火山煉獄木衛一：天生如此

木衛一是目前已知擁有最多火山的天體，多年來科學家一直對它的歷史充滿疑惑，而最新的研究顯示它天生如此。

這張木衛一北極區域的影像，是由美國航太總署（NASA）朱諾號（Juno）太空船上的朱諾號相機（JunoCam）成像儀於2023年10月15日拍攝。先前美國航太總署航海家號（Voyager）和伽利略號（Galileo）任務所拍攝的影像並未完整涵蓋木衛一的高緯度區域，因此這是影像中三座山峰的首次觀察紀錄。影像上半部的這些山脈，位於明暗界線（分別白天與黑夜的界線）的附近。PHOTOGRAPH BY NASA/JPL-CALTECH/SWRI/MSSS/TED STRYK

地球的銀白色月亮在許多方面都讓人印象深刻，但卻無法與太陽系其他氣體巨行星所擁有的衛星相提並論。這些衛星本身就是個具體而微的行星，包括木衛二（Europa）或土衛二（Enceladus）在內的部分衛星，擁有壯觀、甚至可能宜居的液態水海洋──當然，還有不能不提的木衛一（Io）。

木衛一是目前已知擁有最多火山的天體。這顆鐵鏽色球體上的熔岩海洋比城市還大，噴發的羽流像是來自地獄的傘一樣包覆著天空。然而到目前為止，科學家們對木衛一的歷史知之甚少，像是它如此頻繁噴發已有多長時間。木衛一的火山活動頻仍，表示這顆衛星的表面每百萬年就會重新翻整。

所有的天體都不斷變化，而那些有著活躍核心的天體，它們的變化有時更是非常極端。像是過去的地球就與現在相當不同。那麼木衛一呢？那裡以前也一樣是個熾熱的地獄嗎？

天文學家為了尋求這個問題的解答，對木衛一的大氣化學成分進行深入研究，以確定自木衛一形成以來，這樣頻繁的噴發需要多久時間才能改變大氣成分。然而，正如他們在《科學》（Science）期刊的報導，木衛一似乎已經持續噴發了數十億年──甚至可能是自太陽系形成以來的45億年都在噴發。換句話說，自太陽發光發熱以來，木衛一的火山活動就一直非常活躍。

這張木衛一火山活動的合成影像結合了美國航太總署朱諾號太空船在2022年12 月14日（左）和2023年3月1日飛越木衛期間收集的可見光和紅外線資料。這兩張圖中的灰色和棕色部分由朱諾號相機成像儀提供，而紅色、黃色和亮白色的疊圖則來自朱諾號的「木星極光紅外成像儀」（Jovian Infrared Auroral Mapper，簡稱JIRAM）數據。像這樣的合成影像可以幫助朱諾號科學團隊更了解衛星表面活躍火山的位置和變化情形。PHOTOGRAPH BY NASA/JPL-CALTECH/SWRI/ASI/INAF/JIRAM

「我們現在所看到的木衛一是天生如此！」並未參與此項研究的楊百翰大學地質學家賈尼．拉德博（Jani Radebaugh）表示，這讓木衛一像是時光機一樣，由引力潮驅動的持續熱引擎讓我們得以知道它的現在和過去。

「整個太陽系都在發生這樣的過程，系外行星也是如此。」加州理工學院的行星天文學家、同時也是此研究的主要作者凱瑟琳．德克萊爾（Katherine de Kleer）表示：「為了更理解這個普遍現象的過程，我們針對木衛一進行了研究。」

火山天堂

以人類的角度看來，太陽系看起來似乎並不多變，但若是以天文的時間尺度來看，太陽系肯定是變化不輟。像是近年來，科學家發現土星極具代表性的行星環並非永久存在，而是在最近幾億年才形成，並且也會在相近的時間尺度內消失。

那麼，木衛一可能不像現在這樣，一直有如此活躍的火山噴發。但為了找到答案，我們必須了解它的火山活動是如何運作，以及為什麼活動如此劇烈。

1979 年，有兩個重大的科學發現為相關研究奠定了基礎：美國航太總署的航海家一號太空船飛掠木星系統，拍攝了木衛一表面向上升起的巨大火山物質羽流，另外有個獨立的科學家團隊計算出木衛一可能擁有強大且不尋常的熱源。

這個數學預測源自木衛一附近的木衛二和木衛三（Ganymede）的特殊軌道運動。每當木衛三繞木星一圈時，木衛二會繞木星兩圈，而木衛一繞木星四圈。這種稱為共振的節律改變了木衛一本身的軌道，讓它從圓形變得更為橢圓。

當木衛一在如此不穩定的軌道上接近木星時，它會受到更強的重力吸引；而當它與木星的距離較遠時，來自木星的重力則會減弱一些，這導致了木衛一的潮汐，與月球造成地球上海洋的潮汐的狀況類似。但木衛一上的潮汐非常強烈，以至於木衛一的表面會上下起伏達100公尺──相當於一棟小型的摩天高樓。

這樣的運動會導致大量摩擦，因而產生驚人的熱量。木衛一內部的熱量融化了大量岩石，可能形成岩漿海洋，為表面的猛烈噴發提供動力，形成比地球河流還要更長的蛇狀熔岩流、五彩的高聳含硫熔岩柱，以及像是木衛一地底入口的液態岩石大鍋。

「這太棒了，」德克萊爾說：「木衛一的火山提供了難得的機會，讓我們了解這顆衛星內部發生的事情。」

火山活動的劇烈程度並不會隨著噴發而稍有歇息。火山除了含硫化合物外，還會噴出含有氯化鈉和氯化鉀的氣體，這是我們在地球上用來調味的化合物。「這就像是從火山噴出食鹽氣體。」德克萊爾這麼說。

大部分的噴發物質也能藉由木衛一的稀薄大氣氣泡拋入太空，受太陽光的影響成為帶電的激發狀態，然後向下掉落到木星帶有磁性的天空，產生強大的極光爆發──就像是地球極光的氣體巨行星版本。

瘋狂衛星

潮汐加熱提供了木衛一的熱源，最終造就了所有的火山幻術。科學家想了解潮汐加熱是否一直存在於木衛一內部，但它的火山活動太過活躍，熔岩流迅速反覆地覆蓋表面，埋藏了古代地質過程的所有證據。

德克萊爾說：「我們不可能透過觀察木衛一的表面，來了解一百萬多年前發生的事情。」這就是為什麼她和團隊成員採取了不同的方法，轉而關注木衛一的天空。

木衛一因為火山爆發和大氣侵蝕的緣故，每秒損失多達3噸的物質。並未參與此項研究的美國航太總署噴射推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory）行星天文物理學家阿普爾瓦．奧扎（Apurva Oza）表示：「有人可能會說，木衛一流失質量的情形與彗星相似。」

在高層大氣中，化學元素中較輕的同位素比較重的同位素更容易逃逸到太空之中，因此隨著時間流逝，木衛一現在所噴發的物質將含有較重的同位素。如果研究團隊能夠測量目前大氣中重同位素與輕同位素的比例，就能計算出木衛一從原始地底可噴發的化合物庫存達到目前的狀態，需要多長時間。

德克萊爾的團隊利用智利的阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array，簡稱ALMA）來觀察木衛一大氣中的氣體，特別是硫的含量。他們還利用遠古隕石來估計木衛一的「原始」重同位素和輕同位素庫存，這些隕石能保存原始太陽系的平均化學情況。

他們發現目前木衛一大氣中重硫同位素的比例很高，這表示木衛一已經失去了 94%至 99%的原始硫含量。要符合現有木星及內側衛星演化模型的唯一解釋，是木衛一噴發的時間可能長達45億年。