伽利略卫星，英文名为Galilean moon，指的是木星所拥有的四颗大型卫星，它们分别是木卫一、木卫二、木卫三和木卫四。这一名称的由来，是因为意大利著名天文学家伽利略·伽利莱（Galileo Galilei）在1610年首次运用望远镜观测到了它们。伽利略卫星不仅是围绕木星运行的最大卫星，也是质量最为庞大的，它们的质量总和占据了所有木星卫星总质量的99.999%，几乎达到了木星质量的千分之五。

值得一提的是，伽利略卫星是人类首次发现的，除地球卫星和太阳系其他行星卫星之外的卫星。这四颗卫星后来被西蒙·马吕斯（Simon Marius）分别赋予了富有神话色彩的名字：艾奥（Io，即木卫一）、欧罗巴（Europa，即木卫二）、加尼美得（Ganymede，即木卫三）和卡里斯托（Callisto，即木卫四）。

木卫一，是太阳系中火山活动最为频繁的天体，其火山喷发的活跃程度甚至超越了地球。而木卫二欧罗巴，则以其光滑的表面著称，是太阳系中最光滑的天体之一。由于撞击坑稀少，木卫二的表面几何反照率也相当高。科学家推测，在木卫二那层冰冻的地壳之下，可能隐藏着深达50千米的液态水层，这些水层由引潮力产生的热量维持液态状态，且可能含有生命所需的成分。木卫三，则是太阳系中最大的卫星，其体积甚至超过了水星和矮行星冥王星，同时它也是唯一已知拥有自身磁圈的卫星。至于木卫四，则是太阳系中受陨石撞击破坏最为严重的天体。

伽利略卫星的轨道都近似圆形，且都靠近木星的赤道平面，它们的运动方向与木星的自转方向保持一致。特别地，木卫一、木卫二和木卫三的轨道周期呈现出1:2:4的比例关系。

这四颗伽利略卫星的亮度都相当高，人们可以直接用肉眼观测到它们。此外，在地球上，我们还有机会观测到一种特殊的天文现象——“卫星食”（eclipse of a satellite），即木星遮挡卫星或卫星凌越木星的现象。为了深入探索这些卫星的奥秘，科学家们先后派遣了“先驱者”10号和11号、“旅行者”1号和2号、伽利略号、卡西尼号、新视野号以及朱诺号等航天器对它们进行观测和研究。其中，专门针对木星系统进行探测的伽利略号航天器，为我们揭示了伽利略卫星的诸多细节，包括木卫一的火山活动以及木卫二和木卫四可能存在的液态水海洋。而在2016年，NASA的“朱诺”号航天器更是抵达了木星，成为了第一架如此近距离观测木星的轨道飞行器。

基本信息

发现命名

（一）发现

1. 中国早期观测：公元前364年（中国战国时期）夏，中国天文学家甘德观测到木卫三，比伽利略用望远镜发现早了1974年。当时木星处于宝瓶座边线，甘德撰有《岁星经》《天文星占》等书，部分内容存于唐代《开元占经·第二十三卷》，《岁星经》描述木星“其状甚大有光，若有小赤星附于其侧，是谓同盟”。
2. 伽利略的发现：1610年1月7日，伽利略通过望远镜观察木星，发现它附近三颗位于同一直线的“恒星”，两同一侧，一颗在另一侧；第二天晚上，星星位置变动；1月13日，发现第四颗“恒星”。持续观察至3月2日，确定四颗“恒星”围绕木星旋转，该发现为哥白尼日心说模型提供重要观测证据。
3. 西门·马里乌斯的主张：德国贡岑豪森的天文学家西门·马里乌斯声称早在1609年12月就已发现这四颗卫星。

（二）命名

1. 早期命名尝试：发现卫星时无命名系统，伽利略以赞助人柯西莫·德·美第奇家族名字将四颗卫星集体命名为“美第奇星”，用罗马数字I、II、III和IV区分，离木星越远数字越大。
2. 最终命名确定：1614年，西门·马里乌斯提议以艾奥（Io）、欧罗巴（Europa）、加尼美得（Ganymed）和卡利斯托（Kallisto）命名。因木星对应罗马神话最高神朱庇特（希腊称宙斯），这四个名字是其四个情人。这些名字最终成为官方认可名称，出于对伽利略尊敬，统称为“伽利略卫星”。中国称这些卫星为木一（艾奥）、木卫二（欧罗巴）、木卫三（加尼美得）和木卫四（卡利斯托）。

形成演化

（一）早期假说

《世界地质》1986年第四期发表关于太阳系起源讨论的初论巨量依次分离说，提出卫星起源假说，认为卫星在行星产生时旋转运动中从尾部分离甩出物质，经波状旋转分离运动产生。伽利略卫星作为木星卫星或许遵守该假说，但无科研表明其形成过程。

（二）现代研究理论

2018年出版的《太阳系简史》提出，计算机模拟表明太阳星云吸积气体阶段，每个巨行星周围存在气体尘埃盘，固态颗粒逐渐凝聚形成卫星，类似太阳系行星形成过程，但卫星轨道周期短。卫星形成初期可能经历潮汐作用和热量释放，导致部分卫星内部熔化和物质沉积。随着时间推移，气体尘埃盘稀薄化，固态物质比例增加，形成今天观测到的规则卫星。

（三）伽利略卫星形成推测

属于规则卫星的伽利略卫星，形成可能发生在木星环行星盘稀薄且冰凝结物质充足的末期阶段。此时木星环星盘固态物质随时间累积，凝聚成伽利略卫星。形成时存在自我调节过程，卫星发展过大则落入木星，新卫星形成过程重新开始。共振现象如拉普拉斯共振表明，轨道可能在形成后调整进入共振位置，可能是木星环行星盘消失后，木星潮汐作用导致轨道扩张的结果。

主要特征

（一）总体特征

截至2023年年底，伽利略卫星是绕木星运行的最大、质量最大的天体，属木星卫星主群，在木星及其卫星系形成中很关键。木星卫星物理和轨道特征差异大，四个伽利略卫星直径都超3100km，最大的木卫三是太阳系中最大的卫星，比水星和矮行星冥王星还大。偏心率均小于0.009，轨道形状近乎完美圆形，轨道周期为1.7627 - 16.69地球日不等。

（二）各卫星具体特征

1. 物理参数

2. 木卫一

• 表面：呈球状，由岩石构成，被火山爆发散发的硫化物染成黄色和红色。潮汐力在内部产生大量热量，大部分地壳保持液态。表面无环形山和陨石坑，火山活动重塑地形，熔岩湖覆盖撞击坑，液态岩石流泛滥使表面光滑。二氧化硫是稀薄大气主要成分，几乎没有水，美国宇航局认为不太可能存在生命。
• 火山：因潮汐加热，是太阳系中火山活动最活跃天体，活跃度超过地球。“旅行者号”发现九个火山喷发羽状物，最大高300千米，宽1000多千米，探测到强烈红外辐射证明高温。之后“伽利略号”“新视野号”等记录约100个火山爆发地点。国际天文学联合会用神话人物命名火山，如“普罗米修斯”持续爆发，“特瓦史塔”和“产灵”爆发过几次。火山口状地貌附近有低反照率熔岩流，呈细长叶状特征，可长达300千米，停止移动后被硫黄和二氧化硫霜覆盖。有些火山内部有“熔岩湖”，是强烈红外辐射源，有些通过火山喷口或裂缝释放羽状物，可能是岩浆中气泡膨胀推动，粒子上升后落回地面形成特殊喷发现象。木卫一喷发每秒释放约1吨氧和硫，与木星磁场相互作用形成等离子体环绕轨道。

3. 木卫二

• 表面：由高反照率冰组成，接近表面固态，深处液态，形成全球性海洋。陨击坑少，表面布满山脊和沟脊以及冰层裂缝，呈“一团线球”外观。长线形裂缝宽约1 - 2公里，可延伸数千公里。山脊主要位于裂缝打开闭合处，形成高达数百米冰脊。裂缝开合与环绕木星周期有关，每85小时重复一次，导致新裂缝和山脊不断形成。大冰脊被含杂质变色冰环绕，线球地形部分区域被破坏分解形成“破碎地貌”，由漂浮物和低洼表面组成。在“混沌区域”，漂浮物和基质交错，新山脊和沟脊覆盖旧地形。冰盖厚度差异影响融化和裂缝形成过程，热量可能来自岩石内部潮汐加热或海底火山喷发。
• 海洋：美国宇航局推测冰壳厚度约15 - 25公里，漂浮在深60 - 150公里的咸水全球海洋上，虽直径仅为地球四分之一，但海洋水量可能比地球全球海洋多两倍。海洋被认为是太阳系中寻找地球之外生命最有希望的地方之一。具有稀薄大气层，主要成分为氧气，非生物形成。天体生物学家认为木卫二有丰富水资源和生命所需基本化学元素，包括碳、氢、氮、氧、磷和硫。表面受木星辐射轰击，生命无法生存，但辐射可能为地表下海洋制造养料。潮汐加热使地壳形成大量热液喷口，类似地球深海热液喷口生态系统，可能孕育以化学合成为能源的微生物及以其为食的更大型生物，这些生物可能适应其他环境，如潮汐裂缝。

4. 木卫三

• 表面：比水星大，是太阳系最大卫星，表面呈黄色。“旅行者”探测显示表面有各种各样地形，有明暗不同地貌、陨击坑、横向错开断层、线状地形、平行山脊和深沟。天文学家推测可能发生过类似地球板块运动活动。表面有稀薄含氧气大气层，主要成分是冰，地表即冰壳顶部，无可见破碎地貌痕迹，推测冰壳未薄到足以融化。表面环形山密度高，显示古老性质，推测地表年龄可能超过30亿年，远大于木卫二（不超过5000万年）。
• 海洋：20世纪70年代首次提出存在地下海洋设想，1996年伽利略号探测器发现磁场，证实地下海洋存在。磁场表明表面存在矿物盐，意味着内部曾有液态水向外喷发。美国宇航局通过哈勃太空望远镜也观测到很多地下咸水海洋存在证据。地下海洋约位于150km厚地壳之下，含水量预计比地球表面所有水多，深度约100km，是地球海洋深度10倍以上。表面冰是普通冰（冰I），深处压力将其压缩成冰Ⅲ、冰V、冰VI，计算机模拟显示每个冰层下面有液体层，形成多层三明治外观。若液态层存在，很可能是强度高的盐水，含从岩石内部溶解出来的盐，在低温下保持液态。

5. 木卫四

• 表面：被大量陨击坑覆盖，比木卫三表面更密集，陨击坑抹平表面裂缝。美国宇航局科学家认为几乎无地质活动，无活火山或地壳板块移动侵蚀陨石坑。表面布满明亮白色斑点，科学家认为是覆盖水冰的陨石坑山峰。有一层非常稀薄大气层，含有二氧化碳、氧气和氢气。
• 撞击坑平原：表面地质年龄古老，是太阳系中遭受最猛烈轰击的天体之一，撞击坑密度接近饱和。大型地质构造为撞击坑平原、较明亮平原、明亮而平缓平原以及多环机构和撞击坑组成的多类地形单元。撞击坑平原由冰体和岩石混合物组成，是古老岩石圈典型代表。较明亮平原中存在明亮撞击坑、变余结构残迹和多环结构中央部分，可能是冰质撞击坑沉积而成。明亮而平缓平原覆盖区域较小，常出现于沃尔哈拉撞击坑和阿斯嘉德撞击坑山脊和槽沟地带，撞击坑平原孤立斑点地带也属这种地形。多环盆地是最大撞击地形，沃尔哈拉撞击坑最大，明亮中央地带直径600km，环状结构向外延展1800km；阿斯嘉德撞击坑直径约1600km。科学家推测多环结构产生可能是撞击事件后岩石圈在柔软或流动物质（如海洋）上产生同心环状断裂。撞击坑链是一长串链状呈直线分布于星体表面的撞击坑，可能是木卫四被过于接近木星受引力潮汐作用解体天体撞击形成，也可能是遭受小角度撞击后产生。

研究猜想

1990年代伽利略号航天器收集的数据表明，木卫四可能在其冰冷表面下拥有一层咸水海洋。更近期研究显示，这层海洋可能比之前预想的更深，或者根本不存在。木卫四内部的海洋是由其感应磁场推断出来的，它对木卫四的表面没有明显的影响，所以如果存在海洋，其位置一定比木卫二的海洋更深。这个海洋可能与木卫四的岩石相互作用，为生命提供潜在栖息地。

运行轨道

（一）轨道特征

伽利略卫星与其他4颗离木星更近、体积更小的卫星轨道都呈近圆形，靠近木星赤道，运动方向与木星自转方向一致，被称为规则卫星。木星其他卫星位于离它更远的地方，轨道不规则，扁长倾斜，大部分是逆行轨道（运动方向与木星自转方向相反）。

（二）轨道共振

多个规则卫星轨道之间形成共振，最著名的是拉普拉斯共振，即木卫一、木卫二、木卫三的轨道周期比值为1: 2: 4。木卫三绕木星运行一周时，木卫二绕木星运行两周，木卫一绕木星运行四周。受这种轨道共振影响，三颗卫星相互引力牵引，运行轨迹无法形成圆形，共振迫使轨道有小幅度偏心并形成椭圆。这种共振并非偶然，是卫星形成后经历轨道变化进入共振位置，可能发生于卫星形成时或后来因环行星盘影响。共振现象导致卫星受木星引力潮汐作用影响，潮汐作用产生的摩擦热使卫星内部产生热量，木卫一温度最高，成为太阳系中火山活动最活跃天体之一；木卫二潮汐加热导致冰冻地壳下有液态水海洋存在；木卫三有助于维持深层液态水存在。木卫四轨道在四颗伽利略卫星中距离木星最远，约188万km（是木星半径71398km的26.3倍），不处于轨道共振状态，无明显潮汐热效应。

内部结构

木卫一、木卫二和木卫三核心富含铁，被岩石包围。木卫二、木卫三和木卫四外层是冰，内部深色层是液态水。木卫四内部是未分化的岩石和冰混合物。木卫三有三层结构，中心是小型铁或铁硫化物内核，外面是硅酸盐岩石地幔，最外部是冰质外壳，除冰外壳外与木卫一极相似（木卫一为含铁、镍核心，外面环绕岩石地幔）。木卫二中心是铁核，铁核外是硅酸盐岩石地幔，再外层是水，可能是深达千米的大洋，上面覆盖同样深达千米的冰层。木星的磁场在木卫二和木卫四内部激发磁场，可能是通过内部含盐海洋导电实现。木卫三自身有相当强磁场，可能是由外核液态硫化铁对流产生，类似水星和地球内部发电机理论。木卫一磁场特征未得到很好描述，科学家推测可能是由流体核运动引起磁场，也可能是一个源相对较浅的感应磁场。

科学探测

（一）业余观测

四颗伽利略卫星亮度高，最亮星等在4 - 5之间（肉眼能看到极限星等为6），从地球观测主要困难是距离木星近，被木星亮度掩盖。木卫三和木卫四更易被肉眼观测到。使用中等口径望远镜和良好视宁度可观测，高放大倍数（350倍以上）在卫星凌木星期间可看到清晰卫星圆面，木卫三最适合，能看到两极略带阴影的霜。更大望远镜甚至可观测到卫星颜色。

（二）专业探测

1. 先驱者和旅行者

70年代探测太阳系外围空间开始对木星系统探测计划，发射了4艘宇宙飞船，“先驱者”10号和11号，“旅行者”1号和2号。两个先驱者探测器主要任务是探测火星轨道、外太阳系天体和空间环境，先驱者10号还有飞出太阳系探寻外星人任务。先驱者10号于1972年3月20日升空，次年底在离木星13万千米处飞过，送回300多幅彩片，研究木星云层和卫星，探测到木星磁场。先驱者11号于1973年4月6日发射，经过一年半飞行，在离木星表面4.6万千米高空飞过，送回更清晰照片，对木星温度、大气、磁场及4个卫星作多方面观测。1979年3月和7月，旅行者1号和2号飞船分别从木星上空穿过，旅行者1号对木星、伽利略卫星和木卫五进行三天探测，拍摄数千张彩色照片，进行科学考察。

2. 伽利略号

“伽利略号探测器”是木星专用探测器，任务是观测木星大气、卫星和磁层，由一个轨道站和一个探测器组成。1989年10月，美国宇航局成功发射伽利略号探测器。1994年7月，在飞行途中拍摄到著名的“彗木相撞”过程。1995年到达木星附近后，在降落帮助下探测器进入木星大气层并发回木星闪电、射电辐射和磁场等资料。1995年12月，伽利略号探测器轨道站进入围绕木星轨道，2003年12月停止工作。在木星周围飞行期间，对木星、木星卫星等进行长时间探测，发现木卫一上的火山活动，木卫二与木卫四表面下的液态水海。

3. 卡西尼号

美国宇航局和欧洲航天局联合进行的探测土星的“卡西尼 - 惠更斯号”任务，包括降落在土卫六表面的“惠更斯号”着陆器和一个“卡西尼号”轨道飞行器。2000年12月，“卡西尼号”在飞往土星途中飞掠木星，补充了“伽利略号”轨道飞行器对木卫一火山喷发的观测。

4. 新视野号

新视野号探测器是美国宇航局于2006年1月19日发射的探测器，主要任务是探测冥王星及其卫星冥卫一，并探测位于柯伊伯带的小行星群。2007年2月，新视野号在飞往冥王星途中近距离掠过木星，拍摄到许多伽利略卫星的照片，并研究了木星的上层大气。

5. 朱诺号

2011年8月5日，美国宇航局发射了专门用于探测木星系统的朱诺号探测器，主要目标是探测木星的起源和演化。朱诺号在2016年7月抵达木星轨道，在2021年中期完成了其主要任务，揭示了有关木星内部结构、大气层（包括极地气旋、深层大气层和极光）以及磁层圈的信息。之后，朱诺号转向延长任务，探测整个木星系统，探测了四颗伽利略卫星中的三颗：木卫1到木卫3。自2022年4月以来，朱诺号一直在观察木卫1岩浆覆盖的表面，木卫1的最新图片由朱诺号在2023年12月和2024年2月传回。美国宇航局宣布，这次探测计划预计持续到2025年9月。

相关天文

木星及其四颗大卫星能产生四种可观测现象。当卫星从木星影子中经过时，发生“卫星食”（eclipse of a satellite）；当卫星从木星背后经过时，被木星遮挡，在地球上能看到木星掩卫星，卫星从木星西侧消失然后在东侧复现；当卫星从木星前面经过时，从地球上能看到卫星凌木星，卫星从东至西经过木星表面，在黯淡带斑上呈白色亮点，在亮带上几乎淹没不见，除非一直跟踪其位置；当卫星的影子扫过木星表面时，发生卫影凌木星，卫星投在木星上的影子是小黑点，在任何望远镜里都能看到，卫星影子也是从东向西经过木星表面。

相关作品

（一）小说

1. 伽利略的四颗卫星——木卫一、木卫二、木卫三和木卫四——在阿尔弗雷德·贝斯特（Alfred Bester）1956年的小说《星星我的目的地》（The Stars My Destination）中都成为了殖民地。
2. 木卫一是电影《2010：接触》（《2010: The Year We Make Contact》）的故事发生地，电影中宇航员在木卫一的火山上方进行危险的太空漫步，登上一艘被遗弃的宇宙飞船。
3. 木卫二出现在阿瑟·C·克拉克的小说《2010：奥德赛二》（《2010: Odyssey Two》）中，该小说也被改编成电影。
4. 英国作家亚瑟·C·克拉克受“旅行者2号”传来的图像启发，创作了小说《3001：最后的奥德赛》，小说中有加尼美得城。
5. 1950年，美国作家罗伯特·A·海因莱因创作了《苍穹农夫》，讲述了一个十几岁的男孩跟随父亲前往木卫三建立农场的故事。
6. 查尔斯·舍菲尔德的《冰冷如冰》（系列）、莱昂纳多·拉米雷斯的《木卫三的孤儿》、莱斯特·德尔·雷的《逃亡机器人》、爱丽丝·芒罗的《木卫》、詹姆斯·P·霍根的《木卫三的巨人们》等作品中都有木卫三相关情节。
7. 上世纪30年代，作家哈尔·文森在他的小说《卡利斯托之战》中描绘了地球和卡利斯托的战争。
8. 艾萨克·阿西莫夫于1940年创作的小说《卡利斯托的威胁》将卡利斯托描绘为一个大气层含有二氧化碳和氧气并有湖泊和植被的世界，也是一个到处爬满巨大毛虫的陷阱地。
9. 罗伯特·A·海因莱因的1950年小说《天空中的农夫》中提到了卡利斯托，主要讲述木星卫星盖尼米德，但也讨论了人类殖民者为了在卡利斯托上生活而创造大气层的情节。
10. 菲利普·K·迪克于1955年写了一篇名为《杨西的模样》的短篇小说，讲述了居住在卡利斯托上的极权社会的殖民者。
11. 林·卡特在20世纪70年代创作了一系列名为《卡利斯托系列》的八本书，以一个被传送到卡利斯托的士兵为特色，发现那里有一个古老的人类文明，卡利斯托与地球相似，但某种幻觉使得外来者觉得这里不适宜居住。
12. 在金·斯坦利·罗宾逊的书《2312》中，殖民者已经在卡利斯托的巨大横跨月球的撞击坑瓦尔哈拉上建立殖民地，从内环开始扩展，作者设想内环的朝内部的部分布满窗户，随着殖民地壮大和居民寻求保持空间和独立性，他们在不同环中定居，为每个环创建独立殖民地。
13. 木卫四还出现在《太空暴君传》系列小说、《卡利斯托：末日空间》、《罗文》、《安静的战争》、《蓝色火星》和《伽利略的梦想》等小说中。

（二）影视

1. 在《开拓者》（《The Expanse》）电视系列（2015年至2022年）中，人们在木卫二上生活并种植食物。
2. 至少有两艘“星际迷航”联邦星舰以欧罗巴命名，在《星际迷航：皮卡德》（《Star Trek: Picard》）中，前往木卫二的任务帮助拯救了地球。
3. 2013年电影《欧罗巴报道》（《Europa Report》）以木卫二为故事发生地，动画电视节目“未来阿玛”也关注了这颗卫星。

（三）游戏

木卫三和木卫二成为多款视频游戏的背景或主题，包括《使命召唤：无限战争》和《银河战记：地球之目标》。

（四）音乐

一对美国电子流行二人组将他们的乐队命名为加尼美得（Ganymede），并在2008年推出了一首名为《加尼美得行动》的歌曲。独立流行乐团布拉扎维尔听到木卫三可能有盐水海洋的消息后，将一张专辑以及专辑中的主打曲目命名为《加尼美得的海洋》。

（五）动漫

在电视节目《星际牛仔》中，木卫四被描述为以男性为主的家园。