木星的植物大小的卫星-艾欧（Io），欧罗巴（Europa），木卫三（Ganymede）和木卫四（Callisto）-令人着迷

从朱诺的JunoCam成像仪拍摄的这张照片中捕捉到了在木星大气层中旋转的云层。（图像数据：NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS图像处理：凯文·吉尔（Kevin M.Gill）

四百年前，天文学家伽利略·伽利莱（Galileo Galilei）宣布发现四颗绕木星运行的卫星，每个卫星在他的望远镜中都被视为一个明显的白点。但是，仅在最近的40年中，天文学家才能够详细研究木星卫星，以揭示这四个卫星（艾奥，欧罗巴，木卫三和卡利斯托）是他们自己的迷人世界。

尽管它们的大小都差不多（大约是地球半径的四分之一），但四个卫星本身是：艾欧（Io）是狂暴的火山，欧罗巴（Europa）包裹在冰中，木卫三（Ganymede）具有磁场，卡利斯托（Callisto）则布满古老的火山口。此外，冰冷的欧罗巴被认为是维持太阳系生命的强大候选者。

一个悬而未决的问题仍然困扰着行星科学家：木星卫星是如何形成的？

现在，加州理工学院行星科学教授康斯坦丁·巴蒂金（Konstantin Batygin，MS ’10，博士’12）和他在法国蔚蓝海岸天文台的合作者亚历山德罗·莫比德利（Alessandro Morbidelli）提出了这一长期问题的答案。通过分析计算和大规模计算机模拟，他们提出了有关木星卫星起源的新理论。该研究在5月18日的天体物理学杂志上发表。

行星科学教授康斯坦丁·巴蒂金（Konstantin Batygin）解释了一种描述木星四个最大卫星形成的新模型。

在我们太阳一生的前几百万年，它被由气体和尘埃组成的原行星盘围绕着。木星从该盘聚结，并被其自身的人造卫星材料盘所包围。所谓的外环-木星圆盘是由原行星盘上的物质供给的，该物质从行星两极的木星上降落到木星上，并沿着行星的赤道平面流回木星的引力影响范围。但这是卫星编队变得棘手的地方。这个不断变化的磁盘如何积聚足够的物质以形成卫星？

Batygin和Morbidelli的新模型通过在周转圆盘上结合了灰尘和气体之间相互作用的物理学来解决这个问题。特别是，研究人员证明，对于特定大小范围的冰冷尘粒，将其拖向木星的力和在气体向外流中携带它们的力（夹带）会完美地相互抵消，从而使磁盘的作用类似于一个巨大的除尘器。巴蒂金说，这个主意的灵感来自他外出奔跑的时候。

这种合成物包括被称为伽利略卫星的木星的四个最大卫星。1610年，意大利天文学家伽利略·伽利莱（Galileo Galilei）首次看到了伽利略卫星。从左到右按与木星距离递增的顺序显示，艾欧最接近，其次是欧罗巴，木卫三和卡利斯托。

他说：“我在山上奔跑，发现地面上没有一个瓶子从山上滚下来，因为来自我身后的风将其推向上方并使之保持平衡。”“想到了一个简单的类比：如果一个啤酒瓶在倾斜平面上滚动类似于由于流体动力阻力而导致的固体颗粒的轨道衰减，那么一定尺寸范围的颗粒必须在木星的轨道上找到相等的平衡！”

研究人员的模型提出，由于向内阻力和向外夹带之间的平衡，木星周围的圆盘富含冰冷的尘埃颗粒，每个颗粒的大小约为一毫米。最终，这团尘埃变得如此巨大，以至于它在自重的作用下坍塌成成千上万个“卫星小行星”，即大约100公里宽的类似小行星的物体。几千年来，小卫星聚集成了卫星，一次又一次。

根据该模型，随着第一个月球（Io）的形成以及其质量达到一定阈值，其引力影响开始在围绕木星的气态物质圆盘中引发波。通过与这些波相互作用，月球向木星迁移，直到到达外圆木星盘的内边缘，接近其当前轨道。然后，该过程从下一个月亮再次开始。

这种相继的形成和向内迁移过程导致Io，Europa和Ganymede陷入轨道共振-一种构型，其中Io每四圈绕木星一次，Europa绕圈两次，而Ganymede绕圈一次。这种所谓的拉普拉斯共振是月球轨道上最引人注目的和最著名的特征之一。

最后，该模型表明，来自太阳的辐射最终吹走了木星周围圆盘中的剩余气体，留下了残留的卫星小动物，这些卫星小动物随后形成了第四颗也是最后一个主卫星Callisto。但是，由于没有气体推动远距离迁移，卡利斯托（Callisto）无法与其他卫星共鸣，并且每两周被困绕木星旋转。

“我们描述的形成木星卫星的过程可能是一个普遍的过程，”莫比德利说。“我们现在已经观测到一个太阳系外巨型行星PDS70c周围的盘，它看起来异常尘埃丰富，就像我们预想的那样，在木星形成人造卫星之前先准备了木星盘。”

关于木星卫星还有很多发现。NASA的欧罗巴快船任务将于2024年启动，它将访问欧罗巴，目的是发现它是否具有适合生活的条件。欧洲航天局还计划派出一个名为“木星ICy”卫星探测器（JUICE）的任务，重点是木卫三，这是木星中最大的卫星。

该论文的标题为“巨型行星卫星的形成”。这项研究得到了David and Lucile Packard基金会，Alfred P. Sloan基金会和蔚蓝海岸天文台的支持。

参考：康斯坦丁·巴蒂金（Konstantin Batygin）和亚历山德罗·莫比德利（Alessandro Morbidelli）组成的巨型行星卫星，2020年5月18日，天体物理学杂志。DOI：
10.3847 / 1538-4357 / ab8937Caltech作者：
20200518-080850992