吧,這期視頻就先到這了 下期視頻我們將去往木維2歐羅巴 這是一個跟木維1性格完全相反的星球 在那裏也許有人類一直在找的外星生命 感謝觀看,我們下個視頻見