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木衛四又稱為「卡利斯多」（Callisto、發音： /kəˈlɪstoʊ/[8]、希臘文：Καλλιστώ），是圍繞木星運轉的一顆衛星，由伽利略在1610年首次發現。[1]木衛四是太陽系第三大衛星，也是木星第二大衛星，僅次於木衛三。木衛四的直徑為水星直徑的99%，但是質量只有它的三分之一。該衛星的軌道在四顆伽利略衛星中距離木星最遠，約為188萬公里。[2]木衛四並不像內層的三顆伽利略衛星（木衛一、木衛二和木衛三）那般處於軌道共振狀態，所以並不存在明顯的潮汐熱效應。[9]木衛四屬於同步自轉衛星，永遠以同一個面朝向木星。木衛四由於公轉軌道較遠，表面受到木星磁場的影響小於內層的衛星。[10]
 木衛四 | |||||||||
| 發現 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 發現者 | 伽利略·伽利萊 | ||||||||
| 發現日期 | 1610年1月7日[1] | ||||||||
| 編號 | |||||||||
| 其它名稱 | Jupiter IV | ||||||||
| 形容詞 | Callistoan, Callistonian | ||||||||
| 軌道參數 | |||||||||
| 近心點 | 1 869 000 公里 | ||||||||
| 遠心點 | 1 897 000 公里 | ||||||||
| 半長軸 | 1 882 700 公里[2] | ||||||||
| 離心率 | 0.007 4[2] | ||||||||
| 軌道週期 | 16.689 018 4 日[2] | ||||||||
| 平均軌道速度 | 8.204 公里/秒 | ||||||||
| 軌道傾角 | 0.192°（相對於拉普拉斯平面）[2] | ||||||||
| 隸屬天體 | 木星 | ||||||||
| 物理特徵 | |||||||||
| 平均半徑 | 2410.3 ± 1.5 公里（地球的0.378倍）[3] | ||||||||
| 表面積 | 7.30 × 107 公里2 （地球的0.143倍） | ||||||||
| 體積 | 5.9 × 1010 公里3 （地球的0.0541倍） | ||||||||
| 質量 | 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 | |||||||||
| 自轉週期 | 同步自轉[3] | ||||||||
| 轉軸傾角 | 0[3] | ||||||||
| 反照率 | 0.22（幾何）[4] | ||||||||
| |||||||||
| 視星等 | 5.65 （衝）[5] | ||||||||
| 大氣特徵 | |||||||||
| 表面氣壓 | 7.5 × 10−12巴[6] | ||||||||
| 成分 | ~4 × 108 cm−3 二氧化碳[6] 至2 × 1010 cm−3 氧[7] | ||||||||
木衛四由近乎等量的岩石和水所構成，平均密度約為1.83公克/公分3。天文學家透過光譜測定得知木衛四表面物質包括冰、二氧化碳、矽酸鹽和各種有機物。伽利略號的探測結果顯示木衛四內部可能存在一個較小的矽酸鹽內核，同時在其表面下100公里處可能有一個液態水構成的地下海洋存在。[11][12]
木衛四表面曾經遭受過猛烈撞擊，其地質年齡十分古老。由於木衛四上沒有任何板塊運動、地震或火山噴發等地質活動存在的證據，故天文學家認為其地質特徵主要是隕石撞擊所造成的。[13]木衛四主要的地質特徵包括多環結構、各種形態的撞擊坑、撞擊坑鏈、懸崖、山脊與沉積地形。[13]在天文學家仔細考察後，發現該衛星表面地形多變，包括位於抬升地形頂部、面積較小且明亮的冰體沉積物及環繞其四周、邊緣較平緩的地區（由較黑暗的物質來構成）[4]。天文學家認為這種地形是小型地質構造昇華所導致的，小型撞擊坑普遍消失，許多疙瘩地形是遺留下來的痕跡[14]，該地形的確切年齡還未確定。
木衛四上存在一層非常稀薄的大氣，主要由二氧化碳[6]構成，成分可能還包括氧氣[7]，此外木衛四還有一個活動劇烈的電離層。[15]科學家們認為木衛四是因木星四周氣體和塵埃圓盤的吸積作用而緩慢形成的。[16]由於木衛四形成過程緩慢且缺乏潮汐熱效應，所以內部結構並未經歷快速的分化。木衛四內部的熱對流在形成後不久就已經開始，這種對流導致內部結構的部分分化，位於地表100至150公里深處的地下海洋與一個比較小的岩質內核可能因此形成。[17]
由於木衛四上可能有冰下海洋存在，所以該衛星上也可能有生物生存，不過該星地熱能較少，故概率要小於鄰近的另一顆衛星木衛二。[18]多艘太空探測器都曾對該衛星進行過探測，包括先鋒10號、先鋒11號、伽利略號和卡西尼號。長久以來，人們都認為木衛四是設置進一步探索木星系統基地的最佳地點。[19]
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義大利天文學家伽利略在1610年1月發現了木衛四和其他三顆木星大衛星（木衛一、木衛二和木衛三）。[1]木衛四的名稱來自希臘神話中宙斯的愛人之一卡利斯多，她是一位與月亮女神阿提米絲關係密切的寧芙（有時也被認為是呂卡翁的女兒）。[20]西門·馬里烏斯在該星被發現後不久提出該名稱[21]，馬里烏斯則認為這是約翰內斯·克卜勒的建議。[20]然而天文學家在很長時間內都不歡迎這個名稱，直到20世紀中期才廣泛採用。很多早期的天文學文獻中均以羅馬數字來稱呼這顆衛星（該體系由伽利略所提出），即稱為木衛四（Jupiter IV）或「朱庇特的第四顆衛星」（the fourth satellite of Jupiter）。[22]
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木衛四是距離木星最遠的伽利略衛星，約為188萬公里[2]（是木星直徑的26.3倍），比木衛三的軌道半徑（107萬公里）還要遠得多。由於木衛四軌道半徑較大，所以目前不處於軌道共振狀態，很可能永遠也不會達到這種情況。[9]
木衛四和大部分的衛星一樣，都是一顆同步自轉衛星[3]，表示該衛星的自轉週期等於公轉週期（約為16.7個地球日）。木衛四軌道離心率很小，軌道傾角也很小，接近木星赤道，同時太陽與木星引力攝動對於軌道離心率和傾角會出現數百年的週期函數現象，變化範圍分別為0.0072－0.0076和0.20－0.60°。[9]這種軌道變化使轉軸傾角變化幅度介於0.4－1.6°之間。[23]
木衛四沒有軌道共振現象，意味著它永遠都不會產生明顯的潮汐熱效應，而潮汐熱效應是星體內部結構分化和發育的重要動力。[24]由於它距離木星較遠，所以表面來自木星磁場的帶電粒子流比較弱，比木衛二表面的帶電粒子流弱了300倍。木衛四表面的帶電粒子光滲效應弱於其他幾顆伽利略衛星[10]。木衛四表面的輻射劑量約為每天0.01侖目[25]。
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木衛四的平均密度為1.83公克/公分3[3]，表明它是由近乎等量的岩石和水冰所構成的，此外可能還存在某些不穩定的冰物質（例如氨冰）[11]，冰的比重介於49－55%之間。[11][17] 木衛四岩石的確切構成還不為人知，但是很可能接近於L型或LL型普通球粒隕石，這兩類隕石較之H球粒隕石，所含的全鐵和金屬鐵較少，而鐵氧化物較多。鐵和矽的豐度比率在木衛四上為0.9：1.3，而太陽則為1.8。[11]
木衛四表面的反照率為20%，[4]天文學家推測其表面物質構成與整體物質構成大致相同。科學家利用近紅外分光術在1.04、1.25、1.5、2.0和3.0微米波長段發現了強烈的水冰吸收帶。[4]冰普遍存在於木衛四表面，比重介於25－50%之間。[12]天文學家對伽利略號和地基觀測站拍攝的高解析度近紅外光譜及紫外線光譜照片進行分析後，發現了多種非水溶性物質，例如含鎂與鐵的水合矽酸鹽[4]、二氧化碳[27]、二氧化硫[28]，可能還包括氨和多種有機化合物。[4][12]光譜分析的數據顯示即使在很小的區域內，該天體表面的物質構成也極度複雜。冰構成的小面積、明亮斑塊與岩石、冰混合物構成的斑塊互相混雜，而廣大的黑暗區域則由非冰物質所構成。[4][13]
木衛四的表面並不對稱：同軌道方向的半球比逆軌道方向的半球還要陰暗，跟其他伽利略衛星正好相反。[4] 此外其逆軌道方向的半球似乎富含二氧化碳，而同軌道方向的半球則含有較多的二氧化硫。[29] 木衛四上許多較年輕的撞擊坑都含有較豐富的二氧化碳。[29] 總而言之，木衛四表面的物質構成十分接近於D-型小行星，特別是黑暗區域的物質構成[13]。D型小行星的表面是由碳基物質構成。
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在木衛四遭受過猛烈轟擊的表面下，是一層厚度介於80至150公裡間的寒冷、堅硬冰質岩石圈。[11][17]天文學家對包圍木星及衛星的磁場進行的研究顯示在木衛四地殼下50至200公里深處存在著一個鹹水海洋[11][17]：科學家發現位於木星多變磁場中的木衛四就像一個理想的導電球體，磁場無法穿透到衛星的內核，意味著該天體存在著一層厚度至少達到10公里的高電導率液體。[30][31]該海洋中可能還含有少量的氨或其他防凍物質，比重達到了5%，所以阻止海洋冰凍。[17]在這種情況下，海洋的厚度將達到250－300公里。如果海洋不存在的話，其冰質岩石圈預計將會更厚，可能達到300公里。
位於岩石圈和假設的海洋下的星體內部可能既不是質地均勻的整體也不是完全的分化型態。伽利略號的探測數據[3] （特別是在近距離飛掠中測定的無量綱轉動慣量—其數值為0.3549±0.0042）表明其內部由壓縮的岩石和冰所構成，由於物質的部分沉積，岩石比重隨著深度而增加。[11][32]也就是說木衛四的內部結構只有部分分層，與木衛三完全不同[12][33]。星體的中心在該密度和轉動慣量下，可能存在著一顆小型矽酸鹽內核。這類內核的半徑不可能超過600公里，而其密度可能介於3.1至3.6公克/公分3之間[3][11]。
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木衛四表面的地質年齡十分古老，它同時也是太陽系中遭受過最猛烈轟擊的天體之一，[34]其撞擊坑密度已經接近於飽和，任何新的撞擊坑均可能覆蓋於舊的撞擊坑之上。木衛四表面的大型地質構造相對簡單，沒有大型的山脈、火山或其他內源性構造特徵。[35]撞擊坑、多環結構、裂縫、懸崖及沉積地形是天文學家在該星體表面發現為數不多的幾種大型地質構造。[13][35]
木衛四表面分成數種不同的地質結構：撞擊坑平原、亮平原、黑暗及明亮而平緩的平原以及多環機構和撞擊坑組成的多類地形構造[13][35]。撞擊坑平原覆蓋了木衛四大部分的表面，是古老岩石圈的典型代表，其構成物質為冰和岩石的混合物。亮平原包含明亮的撞擊坑（類似阿斯嘉特撞擊坑的斑點狀構造）、稱為變餘結構的古老撞擊坑殘跡與多環結構的中心[13]，科學家們猜測這種地形是冰質撞擊坑沉積所形成。明亮而平緩的平原覆蓋的區域較小，常出現於瓦爾哈拉撞擊坑和阿斯嘉特撞擊坑的山脊和槽溝地帶，撞擊坑平原的孤立斑點地帶也屬於這種地形。天文學家最初認為這種地形的形成與內源性地質活動有關，但是伽利略號傳回的高解析度照片顯示該平原地形其實與斷裂、瘤狀地形有關，並未出現任何曾被多次覆蓋的跡象[13]。伽利略號的照片顯示木衛四表面小塊的陰暗平坦區域覆蓋面積小於1萬平方公里，被周圍的地形所封閉，該地形可能是冰火山沉積構造[13]。這些比較明亮及平緩平原的地質年齡都比撞擊坑平原稍小[13][36]。
木衛四表面的撞擊坑直徑從100公尺（這是探測照片的最大解析度）至100公里以上不等，多環結構則未計算在內。[13]直徑小於5公里的小型撞擊坑有簡單的碗型結構或平底結構。直徑介於5－40公裡間的撞擊坑則有中央山峰存在。很多直徑介於25－100公里的撞擊坑其中央山峰為塌陷地形，例如庭德爾撞擊坑（Tindr crater）。[13]而直徑大於60公里的大型撞擊坑的中央則可能存在著拱形結構，這可能是撞擊事件發生之後的構造抬升作用造成的[13]。而少數明亮且直徑大於100公里的撞擊坑則擁有與眾不同的拱形結構。這些撞擊坑較之月球上的同類結構都很淺，可能是向多環機構轉變的過渡地形[13]。
木衛四上最大的撞擊地形是多環盆地，[13][35]其中有兩個規模巨大，瓦爾哈拉撞擊坑則是其中最大的一個，其明亮的中央地帶直徑達到了600公里，而環狀結構則繼續向外延展了1800公里。[37]第二大的多環結構是阿斯嘉特撞擊坑，直徑大約為1600公里。[37]多環結構產生的原因可能是撞擊事件發生之後處在柔軟或流動物質——如海洋之上的岩石圈產生的同心環狀的斷裂。撞擊坑鏈則是一長串鏈狀、呈直線分布於星體表面的撞擊坑，它們可能是木衛四被過於接近木星而受到引力潮汐作用解體的天體撞擊之後形成的，也可能是遭受小角度撞擊後產生的。[13]前一種情況得到了蘇梅克-列維9號彗星撞擊事件的印證。
正如前文所提及的，木衛四上還存在著由純冰構成的、反照率高達80%的斑塊地形，其四周分布著較黑暗的物質[4]。伽利略號的高解析度照片顯示這些較明亮的斑塊主要位於抬升地形上（例如撞擊坑坑緣、懸崖、山脊和瘤狀地形[4]），可能是一層薄霜體的沉積構造。比較黑暗的物質通常位於四周地勢較低且較平坦的地帶，例如撞擊坑坑底和撞擊坑之間的低洼地帶，它們覆蓋著原本的霜體沉積物，故該地區顯得比較陰暗，形成直徑達到5公里以上的暗斑[4]。
以幾公里的尺度來說，木衛四比其他伽利略衛星的表面顯現出更多的退化特徵[4]。相較於木衛三的黑暗區域，木衛四的表面缺乏直徑小於1公里的撞擊坑，取而代之的是無處不在的小型瘤狀地形和陷坑[4]。天文學家認為瘤狀地形是撞擊坑經歷了迄今為止還不為人知的退化過程而形成的坑緣殘跡[14]，這種退化很可能是冰緩慢升華造成的—當木衛四運行至日下點時，其向陽面的溫度會達到165K以上，此時冰會出現升華現象[4]：基岩導致上面的髒冰分解，使得其中的水冰和其他易揮發物質升華。而殘骸中的非冰質殘餘物則崩塌，從撞擊坑坑緣的斜坡上墜落[14]。這種崩塌經常在撞擊坑附近和內部出現，被稱為「周邊碎片」[4][13][14]。此外，有些撞擊坑的坑緣被一些蜿蜒、類似峽谷的切口（它們被稱為溝壑）所切割，這些溝壑看起來有點類似火星表面的峽谷[4]。在冰升華假說中，位於低洼地帶的暗色物質被認為主要來自於撞擊坑坑緣所形成的非冰質物質覆蓋層，它覆蓋了木衛四表面大部分的冰基岩。
天文學家藉由各種地質構造覆蓋的撞擊坑密度，可以推斷出它們的相對年齡：撞擊坑分布密度越大，該地質構造相對年齡越大[38]。但是它們的絕對年齡卻還無法確定，不過天文學家根據理論預測撞擊坑平原的地質年齡長達45億年，幾乎可以追溯到太陽系的形成時期。多環結構和撞擊坑的地質年齡則取決於其所在區域的撞擊坑密度，估計年齡從10億年到40億年不等。[13][34]
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木衛四擁有一層非常稀薄的大氣，主要由二氧化碳構成[6]。伽利略號的近紅外測繪分光儀（Near Infrared Mapping Spectrometer，NIMS）在4.2微米波段勘查到該大氣層的吸收特徵，因而證實了它的存在。天文學家估計其表面壓力為7.5 × 10−12巴，粒子密度為4×108公分−3。因為這層大氣相當稀薄，其物質只需要四天就會逃逸殆盡，故一定有氣體來源不斷維持其含量，來源可能是冰質地殼中升華出來的乾冰[6]，這種情況與木衛四表面明亮地區瘤狀地形的冰升華形成假說相契合。
伽利略號在數次飛掠中首次發現木衛四的電離層[15]，其高電子密度為7－17 × 104公分−3，在密度上與大氣中二氧化碳的光致電離作用效果不盡符合，因此有些天文學家預測該大氣層的主要成分應該是氧氣（含量為二氧化碳的10倍到100倍）[7]，但是目前尚未在大氣層中探測到氧氣的存在。天文學家根據哈伯太空望遠鏡觀測結果計算出大氣濃度上限，與電離層測量結果相符合，雖然缺乏觀測資料[41]，同時哈伯太空望遠鏡也偵測到木衛四表面出現氧氣凝結[42]。
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木衛四內部結構的部分分層（該結論由無量綱轉動慣量數值推斷而出）表明該星體從未被充分加熱以使其冰質部分融解。[17]因此，其最可能的形成模型是低密度的木星次星雲中的緩慢吸積過程。[16]這個持續時間甚久的吸積過程使得星體最終冷卻，而無法保持在吸積過程、放射性元素衰變過程和星體收縮過程積聚的熱量，從而阻斷了冰體融化和快速分化過程。[16]其形成階段所耗時間大約在10萬年到1000萬年之間。[16]
而之後木衛四的進一步演化則取決於放射性衰變的產熱機制和靠近星體表面熱傳導的冷卻機制之間的競賽，以及星體內部到底是處於固態還是亞固態對流狀態。[24]冰體的亞固態對流的具體運動狀況是所有冰衛星模型中最大的不確定性因素。基於溫度對冰體黏度的影響，當溫度接近於冰體的熔點時，就會出現亞固態對流。[43]在亞固態對流中，冰體的運動速度十分緩慢，大約為1公分/年，但是從長期來看，亞固態對流事實上是非常有效的冷卻機制。[43]熱量在木衛四寒冷而堅硬的表層（被稱為「密封蓋」）中並沒有以對流形式來進行傳導；在表層下的冰體中，熱量以亞固態對流形式來進行傳導。對木衛四來說，外部傳導層是厚度約為100公里的寒冷且堅硬的岩石圈。它的存在解釋了為何木衛四表面沒有任何內源性構造活動的跡象。[43][44]而在木衛四內部，熱對流可能是分層次的，因為在高壓之下，冰體水會出現多種晶相，從星體表面的第一態冰到星體中心的第七態冰。[24]在早期，木衛四內部亞固態對流機制的運作阻止了冰體的大面積融化，而後者則會導致星體內部的分化，從而形成一個大型的岩石內核和冰質地函。同時也由於對流作用的存在，冰體和岩石的部分分化持續了數十億年之久，至今仍在緩慢進行中。[43]
現今解釋木衛四形成的觀點考慮到了在其表面之下可能存在著一個地下海洋，其形成與冰體的第一晶相的熔點異常有關——其熔點隨著壓力的增大而降低，當壓力達到2070巴時，熔點可低至251K。[17]在所有的木衛四現實模型中，位於100-200公里深處地層的溫度都十分接近，甚至是略微超過了這個異常的熔點。[24][43][44]而少量氨——比重約為1-2%——的存在則能夠加大該深度液體存在的可能性，因為氨能夠進一步降低冰體熔點。[17]
儘管木衛四及木衛三在很多方面都十分相似，但是前者的地質歷史相對簡單。在撞擊事件與其他外力影響作用前，該星體的表面即已基本成型[13]。與擁有槽溝構造的鄰近衛星木衛三相比，木衛四上甚少發現地質構造活動的跡象[12]。天文學家認為這種現象產生的原因可能是內部潮汐熱、分層狀態、地質活動相反所導致的，例如形成狀態不同[45]、木衛三擁有較大的潮汐熱[46]與木衛四在後期重轟炸期受到更多、更劇烈的撞擊[47][48][49]。
這種相對簡單的地質歷史對於行星科學家來說意義十分重大，他們可將該星體作為一個很好的基本參考對象，用來對比其他更加複雜的星體。[12]
就如同木衛二和木衛三一樣，也有人認為在木衛四表面之下的鹹水海洋中可能存在著外星生命。[18]但是較之木衛二和木衛三來說，木衛四上的環境顯得相對惡劣，主要是因為：缺乏可接觸的岩石物質、來自星體內核的熱通量較低。[18]科學家特倫斯·約翰森這樣論述木衛四和其他伽利略衛星上生命存在可能性的問題：[50]
| “ | 構成生命的基本材料（我們稱之為「前生命時期物質」）在許多太陽系天體中，例如彗星、小行星和冰衛星中含量都十分豐富。生物學家相信液態水和熱量是支撐生命必不可少的，所以能夠在另一個天體上發現液態水是十分令人振奮的。但是對於木衛四來說（至少在目前的階段），熱量是一個大問題，它上面的海洋主要依靠放射性元素衰變來加熱，而距離木星較近的木衛二則能夠靠著引力潮汐產生更多熱量。 | ” |
先鋒10號和先鋒11號在1970年代曾先後接近木星，獲取了少量關於木衛四的新資訊[4]。真正的突破來自航海家1號和航海家2號在1979年至1980年間對它進行的研究。它們對木衛四一半以上的表面進行了拍攝（圖像解析度在1至2公里之間），同時還精確地測量了木衛四的表面溫度、質量和大小。[4]第二波的考察在1994年至2003年間展開，伽利略號8次近距離飛掠木衛四，最後一次飛掠是在2001年。伽利略號最後一次飛掠木衛四時正位於C30軌道上，距離木衛四表面僅138公里。伽利略號完成對木衛四表面的全球測繪，並傳回大量解析度達到15公尺的特定地區照片。[13]2000年，卡西尼號在前往土星途中對包括木衛四在內的四顆伽利略衛星進行了高精度紅外光譜探測。[27]2007年2月至3月，新視野號探測器在前往冥王星途中經過木衛四，對其進行拍攝和光譜分析。[53]歐洲太空總署計畫的木星冰月探測器將於2022年發射[54]。天文學家正在規劃幾項近距離飛掠木衛四的探測計畫[54]。
美國太空總署和歐洲太空總署合作的一項旨在探測木星衛星的計畫—「木衛二－木星系統任務」原先預計於2020年發射。2009年2月，美國太空總署和歐洲太空總署確認該計畫將優先於「土衛六－土星系統任務」執行。[55]但是歐洲太空總署的計畫資金仍然面臨來自該局其他計畫的競爭。[56]「木衛二－木星系統任務」包括美國太空總署主持的「木星－木衛二軌道飛行器」和歐洲太空總署主持的「木星－木衛三軌道飛行器」，可能還包括日本宇宙航空研究開發機構主持的「木星磁場探測器」。
中國國家航天局也分配了天問四號任務，用於環繞木衛四的探測，並攜帶一個撞擊探測器用於撞擊木衛四表面，計畫於2029年9月發射，並最終2035年12月抵達木星。
2003年，美國太空總署針對人類未來對外太陽系探索進行一項稱為「人類外行星探索」（Human Outer Planets Exploration，HOPE）的概念性研究，且在詳細審議下將目標認定是木衛四[19][57]。科學家認為有可能在木衛四表面建立一個基地，為更遠的太陽系太空探索提供燃料。[52]
在木衛四上建立基地的好處在於它的輻射較低（木衛四離木星較遠）及地質上的穩定性。同時它還能為天文學家進一步探索木衛二提供便利支持，也是人類在木星系中設置前往更遙遠的外太陽系空間飛船的維修站的理想地點—在離開木衛四之後，飛船可以藉由近距離飛掠木星獲得重力助推[19]。美國太空總署在2003年提出一個意見，嘗試在2040年代進行載人木衛四探測任務[58]。
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