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木卫四又称为“卡利斯托”（Callisto、发音： /kəˈlɪstoʊ/[8]、希腊文：Καλλιστώ），是围绕木星运转的一颗卫星，由伽利略在1610年首次发现。[1]木卫四是太阳系第三大卫星，也是木星第二大卫星，仅次于木卫三。木卫四的直径为水星直径的99%，但是质量只有它的三分之一。该卫星的轨道在四颗伽利略卫星中距离木星最远，约为188万公里。[2]木卫四并不像内层的三颗伽利略卫星（木卫一、木卫二和木卫三）那般处于轨道共振状态，所以并不存在明显的潮汐热效应。[9]木卫四属于同步自转卫星，永远以同一个面朝向木星。木卫四由于公转轨道较远，表面受到木星磁场的影响小于内层的卫星。[10]
 木卫四 | |||||||||
| 发现 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 发现者 | 伽利略·伽利莱 | ||||||||
| 发现日期 | 1610年1月7日[1] | ||||||||
| 编号 | |||||||||
| 其它名称 | Jupiter IV | ||||||||
| 形容词 | Callistoan, Callistonian | ||||||||
| 轨道参数 | |||||||||
| 近心点 | 1 869 000 公里 | ||||||||
| 远心点 | 1 897 000 公里 | ||||||||
| 半长轴 | 1 882 700 公里[2] | ||||||||
| 离心率 | 0.007 4[2] | ||||||||
| 轨道周期 | 16.689 018 4 日[2] | ||||||||
| 平均轨道速度 | 8.204 公里/秒 | ||||||||
| 轨道倾角 | 0.192°（相对于拉普拉斯平面）[2] | ||||||||
| 隶属天体 | 木星 | ||||||||
| 物理特征 | |||||||||
| 平均半径 | 2410.3 ± 1.5 公里（地球的0.378倍）[3] | ||||||||
| 表面积 | 7.30 × 107 公里2 （地球的0.143倍） | ||||||||
| 体积 | 5.9 × 1010 公里3 （地球的0.0541倍） | ||||||||
| 质量 | 1.075 938 ± 0.000 137 × 1023 公斤 （地球的0.018倍）[3] | ||||||||
| 平均密度 | 1.834 4 ± 0.003 4 公克/公分3[3] | ||||||||
| 表面重力 | 1.235 m/s2 （0.126 g） | ||||||||
| 2.440 公里/秒 | |||||||||
| 自转周期 | 同步自转[3] | ||||||||
| 转轴倾角 | 0[3] | ||||||||
| 反照率 | 0.22（几何）[4] | ||||||||
| |||||||||
| 视星等 | 5.65 （冲）[5] | ||||||||
| 大气特征 | |||||||||
| 表面气压 | 7.5 × 10−12巴[6] | ||||||||
| 成分 | ~4 × 108 cm−3 二氧化碳[6] 至2 × 1010 cm−3 氧[7] | ||||||||
木卫四由近乎等量的岩石和水所构成，平均密度约为1.83公克/公分3。天文学家通过光谱测定得知木卫四表面物质包括冰、二氧化碳、硅酸盐和各种有机物。伽利略号的探测结果显示木卫四内部可能存在一个较小的硅酸盐内核，同时在其表面下100公里处可能有一个液态水构成的地下海洋存在。[11][12]
木卫四表面曾经遭受过猛烈撞击，其地质年龄十分古老。由于木卫四上没有任何板块运动、地震或火山喷发等地质活动存在的证据，故天文学家认为其地质特征主要是陨石撞击所造成的。[13]木卫四主要的地质特征包括多环结构、各种形态的撞击坑、撞击坑链、悬崖、山脊与沉积地形。[13]在天文学家仔细考察后，发现该卫星表面地形多变，包括位于抬升地形顶部、面积较小且明亮的冰体沉积物及环绕其四周、边缘较平缓的地区（由较黑暗的物质来构成）[4]。天文学家认为这种地形是小型地质构造升华所导致的，小型撞击坑普遍消失，许多疙瘩地形是遗留下来的痕迹[14]，该地形的确切年龄还未确定。
木卫四上存在一层非常稀薄的大气，主要由二氧化碳[6]构成，成分可能还包括氧气[7]，此外木卫四还有一个活动剧烈的电离层。[15]科学家们认为木卫四是因木星四周气体和尘埃圆盘的吸积作用而缓慢形成的。[16]由于木卫四形成过程缓慢且缺乏潮汐热效应，所以内部结构并未经历快速的分化。木卫四内部的热对流在形成后不久就已经开始，这种对流导致内部结构的部分分化，位于地表100至150公里深处的地下海洋与一个比较小的岩质内核可能因此形成。[17]
由于木卫四上可能有冰下海洋存在，所以该卫星上也可能有生物生存，不过该星地热能较少，故概率要小于邻近的另一颗卫星木卫二。[18]多艘空间探测器都曾对该卫星进行过探测，包括先驱者10号、先驱者11号、伽利略号和卡西尼号。长久以来，人们都认为木卫四是设置进一步探索木星系统基地的最佳地点。[19]
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意大利天文学家伽利略在1610年1月发现了木卫四和其他三颗木星大卫星（木卫一、木卫二和木卫三）。[1]木卫四的名称来自希腊神话中宙斯的爱人之一卡利斯托，她是一位与月亮女神阿尔忒弥斯关系密切的宁芙（有时也被认为是吕卡翁的女儿）。[20]西门·马里乌斯在该星被发现后不久提出该名称[21]，马里乌斯则认为这是约翰内斯·开普勒的建议。[20]然而天文学家在很长时间内都不欢迎这个名称，直到20世纪中期才广泛采用。很多早期的天文学文献中均以罗马数字来称呼这颗卫星（该体系由伽利略所提出），即称为木卫四（Jupiter IV）或“朱庇特的第四颗卫星”（the fourth satellite of Jupiter）。[22]
木卫四是距离木星最远的伽利略卫星，约为188万公里[2]（是木星直径的26.3倍），比木卫三的轨道半径（107万公里）还要远得多。由于木卫四轨道半径较大，所以目前不处于轨道共振状态，很可能永远也不会达到这种情况。[9]
木卫四和大部分的卫星一样，都是一颗同步自转卫星[3]，表示该卫星的自转周期等于公转周期（约为16.7个地球日）。木卫四轨道离心率很小，轨道倾角也很小，接近木星赤道，同时太阳与木星引力摄动对于轨道离心率和倾角会出现数百年的周期函数现象，变化范围分别为0.0072－0.0076和0.20－0.60°。[9]这种轨道变化使转轴倾角变化幅度介于0.4－1.6°之间。[23]
木卫四没有轨道共振现象，意味着它永远都不会产生明显的潮汐热效应，而潮汐热效应是星体内部结构分化和发育的重要动力。[24]由于它距离木星较远，所以表面来自木星磁场的带电粒子流比较弱，比木卫二表面的带电粒子流弱了300倍。木卫四表面的带电粒子光渗效应弱于其他几颗伽利略卫星[10]。木卫四表面的辐射剂量约为每天0.01仑目[25]。
木卫四的平均密度为1.83公克/公分3[3]，表明它是由近乎等量的岩石和水冰所构成的，此外可能还存在某些不稳定的冰物质（例如氨冰）[11]，冰的比重介于49－55%之间。[11][17] 木卫四岩石的确切构成还不为人知，但是很可能接近于L型或LL型普通球粒陨石，这两类陨石较之H球粒陨石，所含的全铁和金属铁较少，而铁氧化物较多。铁和硅的丰度比率在木卫四上为0.9：1.3，而太阳则为1.8。[11]
木卫四表面的反照率为20%，[4]天文学家推测其表面物质构成与整体物质构成大致相同。科学家利用近红外分光术在1.04、1.25、1.5、2.0和3.0微米波长段发现了强烈的水冰吸收带。[4]冰普遍存在于木卫四表面，比重介于25－50%之间。[12]天文学家对伽利略号和地基观测站拍摄的高分辨率近红外光谱及紫外线光谱照片进行分析后，发现了多种非水溶性物质，例如含镁与铁的水合硅酸盐[4]、二氧化碳[27]、二氧化硫[28]，可能还包括氨和多种有机化合物。[4][12]光谱分析的数据显示即使在很小的区域内，该天体表面的物质构成也极度复杂。冰构成的小面积、明亮斑块与岩石、冰混合物构成的斑块互相混杂，而广大的黑暗区域则由非冰物质所构成。[4][13]
木卫四的表面并不对称：同轨道方向的半球比逆轨道方向的半球还要阴暗，跟其他伽利略卫星正好相反。[4] 此外其逆轨道方向的半球似乎富含二氧化碳，而同轨道方向的半球则含有较多的二氧化硫。[29] 木卫四上许多较年轻的撞击坑都含有较丰富的二氧化碳。[29] 总而言之，木卫四表面的物质构成十分接近于D-型小行星，特别是黑暗区域的物质构成[13]。D型小行星的表面是由碳基物质构成。
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在木卫四遭受过猛烈轰击的表面下，是一层厚度介于80至150公里间的寒冷、坚硬冰质岩石圈。[11][17]天文学家对包围木星及卫星的磁场进行的研究显示在木卫四地壳下50至200公里深处存在着一个咸水海洋[11][17]：科学家发现位于木星多变磁场中的木卫四就像一个理想的导电球体，磁场无法穿透到卫星的内核，意味着该天体存在着一层厚度至少达到10公里的高电导率液体。[30][31]该海洋中可能还含有少量的氨或其他防冻物质，比重达到了5%，所以阻止海洋冰冻。[17]在这种情况下，海洋的厚度将达到250－300公里。如果海洋不存在的话，其冰质岩石圈预计将会更厚，可能达到300公里。
位于岩石圈和假设的海洋下的星体内部可能既不是质地均匀的整体也不是完全的分化型态。伽利略号的探测数据[3] （特别是在近距离飞掠中测定的无量纲转动惯量—其数值为0.3549±0.0042）表明其内部由压缩的岩石和冰所构成，由于物质的部分沉积，岩石比重随着深度而增加。[11][32]也就是说木卫四的内部结构只有部分分层，与木卫三完全不同[12][33]。星体的中心在该密度和转动惯量下，可能存在着一颗小型硅酸盐内核。这类内核的半径不可能超过600公里，而其密度可能介于3.1至3.6公克/公分3之间[3][11]。
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木卫四表面的地质年龄十分古老，它同时也是太阳系中遭受过最猛烈轰击的天体之一，[34]其撞击坑密度已经接近于饱和，任何新的撞击坑均可能覆盖于旧的撞击坑之上。木卫四表面的大型地质构造相对简单，没有大型的山脉、火山或其他内源性构造特征。[35]撞击坑、多环结构、裂缝、悬崖及沉积地形是天文学家在该星体表面发现为数不多的几种大型地质构造。[13][35]
木卫四表面分成数种不同的地质结构：撞击坑平原、亮平原、黑暗及明亮而平缓的平原以及多环机构和撞击坑组成的多类地形构造[13][35]。撞击坑平原覆盖了木卫四大部分的表面，是古老岩石圈的典型代表，其构成物质为冰和岩石的混合物。亮平原包含明亮的撞击坑（类似阿斯嘉特撞击坑的斑点状构造）、称为变馀结构的古老撞击坑残迹与多环结构的中心[13]，科学家们猜测这种地形是冰质撞击坑沉积所形成。明亮而平缓的平原覆盖的区域较小，常出现于瓦尔哈拉撞击坑和阿斯嘉特撞击坑的山脊和槽沟地带，撞击坑平原的孤立斑点地带也属于这种地形。天文学家最初认为这种地形的形成与内源性地质活动有关，但是伽利略号传回的高分辨率照片显示该平原地形其实与断裂、瘤状地形有关，并未出现任何曾被多次覆盖的迹象[13]。伽利略号的照片显示木卫四表面小块的阴暗平坦区域覆盖面积小于1万平方公里，被周围的地形所封闭，该地形可能是冰火山沉积构造[13]。这些比较明亮及平缓平原的地质年龄都比撞击坑平原稍小[13][36]。
木卫四表面的撞击坑直径从100米（这是探测照片的最大分辨率）至100公里以上不等，多环结构则未计算在内。[13]直径小于5公里的小型撞击坑有简单的碗型结构或平底结构。直径介于5－40公里间的撞击坑则有中央山峰存在。很多直径介于25－100公里的撞击坑其中央山峰为塌陷地形，例如庭德尔撞击坑（Tindr crater）。[13]而直径大于60公里的大型撞击坑的中央则可能存在着拱形结构，这可能是撞击事件发生之后的构造抬升作用造成的[13]。而少数明亮且直径大于100公里的撞击坑则拥有与众不同的拱形结构。这些撞击坑较之月球上的同类结构都很浅，可能是向多环机构转变的过渡地形[13]。
木卫四上最大的撞击地形是多环盆地，[13][35]其中有两个规模巨大，瓦尔哈拉撞击坑则是其中最大的一个，其明亮的中央地带直径达到了600公里，而环状结构则继续向外延展了1800公里。[37]第二大的多环结构是阿斯嘉特撞击坑，直径大约为1600公里。[37]多环结构产生的原因可能是撞击事件发生之后处在柔软或流动物质——如海洋之上的岩石圈产生的同心环状的断裂。撞击坑链则是一长串链状、呈直线分布于星体表面的撞击坑，它们可能是木卫四被过于接近木星而受到引力潮汐作用解体的天体撞击之后形成的，也可能是遭受小角度撞击后产生的。[13]前一种情况得到了苏梅克-列维9号彗星撞击事件的印证。
正如前文所提及的，木卫四上还存在着由纯冰构成的、反照率高达80%的斑块地形，其四周分布著较黑暗的物质[4]。伽利略号的高分辨率照片显示这些较明亮的斑块主要位于抬升地形上（例如撞击坑坑缘、悬崖、山脊和瘤状地形[4]），可能是一层薄霜体的沉积构造。比较黑暗的物质通常位于四周地势较低且较平坦的地带，例如撞击坑坑底和撞击坑之间的低洼地带，它们覆盖著原本的霜体沉积物，故该地区显得比较阴暗，形成直径达到5公里以上的暗斑[4]。
以几公里的尺度来说，木卫四比其他伽利略卫星的表面显现出更多的退化特征[4]。相较于木卫三的黑暗区域，木卫四的表面缺乏直径小于1公里的撞击坑，取而代之的是无处不在的小型瘤状地形和陷坑[4]。天文学家认为瘤状地形是撞击坑经历了迄今为止还不为人知的退化过程而形成的坑缘残迹[14]，这种退化很可能是冰缓慢升华造成的—当木卫四运行至日下点时，其向阳面的温度会达到165K以上，此时冰会出现升华现象[4]：基岩导致上面的脏冰分解，使得其中的水冰和其他易挥发物质升华。而残骸中的非冰质残余物则崩塌，从撞击坑坑缘的斜坡上坠落[14]。这种崩塌经常在撞击坑附近和内部出现，被称为“周边碎片”[4][13][14]。此外，有些撞击坑的坑缘被一些蜿蜒、类似峡谷的切口（它们被称为沟壑）所切割，这些沟壑看起来有点类似火星表面的峡谷[4]。在冰升华假说中，位于低洼地带的暗色物质被认为主要来自于撞击坑坑缘所形成的非冰质物质覆盖层，它覆盖了木卫四表面大部分的冰基岩。
天文学家借由各种地质构造覆盖的撞击坑密度，可以推断出它们的相对年龄：撞击坑分布密度越大，该地质构造相对年龄越大[38]。但是它们的绝对年龄却还无法确定，不过天文学家根据理论预测撞击坑平原的地质年龄长达45亿年，几乎可以追溯到太阳系的形成时期。多环结构和撞击坑的地质年龄则取决于其所在区域的撞击坑密度，估计年龄从10亿年到40亿年不等。[13][34]
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木卫四拥有一层非常稀薄的大气，主要由二氧化碳构成[6]。伽利略号的近红外测绘分光仪（Near Infrared Mapping Spectrometer，NIMS）在4.2微米波段勘查到该大气层的吸收特征，因而证实了它的存在。天文学家估计其表面压力为7.5 × 10−12巴，粒子密度为4×108公分−3。因为这层大气相当稀薄，其物质只需要四天就会逃逸殆尽，故一定有气体来源不断维持其含量，来源可能是冰质地壳中升华出来的干冰[6]，这种情况与木卫四表面明亮地区瘤状地形的冰升华形成假说相契合。
伽利略号在数次飞掠中首次发现木卫四的电离层[15]，其高电子密度为7－17 × 104公分−3，在密度上与大气中二氧化碳的光致电离作用效果不尽符合，因此有些天文学家预测该大气层的主要成分应该是氧气（含量为二氧化碳的10倍到100倍）[7]，但是目前尚未在大气层中探测到氧气的存在。天文学家根据哈伯太空望远镜观测结果计算出大气浓度上限，与电离层测量结果相符合，虽然缺乏观测资料[41]，同时哈伯太空望远镜也侦测到木卫四表面出现氧气凝结[42]。
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木卫四内部结构的部分分层（该结论由无量纲转动惯量数值推断而出）表明该星体从未被充分加热以使其冰质部分融解。[17]因此，其最可能的形成模型是低密度的木星次星云中的缓慢吸积过程。[16]这个持续时间甚久的吸积过程使得星体最终冷却，而无法保持在吸积过程、放射性元素衰变过程和星体收缩过程积聚的热量，从而阻断了冰体融化和快速分化过程。[16]其形成阶段所耗时间大约在10万年到1000万年之间。[16]
而之后木卫四的进一步演化则取决于放射性衰变的产热机制和靠近星体表面热传导的冷却机制之间的竞赛，以及星体内部到底是处于固态还是亚固态对流状态。[24]冰体的亚固态对流的具体运动状况是所有冰卫星模型中最大的不确定性因素。基于温度对冰体黏度的影响，当温度接近于冰体的熔点时，就会出现亚固态对流。[43]在亚固态对流中，冰体的运动速度十分缓慢，大约为1厘米/年，但是从长期来看，亚固态对流事实上是非常有效的冷却机制。[43]热量在木卫四寒冷而坚硬的表层（被称为“密封盖”）中并没有以对流形式来进行传导；在表层下的冰体中，热量以亚固态对流形式来进行传导。对木卫四来说，外部传导层是厚度约为100公里的寒冷且坚硬的岩石圈。它的存在解释了为何木卫四表面没有任何内源性构造活动的迹象。[43][44]而在木卫四内部，热对流可能是分层次的，因为在高压之下，冰体水会出现多种晶相，从星体表面的第一态冰到星体中心的第七态冰。[24]在早期，木卫四内部亚固态对流机制的运作阻止了冰体的大面积融化，而后者则会导致星体内部的分化，从而形成一个大型的岩石内核和冰质地幔。同时也由于对流作用的存在，冰体和岩石的部分分化持续了数十亿年之久，至今仍在缓慢进行中。[43]
现今解释木卫四形成的观点考虑到了在其表面之下可能存在着一个地下海洋，其形成与冰体的第一晶相的熔点异常有关——其熔点随着压力的增大而降低，当压力达到2070巴时，熔点可低至251K。[17]在所有的木卫四现实模型中，位于100-200公里深处地层的温度都十分接近，甚至是略微超过了这个异常的熔点。[24][43][44]而少量氨——比重约为1-2%——的存在则能够加大该深度液体存在的可能性，因为氨能够进一步降低冰体熔点。[17]
尽管木卫四及木卫三在很多方面都十分相似，但是前者的地质历史相对简单。在撞击事件与其他外力影响作用前，该星体的表面即已基本成型[13]。与拥有槽沟构造的邻近卫星木卫三相比，木卫四上甚少发现地质构造活动的迹象[12]。天文学家认为这种现象产生的原因可能是内部潮汐热、分层状态、地质活动相反所导致的，例如形成状态不同[45]、木卫三拥有较大的潮汐热[46]与木卫四在后期重轰炸期受到更多、更剧烈的撞击[47][48][49]。
这种相对简单的地质历史对于行星科学家来说意义十分重大，他们可将该星体作为一个很好的基本参考对象，用来对比其他更加复杂的星体。[12]
就如同木卫二和木卫三一样，也有人认为在木卫四表面之下的咸水海洋中可能存在着外星生命。[18]但是较之木卫二和木卫三来说，木卫四上的环境显得相对恶劣，主要是因为：缺乏可接触的岩石物质、来自星体内核的热通量较低。[18]科学家特伦斯·约翰森这样论述木卫四和其他伽利略卫星上生命存在可能性的问题：[50]
| “ | 构成生命的基本材料（我们称之为“前生命时期物质”）在许多太阳系天体中，例如彗星、小行星和冰卫星中含量都十分丰富。生物学家相信液态水和热量是支撑生命必不可少的，所以能够在另一个天体上发现液态水是十分令人振奋的。但是对于木卫四来说（至少在目前的阶段），热量是一个大问题，它上面的海洋主要依靠放射性元素衰变来加热，而距离木星较近的木卫二则能够靠著引力潮汐产生更多热量。 | ” |
先驱者10号和先驱者11号在1970年代曾先后接近木星，获取了少量关于木卫四的新信息[4]。真正的突破来自旅行者1号和旅行者2号在1979年至1980年间对它进行的研究。它们对木卫四一半以上的表面进行了拍摄（图像分辨率在1至2公里之间），同时还精确地测量了木卫四的表面温度、质量和大小。[4]第二波的考察在1994年至2003年间展开，伽利略号8次近距离飞掠木卫四，最后一次飞掠是在2001年。伽利略号最后一次飞掠木卫四时正位于C30轨道上，距离木卫四表面仅138公里。伽利略号完成对木卫四表面的全球测绘，并传回大量分辨率达到15米的特定地区照片。[13]2000年，卡西尼号在前往土星途中对包括木卫四在内的四颗伽利略卫星进行了高精度红外光谱探测。[27]2007年2月至3月，新视野号探测器在前往冥王星途中经过木卫四，对其进行拍摄和光谱分析。[53]欧洲太空总署计划的木星冰月探测器将于2022年发射[54]。天文学家正在规划几项近距离飞掠木卫四的探测计画[54]。
美国航空航天局和欧洲空间局合作的一项旨在探测木星卫星的计划—“木卫二－木星系统任务”原先预计于2020年发射。2009年2月，美国航空航天局和欧洲空间局确认该计划将优先于“土卫六－土星系统任务”执行。[55]但是欧洲空间局的计划资金仍然面临来自该局其他计划的竞争。[56]“木卫二－木星系统任务”包括美国航空航天局主持的“木星－木卫二轨道飞行器”和欧洲空间局主持的“木星－木卫三轨道飞行器”，可能还包括日本宇宙航空研究开发机构主持的“木星磁场探测器”。
中国国家航天局也分配了天问四号任务，用于环绕木卫四的探测，并携带一个撞击探测器用于撞击木卫四表面，计划于2029年9月发射，并最终2035年12月抵达木星。
2003年，美国航空航天局针对人类未来对外太阳系探索进行一项称为“人类外行星探索”（Human Outer Planets Exploration，HOPE）的概念性研究，且在详细审议下将目标认定是木卫四[19][57]。科学家认为有可能在木卫四表面建立一个基地，为更远的太阳系太空探索提供燃料。[52]
在木卫四上建立基地的好处在于它的辐射较低（木卫四离木星较远）及地质上的稳定性。同时它还能为天文学家进一步探索木卫二提供便利支持，也是人类在木星系中设置前往更遥远的外太阳系空间飞船的维修站的理想地点—在离开木卫四之后，飞船可以借由近距离飞掠木星获得重力助推[19]。美国航空航天局在2003年提出一个意见，尝试在2040年代进行载人木卫四探测任务[58]。
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