神秘宇宙

木星在形成初期產生的輻射使其衛星上的水分蒸發

木星在形成初期的溫度非常高,它產生強烈的輻射照射其四顆大型衛星(總稱「伽利略衛星」),使衛星上的水份蒸發,並使它們失去揮發性物質。

根據新的研究,這種輻射可以解釋伽利略衛星現在的組成成分是如何形成的:從離木星最近的火山世界「木衛一 埃歐Io 」到有冰殼的「木衛二 歐羅巴Europa 」,然後是太陽系中最大的衛星「木衛三 蓋尼米德Ganymede 」,再到表面有許多撞擊坑的「木衛四 卡利斯多Callisto 」。

這四顆衛星遵循兩個組成梯度(composition gradients):它們離木星越遠,密度越低,水冰的比例就越高。木衛四是太陽系中隕石坑最多的天體,大致一半是岩石一半是冰,而木衛一的冰則是太陽系中最少的。

由亞利桑那州立大學行星科學家 Carver Bierson 率領的一個天文學家團隊在第 54 屆月球和行星科學大會上展示了他們的研究發現。

天文學家認為,當木星處於其形成的最後階段時,它從曾經包圍它的氣體和塵埃盤中吸走了最後一點物質。圍繞木星赤道排列的伽利略衛星被認為是由這個圓盤形成的,就像一個微型行星系統。當圓盤消散後,新形成的木星發出強烈的光芒——比今天發出的光亮 10,000 多倍。

當然,這仍然不及恆星那麼亮,但它的亮度足以讓最裡面的兩顆伽利略衛星——木衛一和木衛二——受到來自木星的輻射,而且比從太陽接收到的光線強一個等級。

Bierson 和他的同事進行了電腦模擬以觀察這種輻射對衛星形成初期的影響,假設木衛一(現在是太陽系中火山最多的天體)它在完整形成後曾經有大量的水冰。

雖然伽利略衛星在數十億年前的位置可能更接近木星,不過該團隊是使用目前伽利略衛星相對於木星的當前位置。這代表伽利略衛星實際上暴露到的輻射量可能比模擬模型發現的還要高,因此這也可能意味著該輻射的影響在現實中發生得更快。

研究團隊在會議的文章中寫道:「我們發現木衛一形成後的最初幾百萬年裡,由於木星的輻射,木衛一的平衡溫度可能超過 300 克耳文 (Kelvin)(相當於 26.85 攝氏度,或 80.33 華氏度)。 」

這個溫度聽起來不是很熱——在地球上,這可能是一個溫暖宜人的日子——但它也足以融化任何表面的冰,產生大量海洋,進而產生水蒸氣大氣。

即使在今天,木衛一也無法在其大氣中保留由其活躍的火山活動所產生的氣體。這些氣體迅速洩漏到太空中,進入到環繞木星的等離子環,最終進入這個氣態巨行星,並形成永久性的紫外線極光。而就算回到衛星形成初期,木衛一也因為水蒸氣洩漏到太空中,使其比太陽系中的任何地方都更加干燥。

氣體溢散對木衛二的影響比對木衛一的影響要小,在木衛二留下的水蒸氣足以形成全球性的表面海洋及厚厚的冰層。不過令人難以置信的是,與它曾經的海洋面積相比,今天的海洋只剩下一個水坑的大小,大部分原有的水都被木星早期的光照射而流失。

木衛三和木衛四是距離木星最遠的伽利略衛星,它們的冰和岩石比例大致相似,而且基本上不受早期輻射的影響,它們之間的任何變化都是衛星後續演變的結果。

Bierson 和他的同事認為,這些發現為四顆伽利略衛星之間奇怪的成分差異提供了一個簡潔且合理的解釋,這四顆衛星被認為是由環繞木星的同一塵埃雲形成的。

研究團隊總結道:「我們今天在伽利略衛星上看到的揮發性物質可能是一個強大過程或多個過程共同作用的結果。」

「在這項研究中,我們發現木星的升溫可能在木衛一形成的最初幾百萬年內消除其所有水存量。總之我們認為,當其他人難以解釋觀察到的衛星組成梯度時,應該考慮這個過程。」

這項研究在第 54 屆月球與行星科學大會(54th Lunar and Planetary Science Conference)上發表。

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資料來源:

  1. Starr, M., (30 March 2023). A Newborn Jupiter Could Have Been Bright Enough to Bake Its Moons. ScienceAlert
  2. Bierson, C. J., Fortney, J. J.,Trinh, K. T., & Kreslavsky, M., (2023). THE EFFECT OF JUPITER’S EARLY LUMINOSITY ON THE GALILEAN SATELLITES. 54th Lunar and Planetary Science Conference
  3. 圖片來源:https://www.jpl.nasa.gov/images/pia01299-the-galilean-satellites (NASA/JPL/DLR)