伽利略衛星與木星 大紅斑 的大小比較,四顆衛星由上而下依序為木衛一 、木衛二 、木衛三 與木衛四 。
哈伯太空望遠鏡 於2015年1月24日拍攝的木星,此時有五顆衛星同時發生凌木星 的現象,包含三顆明顯的伽利略衛星——木衛二 、木衛三 與木衛一 。兩幀影像相隔約42分鐘。
伽利略衛星 (英語:Galilean moons )是木星 的四個大型衛星 ,由伽利略 於1610年1月7日首次發現。這四個衛星可以用低倍率望遠鏡 來觀測到,如果沒有光害,且環境極好,甚至可用肉眼勉強看到木衛三 和木衛四 ,利用數位 單眼相機 搭配合適的望遠鏡頭 也可以輕易的在較無光害的地方拍下這幾顆伽利略衛星。[ 1]
歷史
發現
伽利略·伽利莱 ,伽利略衛星的發現者
隨著伽利略·伽利莱 對望遠鏡進行改進,其望遠鏡的已能夠放大20倍[ 2] ,並讓伽利略能夠更清楚,更仔細地觀察各個天體。在1609年12月和1610年1月期間,伽利略在觀察木星時,發現了這些伽利略衛星。[ 1] [ 3]
於1610年1月7日,伽利略在一封信件中第一次提及關於木星的衛星。在當時,他只看到了三個伽利略衛星,並以為它們是固定在木星附近的恆星。於1610年1月8日至3月2日,他繼續觀察這些伽利略衛星,並發現了第四顆伽利略衛星,及發現了這些天體並非固定的恆星,而是圍繞著木星公轉的衛星。[ 1]
伽利略的發現證明了望遠鏡的重要性,並讓望遠鏡成為天文學家發現亮度不足的各種天體的工具。更重要的是,伽利略證明了並不是只有地球 才有衛星,其他行星 也可以有衛星,無疑是對當時流行的地心说 造成一個重大的打擊。[ 4] 之後,伽利略也接受了哥白尼日心說 。[ 1] 由於這些發現,伽利略能夠透過測量衛星的公轉去計算其經度。[ 5]
伽利略可能並非所有伽利略衛星的發現者。中國天文學家席澤宗 聲稱,早在公元前362年,戰國時代 齊國 天文學家甘德 已發現了木衛三 ,比伽利略的發現早近20個世紀。[ 6]
命名
1610年伽利略 觀測 這四個衛星多日,發現雖然木星在空中移動,衛星仍環繞木星公轉 ,從而得到支持哥白尼 日心說 的論據,即並非所有天體均環繞地球 旋轉 。[ 7] 木星的伽利略衛星在1610年發現後不久便由西門·馬里烏斯 命名為“埃歐 ”、“歐羅巴 ”、“蓋尼米德 ”和“卡里斯托 ”。[ 8] 20世紀之前,這些名稱並不受歡迎,取而代之的為“木衛一”、“木衛二”,或“木星的第一顆衛星”等諸如此類的稱號。[ 8] 這些名稱要到20世紀才被廣泛使用。[ 9]
衛星分類
木星的伽利略衛星在木星的衛星 分類上屬於木星的主衛星群 (木衛一 、木衛二 、木衛三 和木衛四 )。它們的半徑比起任何矮行星 都要長,而且論直徑是太陽系 中除太陽 和八大行星 之外最大的天體。木衛一至四分別為太陽系中第4、第6、第1和第3大的天然衛星 。他們佔木星衛星總質量的99.999%。木星的質量大約是伽利略衛星的5000倍。[ note 1]
軌道現象與拉普拉斯共振
如圖中所示,木星與木衛一、木衛二、木衛三所形成的軌道共振現象。
木星的伽利略衛星除了木衛四 因為距離比較遠之故所以沒有參予和木星的軌道共振 外,其餘三顆衛星皆與木星形成軌道共振。而這四顆大型衛星皆與木星形成潮汐鎖定 ,即皆以同一面半球永遠對著木星公轉。木衛一與木星之間距離350,000公里,公轉木星一週只需要42.5小時,(即快到足以在一個晚上就觀測出它的運動)。[ 10] 埃歐的平均軌道周期與歐羅巴有2:1的軌道共振,和甘尼米德有4:1的軌道共振,即埃歐每繞行木星二周,歐羅巴即繞行一周;而埃歐每繞行四周,甘尼米德繞行一周。這種共振協助埃歐維持軌道離心率(0.0041),並反過來為埃歐的地質活動提供主要的熱源。木衛二與木星之間的平均距離爲 670,900公里,公轉一週只須三天半的時間。它的軌道十分接近正圓,偏心率僅0.009。[ 11] 跟其他的伽利略衛星一樣,木衛二也被潮汐鎖定,因而有一個半球永遠朝向木星。木衛三的軌道距離木星107萬400公里,是伽利略衛星中距離木星第三近的,其公轉周期為7天3小時。和大部分已知的木星衛星一樣,木衛三也為木星所鎖定,永遠都以同一面面向木星。[ 12]
木衛一和木衛二、木衛三保持著軌道共振關係:即木衛三每公轉一周,木衛二即公轉兩周、木衛一公轉四周。[ 13] 當木衛二位於近拱點 、木衛一位於遠拱點 時,兩者之間會出現上合 現象;而當木衛二位於近拱點時,它和木衛三之間也會出現上合現象。木衛一、木衛二和木衛二、木衛三的上合位置會以相同速率移動,遂三者之間有可能出現三星合現象。這種複雜的軌道共振被稱為拉普拉斯共振 。[ 14]
木衛四是距離木星最遠的伽利略衛星,其軌道距離木星約188萬公里(是木星直徑7萬1398公里的26.3倍),比之距離木星次近的木衛三的軌道半徑107萬公里遠得多。[ 15] 由於軌道半徑較大,故其並不處於軌道共振狀態,可能永遠也不會處於這種狀態。木衛四是一顆同步自轉衛星,即木衛四的自轉周期等同於其公轉周期,約為16.7個地球日。[ 16] 木衛四不參與軌道共振,這意味著它永遠都不會產生明顯的潮汐熱效應,而潮汐熱效應是星體內部結構分化和發育的重要動力。[ 17]
衛星各項參考數據
模擬顯示木星在過去可能有幾個世代的伽利略衛星。每個世代的伽利略衛星可能已被木星原行星盤 的引力拉向木星並被破壞,而剩餘的碎片則會形成新的衛星。至這個世代的伽利略衛星,木星的原行星盤已對衛星的影響已經極微。[ 18] 木衛一並沒有任何水存在,且內部可能含有岩石和金屬。[ 19] 而木衛二則約8%質量為水。[ 19]
以下資料依各衛星與木星的距離來排列:
名稱
圖像
內部結構模型[ 20]
直徑 (公里)
質量 (公斤)
密度 (克/立方厘米)
平均軌道 半徑(公里)[ 21]
公轉周期 (天)[ 22]
軌道傾角 (°)[ 23]
軌道離心率
木衞一
3660.0 ×3637.4 ×3630.6
0893 ! 8.93×1022
3.528
421,800
1.769 (1)
0.050
0.0041
木衞二
3121.6
0480 ! 4.8×1022
3.014
671,100
3.551 (2)
0.471
0.0094
木衞三
5262.4
1480 ! 1.48×1023
1.942
1,070,400
7.155 (4)
0.204
0.0011
木衞四
4820.6
1080 ! 1.08×1023
1.834
1,882,700
16.69 (9.4)
0.205
0.0074
大小
伽利略衛星是太陽系中體積最大的數顆衛星之一。木衞三是太阳系最大的衛星,其大小甚至比水星 還要大。木衛四 和木衛一 分別是太阳系第三和第四大衛星,僅次於土衛六 。而木衛二 則是太阳系第六大衛星,稍比月球 小。[ 24]
太陽系各行星的主要衛星比較圖
能見度
以天文攝影機透過折射式望遠鏡 拍攝的木星與伽利略衛星
所有伽利略衛星在遠離木星時都足夠讓人類用肉眼觀察得到。但因為木星本身的亮度高,所以伽利略衛星在大部份時間中均會被木星的光蓋過。當木星位於衝 時,那麼伽利略衛星的亮度就會介乎於4.6至5.6之間。[ 25]
参见
備註
^ Jupiter Mass of 1.898 × 1027 kg / Mass of Galilean moons 3.93 × 1023 kg = 4,828
參考資料
^ 1.0 1.1 1.2 1.3 Galilei, Galileo, Sidereus Nuncius . Translated and prefaced by Albert Van Helden. Chicago & London: University of Chicago Press 1989, 14–16
^ Van Helden, Albert. The Telescope in the Seventeenth Century. Isis (The University of Chicago Press on behalf of The History of Science Society). March 1974, 65 (1): 38–58. JSTOR 228880 . doi:10.1086/351216 .
^ Galilei, Galileo. The Starry Messenger (PDF) . Venice. 1610 [2013-11-26 ] . ISBN 0-374-37191-1 . (原始内容存档 (PDF) 于2012-02-07). On the seventh day of January in this present year 1610....
^ Satellites of Jupiter . The Galileo Project. Rice University . 1995 [9 August 2007] . (原始内容存档 于2012-02-11).
^ Howse, Derek. Greenwich Time and the Discovery of the Longitude . Oxford: Oxford University Press, 1980, 12.
^ Zezong, Xi, "The Discovery of Jupiter's Satellite Made by Gan De 2000 years Before Galileo", Chinese Physics 2 (3) (1982): 664–67.
^ Annuaire de l'Observatoire royal de Bruxelles - Google Boeken . Books.google.com. [11 November 2013] . (原始内容存档 于2014-01-03).
^ 8.0 8.1 Marazzini, C. The names of the satellites of Jupiter: from Galileo to Simon Marius. Lettere Italiane. 2005, 57 (3): 391–407. ISSN 0024-1334 (意大利语) .
^ Marazzini, C. The names of the satellites of Jupiter: from Galileo to Simon Marius. Lettere Italiana. 2005, 57 (3): 391–407.
^ Lopes, R. M. C.; et al. Lava Lakes on Io: Observations of Io's Volcanic Activity from Galileo NIMS During the 2001 Fly-bys. Icarus. 2004, 169 (1): 140–174. Bibcode:2004Icar..169..140L . doi:10.1016/j.icarus.2003.11.013 .
^ "Overview of Europa Facts" (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 ) NASA webpage. URL accessed 15 April 2006
^ Schenk, P.; et al. The Mountains of Io: Global and Geological Perspectives from Voyager and Galileo . Journal of Geophysical Research. 2001, 106 (E12): 33201–33222. Bibcode:2001JGR...10633201S . doi:10.1029/2000JE001408 .
^ High Tide on Europa . SPACE.com. [2007-12-07 ] . (原始内容存档 于2002-12-02).
^ Showman, Adam P.; Malhotra, Renu. Tidal Evolution into the Laplace Resonance and the Resurfacing of Ganymede (pdf) . Icarus. 1997, 127 : 93–111 [2010-09-12 ] . doi:10.1006/icar.1996.5669 . (原始内容存档 (PDF) 于2011-05-14).
^ Porco, C. C. ; et al. Cassini imaging of Jupiter's atmosphere, satellites, and rings. Science. 2003, 299 (5612): 1541–1547. Bibcode:2003Sci...299.1541P . PMID 12624258 . doi:10.1126/science.1079462 .
^ McEwen, A. S.; et al. High-temperature silicate volcanism on Jupiter's moon Io. Science. 1998, 281 (5373): 87–90. Bibcode:1998Sci...281...87M . PMID 9651251 . doi:10.1126/science.281.5373.87 .
^ Freeman, J. Non-Newtonian stagnant lid convection and the thermal evolution of Ganymede and Callisto (PDF) . Planetary and Space Science. 2006, 54 : 2–14 [2010-09-12 ] . doi:10.1016/j.pss.2005.10.003 . (原始内容 (pdf) 存档于2007-08-24).
^ Chown, Marcus. Cannibalistic Jupiter ate its early moons . New Scientist . 7 March 2009 [18 March 2009] . (原始内容存档 于2009-03-23).
^ 19.0 19.1 Ward; Ward. Origin of Europa and the Galilean Satellites. The Astrophysical Journal . 2008-12-30: 59. Bibcode:2009euro.book...59C . arXiv:0812.4995 .
^ 內部結構模型:木衞一 (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 )、木衞二 (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 )、木衞三 (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 )、木衞四 (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 )
^ Computed using the IAU-MPC Satellites Ephemeris Service Archive.is 的存檔 ,存档日期2011-05-20 µ value
^ JPL/NASA . [2013-11-26 ] . (原始内容存档 于2008-09-17).
^ Computed from IAG Travaux 2001 (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 ).
^ Mike Brown, How many dwarf planets are there in the outer solar system? [1] (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 )
^ Yeomans, Donald K. Planetary Satellite Physical Parameters . JPL Solar System Dynamics. 2006-07-13 [2008-08-23 ] . (原始内容存档 于2010-01-18).
外部連結