木衛一400多座火山同時噴發,這是何等的壯觀啊!

2021-01-19 天文物理

木衛一是木星已知78顆衛星中第三大的衛星，木衛一是太陽系中除地球外唯一可以觀測到大規模火山活動的天體。木衛一內部熱量的來源與地球截然不同，這使得木衛一成為研究火山活動的一個獨特系統。AGU期刊《地球物理研究快報》上發表的一項新研究發現，木衛一最強大、持續時間最長的火山洛基帕特拉(Loki Patera)亮度，與木衛一軌道上由木星其他衛星引起的輕微擾動時間尺度相似。木衛一軌道上的微小擾動，以大約500個地球日的周期重複出現。

這一新結果令人驚訝，因為木衛一上的火山沒有及時噴發，在木衛一繞木星運行的1.77個地球日期間，木衛一受到的壓力要大得多，而木衛一上的火山受到壓力波動要大得多。這些應力產生內摩擦產生的熱量為木衛一火山提供動力，但木衛一軌道短期內的波動應力似乎沒有將巖漿擠壓到表面。

這項新研究分析了2013-2018年間夏威夷凱克和雙子座北望遠鏡對洛基·帕特拉271個夜晚的觀測結果，以及1987年以來的零星觀測結果。研究表明，更溫和的500天周期可能在合適時間尺度上發生作用，使巖漿移動，並在噴發時將其帶到木衛一表面。加州理工學院的行星科學家、這項新研究的主要作者凱薩琳·德克爾(Katherine de Kleer)說：

在這1.77天的軌道運行期間，木內行星內部的壓力變化很大。據任所知，木衛一的火山在這1.77天的尺度上沒有變化，所以當壓力變化較低時，會在較長時間內看到反應，這有點違反直覺。了解這一動態可能會為木衛一神秘的內部結構以及太陽系中其他天體內部結構提供線索。這些星體內部都受到波動引力的影響而變暖，這種效應被稱為潮汐加熱。

對木衛一的巖漿房和導管幾乎一無所知，所以木衛一的行為為我們打開了一扇小窗，讓我們了解到目前一無所知的區域。木衛一內部很熱，因為它圍繞木星緊密軌道不是圓形的。木衛一被困在一個偏心軌道上，是因為它與木星最大的衛星——鄰近木衛二(Europa)和木衛三(Ganymede)——產生了共振，這兩顆衛星被夾在它們的影響和木星巨大引力之間。木衛二環繞木星軌道是木衛一的兩倍，木衛三的軌道是木衛二的兩倍。

這個1:2:4意味著當木衛一繞木星運行時，來自其他兩顆衛星的引力會不斷重複。木衛一與木星的距離隨著其橢圓軌道變化而變化，所以當木衛一環繞這顆巨大的行星時，會感受到木星不同程度的引力。木星和其他衛星的移動引力使木衛一在圍繞木星的兩天軌道上伸展和壓縮。木衛一內部物質之間的摩擦產生足夠熱量，使巖石熔化成巖漿。科學家對木衛一上的400多座火山進行了研究，尋找它們同時噴發的證據。

這種日軌道波動發生在土星的衛星土衛二上，土衛二有一個地下海洋，從衛星冰凍表面的裂縫中噴湧而出。土衛二上的水泉在距離土星最遠地方噴發最大，而噴泉的裂縫也被拉開。但這項新研究並沒有發現木衛一洛基帕特拉火山與木衛一圍繞木星運行兩天時間相同的證據。相反，亮度似乎與木衛一軌道上的微小擾動在相同時間尺度上波動。雖然與木衛二和木衛三的軌道共振對木衛一潮汐影響最大，但相鄰衛星也會以480-484天和461-464天的周期輕微扭曲木衛一軌道形狀。

根據這項新研究，木衛一洛基帕特拉火山的噴發周期似乎與這一周期類似。研究人員認為，木衛一和土衛二上的不同動力學可能與流體通過巖石孔隙或裂縫的方式有關。巖漿更像蜂蜜或牙膏，而不是水。它對擠壓的反應不如水那麼快。木衛一軌道的周期可能太短，以至於木衛一內部的潮汐效應無法噴發到表面。加州大學聖克魯茲分校地球物理學家、這篇新論文的合著者弗朗西斯尼姆(Francis Nimmo)說：木衛一地殼中的巖漿需要時間才能流動。如果迅速擠壓和拉伸地殼，什麼也不會發生。

但如果擠壓和拉伸的速度慢一些，巖漿就有足夠時間移動到足以填滿火山導管的地方，從而引發火山爆發。這就像你可以在潮溼的沙灘上跑步，但是如果你走得很慢，你的腳就會下沉。科學家從研究木衛一中了解到的潮汐加熱效應，可能適用於木衛二和整個太陽系中潮汐加熱的其他天體。在其他星球上，研究這個基本的行星運動過程要困難得多，因為不會產生如此容易觀察到的火山。木衛一就像一個實驗室，可以洞察這個過程，然後將其應用到太陽系的其他行星衛星上。

博科園｜研究/來自：美國地球物理聯盟

參考期刊《地球物理研究快報》

DOI: 10.1029/2019GL082691

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