哈勃為木衛三存在地下大洋提供證據

07-15

2015.3.12：在離太陽約8億千米外的木星軌道上，有一顆繞木星旋轉的衛星，它比水星還大些，而且它可能有一個大洋，包含的水比地球的還多。當然，因為溫度很低，水在其表面凍得像岩石一樣硬，大洋可能在150千米的表面深處。但是，如此多的水就有可能支持生命的存在：不論異星世界的大小，是否存在水——是判斷其是否宜居的關鍵標誌。雖然長期以來理論上早已預期木衛三存在大洋，但哈勃望遠鏡的觀測提供了最佳證據。哈勃觀測了木衛三冰殼表面的極光，極光的運動受制於衛星內核產生的磁場（形狀）。當木衛三的磁場與木星巨大的磁場相互作用時，含鹽大洋的運動將對磁場的動力學表現產生影響。因為哈勃望遠鏡無法透視行星或者衛星，通過極光表現追蹤磁場的表現，是探測外星世界的獨特方法。

木衛三極光的示意圖。大圖：366KB，版權：NASA，ESA，研究者團隊，下同。

本圖由伽利略木星探測器拍攝的木衛三黑白圖像與哈勃空間望遠鏡成像光譜儀（STIS）在紫外光波段拍攝的極光圖像疊加而成。圖中，極光以藍色呈現。

美國宇航局（NASA）和歐洲空間局（ESA）合作的哈勃太空望遠鏡提供了木星的最大衛星——木衛三加尼米德（Ganymede）存在地下含鹽海洋的最佳證據。據信這個隱藏大洋的含水量比整個地球表面的水更多。

地球外的異星世界是否適合生命存在的決定性標誌就是液態水。

美國華盛頓特區NASA科學任務委員會副主任、宇航員約翰·格倫斯菲爾德（John Grunsfeld）感慨道：「這個發現是一個重要的里程碑，表明什麼是只有哈勃望遠鏡才能完成的任務。在25年的在軌飛行期間，哈勃對我們的太陽系也做出了許多重大的科學發現。木衛三冰殼下的深海大洋開啟了地外生命令人興奮的可能性。」

木衛三磁場示意圖，藍色表示地下大洋。大圖：12.8MB。

木衛三是太陽系中最大的衛星，也是唯一的擁有自身磁場的衛星。磁場導致極光，它是發光的電離氣體產生的彩帶，圍繞在衛星的南北極附近。由於木衛三離木星的距離較近，它本身整個嵌入木星的巨大磁場中。當木星的磁場發生變化時，木衛三上的極光也隨之變化，來回搖擺。

通過觀測兩個極光的運動，科學家能夠確定，木衛三的冰殼下存在廣大的含鹽海洋，影響著它的磁場。

由德國科隆大學Joachim Saur領導的科學家團隊，提出了藉助哈勃了解更多木衛三內部信息的想法。

Saur解釋說：「我常常進行頭腦風暴，如何讓望遠鏡有更多的用途。我們能否讓望遠鏡觀測行星的內部？然後我想到了極光！因為極光受磁場控制，因此假如你以恰當地方式觀測極光，你就能了解磁場的情況，接著你就能知道星體的內部結構了。」

假如木衛三存在含鹽的大洋，那麼木星的磁場就會在（相對運動的）大洋中產生次級（感應）磁場，與木星磁場方向相反（請大家回想中學的導體在磁場中運動的電磁感應現象，如果記不清就算了吧，譯註）。磁場的摩擦將抑制極光的漂移。這個大洋磁場是如此強大，使得極光的漂移限制在2°，而沒有大洋的話，偏移將達到6°。

有無大洋磁場對極光搖擺範圍的影響對比。大圖：52.6MB。

科學家估計，大洋的厚度約為100km——是地球大洋深度的10倍；它位於150千米厚的冰殼下。

早在20世紀70年代，科學家就基於大型衛星的模型，預測木衛三擁有地下大洋。美國宇航局的伽利略（Galileo）木星探測任務在2002年測量了木衛三的磁場，提供了預測的第一個證據。伽利略探測器採用簡短的「快照」模式，每隔20分鐘測量一次磁場。但它的測量太過簡短，無法獲得海洋次級磁場產生的周期性搖擺數據。

新的觀測在紫外波段進行，只能由空間望遠鏡來實施，因為地球大氣吸收了絕大部分的紫外線。

團隊研究報告將發表在2015.3.12出版的《地球物理學研究期刊：空間物理分冊》在線版上。

1990.4.24哈勃太空望遠鏡發射升空，開啟了科學發現之旅，迄今已經25 年了。它改變了我們對太陽系的認識，幫助我們找到了自己在群星中定位。要參與哈勃科學發現25周年慶典的，請關注推特（Twitter）賬號：#Hubble25。

木衛三的結構示意圖，最外層是冰殼，第二層是含鹽大洋，接著是冰幔，最內部兩層是岩質幔和鐵核，大型衛星因為重力原因，會按輕重分層。大圖：12.9MB。