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太阳系最大的行星是木星。围绕其运行的四颗大型卫星——“伽利略卫星”,以各自具有不同特征而为人熟知。其中,最内侧公转的“木卫一(Io)”与紧邻其外侧公转的“木卫二(Europa)”的反差形态,是行星科学领域长期存在的谜团。木卫一是太阳系中火山活动最活跃的天体,地表极度干燥。而木卫二则被冰层地壳覆盖,其下被认为存在广阔的液态海洋(内部海洋)。
尽管是相邻卫星,为何二者的水存在状态差异如此之大?艾克斯-马赛大学与西南研究所(SwRI)的研究团队发表了支持“差异在诞生时就已确定”这一假说的研究成果,相关论文已刊载于《天体物理学杂志》(The Astrophysical Journal)。为解释木卫一与木卫二的成分差异,研究团队聚焦于科学界此前主要讨论的两种假说并开展验证。两种假说均以“卫星形成于木星诞生后周围存在的气尘圆盘(周行星圆盘)中”为前提。
其一为“先天差异说”,认为差异源于形成位置的环境。该假说认为圆盘内的温度差是决定性因素:木星附近温度过高,无法存在冰,因此该区域形成的木卫一仅由岩石构成;而稍远处温度降低,形成的木卫二得以包含冰。其二为“后天差异说”,认为二者最初均富含冰,但随后的演化导致命运分化。该假说假设木卫一最初与木卫二一样是富水天体(海洋世界),但受木星强潮汐加热、早期木星释放的强电磁辐射等影响,仅木卫一完全失去了水分。
此次研究团队为验证“演化过程中失水”这一假说是否物理上成立,开展了结合卫星内部热演化模型与大气散逸(大气向宇宙空间逃逸)过程的数值模拟。模拟假设木卫一与木卫二最初由含水矿物(含水岩石)构成。研究考虑了早期木星系可能的所有热源:微行星与小石级尘埃聚集体(卵石)碰撞产生的热量、放射性物质衰变热、潮汐加热及年轻木星的强电磁辐射,计算了卫星失水的速率。
结果显示,无论假设何种条件,木卫一都极难完全失去初始水分;同样,若木卫二初始存在大量水,即使处于严酷环境也能保留大部分水分。西南研究所的Olivier Mousis博士在新闻稿中表示:“此前认为木卫一形成后失水,但物理计算不支持该场景,木卫一不可能如此高效地失水。”也就是说,木卫一当前极度干燥,最自然的解释并非“后天变干”,而是“最初由干燥物..
此次研究成果强烈暗示,木卫一与木卫二的差异并非由后天演化决定,而是形成时的环境(先天)所致。这意味着木星周围圆盘的温度环境在当前卫星轨道附近曾发生剧烈变化。论文指出,木卫一的形成区域温度极高,仅能存在岩石;而稍远处的木卫二形成区域温度允许含水矿物存在,二者之间存在清晰的“干燥-湿润”分界线。
验证此次研究成果的关键在于当前进行中的探测任务。2023年发射的欧洲空间局(ESA)木星冰卫星探测器“Juice(果汁号)”与2024年发射的美国国家航空航天局(NASA)探测器“Europa Clipper(木卫二快船号)”,计划于2030年代初抵达木星系并开展详细观测。特别引人关注的是木卫二表面疑似喷出水柱(间歇泉)的成分分析。
Mousis博士表示,通过测量水中氢与其同位素氘的比率(D/H比),可解读水的来源及卫星诞生环境的历史背景。Juice与Europa Clipper的观测数据有望不仅揭示木星及其卫星的细节,还能推动太阳系形成理论向更精密的方向发展。





