臺北市立天文科學教育館

木星的衛星，木衛一「Io」，是太陽系中火山活動最活躍的地方。其繞木星公轉一週約為1.8地球日，這顆衛星受到木星引起的潮汐力，導致火山爆發比地球上任何現今的火山爆發都要大。我們已經知道，伽利略四大衛星的前三顆，木衛一「Io」、木衛二「Europa」、和木衛三「Ganymede」的軌道配置被稱為拉普拉斯共振。木衛三每繞木星公轉一圈，木衛二剛好完成兩圈繞行，而Io則完成四圈繞行。在這種配置中，這些衛星之間的引力相互牽引，迫使它們進入橢圓軌道。這樣的軌道使得受到木星引起的潮汐力加熱了這些衛星的內部，導致了Io的火山活動，並給冰冷的木衛二Europa地下液態海洋增加了熱量。然而Io已經經歷火山的動盪有多久呢？或是說，木星的衛星已經處於這種軌道配置多久了呢？最新的研究透過測量Io大氣中的硫同位素，確定了這些衛星已經被困在這種共振中數十億年。木衛二Europa的液態海洋一直被認為是地球以外有生命進化的潛在場所，了解這些衛星軌道已經這樣存在多長時間，對於確定其長期的可居住性至關重要。研究結果已發表在《Science》和《JGR-Planets》期刊上（de Kleer et al. 2024.; Hughes et al. 2024.）。

圖說：由伽利略太空船拍攝的木衛一Io照片。Credit: JPL

在地球上，我們可以經由分析化石和隕石坑找到過去事件的痕跡。然而，Io地表不斷地變化且更新速度超快，它的表面只有大約一百萬年的歷史，而這顆衛星本身的年齡約為45億年。為了了解這Io已經經歷了多久的火山活動，研究人員檢測了其大氣中的化學物質。Io火山噴發的氣體主要成分是硫，其地表沒有水，導致其大氣中的二氧化硫含量高達90％。在Io的動態火山循環中，靠近地表的氣體會被重新吸入內部，然後再次被噴發到大氣中。研究顯示，在Io的大氣中，較輕的硫-32可能位於頂部，而較重的同位素硫-34則更可能位於靠近地表的底部。Io除了地表因地質活動不段更新，它的大氣層也以每秒1噸的速率發散至太空中，這是由於與木星磁場中的帶電粒子碰撞所致。由於在這些碰撞發生的大氣頂部，是較輕的硫-32比較豐富的地方，因此與其較重的同位素硫-34相比，硫-32被不成比例地消耗。而了解硫-32流失的程度可以提供有關這顆衛星火山活動持續了多久的線索。

圖說： 這個示意圖描述木衛一Io因受到木星引起的潮汐力，導致地質活動如火山爆發，以及火山噴發出來的氣體如何逸散。Image credit: Chuck Carter and James Tuttle Keane / Keck Institute for Space Studies.

為了做到這一點，研究人員利用了位於智利的ALMA望遠鏡，測量Io上的硫同位素。在地球上，我們從從太陽系早期的殘骸，也就是隕石中得知，太陽系形成時硫-32和硫-34的比例大約是23比1。如果Io自形成以來一直沒有改變，那麼它今天應該仍然保持著相同的比例。然而，新的研究表明，Io已經失去了其原始硫-32的94％至99％，這意味著這顆衛星在數十億年的時間裡一直處於火山活動中，同時不斷將硫-32丟失到太空中。Io的火山活動持續時間表明，木星的衛星形成後不久，Io就與Europa和Ganymede進入了軌道共振。這支持了過去20年中模型的預測，這些模型顯示這三顆衛星應該在它們形成後很快進入這種共振狀態。

木星系統只是許多衛星和甚至太陽系外行星中出現這種類型共振的眾多例子之一，這種共振引起的潮汐加熱是衛星的主要熱源，可以驅動它們的地質活動。Io是其中最極端的例子，天文學家將其作為了解一般潮汐加熱的實驗室。（編譯／段皓元）

資料來源：Caltech