作为一颗新生的行星，从木星最大卫星的角度来看，年轻的木星在天空中发出耀眼的光芒，甚至超过了今天的太阳。这种早期的光辉——以及即将到来的多次太空探测器访问——可能有助于解开一个关于这些卫星成分的40年谜团。
几十年来，科学家们一直努力理解木星四颗伽利略卫星奇怪的密度差异——这些卫星从离行星最近到最远依次是木卫一、木卫二、木卫三和木卫四。尽管这些天然卫星应该由相同的物质原料形成，因此具有相似的成分，但密度测量表明，木卫四和木卫三比木卫二更冰冷，而木卫一则完全没有冰。亚利桑那州立大学的行星科学家卡弗·比尔森上个月在一次会议上透露的最新研究可能为这个问题提供一些线索。
巨行星通过聚集和压缩大量的气体和尘埃而形成。这个过程释放出大量的多余能量，并赋予新生巨行星字面意义上的年轻光芒，这种光芒可以持续数百万年。这不仅仅是一个理论：天文学家经常利用这种光芒来成像年轻的巨型系外行星，否则这些行星将会在附近恒星的眩光中消失。但是，这种光芒如何影响伴随卫星的，这个不太引人注目的问题仍然很少被研究。在木星的例子中，比尔森及其同事的计算机模型表明，木星早期的光辉会照亮其新生的卫星，并在数百万年内煮沸它们的大部分水。
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“这给人们提供了一个全新的思考过程，”加州大学圣克鲁兹分校研究冰卫星的弗朗西斯·尼莫说，他没有参与这项研究。
四颗卫星，一个起源
自首次获得卫星的高质量密度测量结果以来，四颗伽利略卫星的不同成分已经困扰了研究人员数十年。木卫一被困在木星的辐射带内，并受到木星强大潮汐力的内部加热，潮汐力像揉面团一样揉捏卫星的内脏，木卫一是一个完全没有冰、火山活动异常活跃的世界。稍微远一点的木卫二也处于木星辐射和潮汐的控制之下。但是，适度程度的内部加热赋予了这颗卫星一个地下海洋和一个冰壳，而不是喷射熔岩的火山口。木卫三和木卫四都相对惰性、富含冰，并且比木卫一和木卫二离木星更远。
尽管木星引力控制的变化显然解释了卫星之间的一些差异，但行星科学家仍然努力理解这些天体如何共享共同的起源，却又彼此之间如此截然不同。类似于行星如何从围绕新生原恒星旋转的原行星气体和尘埃盘中出现，大型卫星可能从小型的迷你盘中形成，这些迷你盘在新生的气体巨行星世界周围产生。目前的想法要求木星在太阳系生命最初的1000万年内，在来自逐渐变亮的太阳的光和恒星风吹走原行星盘中的所有气体之前，非常迅速地获得其大部分体积。
相对紧迫的时间线意味着木星必须贪婪地、快速地吸收气体才能达到目前的体积，这将导致它升温并发光，温度估计高达华氏1160度（摄氏627度）。对于可能与木星本身同时形成的伽利略卫星来说，这颗行星会在天空中像恒星一样闪耀，并压倒来自更遥远太阳的光。通过仔细模拟木星增强的光度对伽利略卫星的影响，比尔森及其同事发现，这种光线的涌入可以巧妙地解决卫星当前成分差异之谜。
一张合成图像，显示了木星的四颗最大卫星，按距离气体巨行星由近及远排列。从左到右：木卫一最近，其次是木卫二，然后是木卫三，最后是木卫四。图片来源：Universal History Archive/Universal Images Group via Getty Images
温暖的新鲜出炉的卫星
木卫一今天被木星的引力撕裂，是一个火山爆发的炼狱景观，也是太阳系中最活跃的天体。但是，该团队发现，木星年轻的光芒最初可能使木卫一具有类似地球的温度——甚至可能存在海洋。“我认为，在木卫一形成时或刚形成后，地表很可能存在一些水，”比尔森说。
这种情况会很快改变，因为根据比尔森的说法，木卫一从木星接收到的能量大约是今天从太阳接收到的能量的30倍。如果木卫一最初的水量与它的兄弟卫星木卫三目前包含的水量一样多，那么所有的水分都会很快被剥离，任何海洋的痕迹都会在卫星存在的最初一百万年内沸腾消失。
木卫二比木卫一更远，它的表面条件会稍微凉爽一些——尽管可能仍然足够热，以至于这颗卫星失去了很大一部分水。在更远的木卫三，木星看起来几乎与今天的太阳一样明亮——这种水平的日照对卫星的冰没有显着影响。对于被限制在木星系统外围的木卫四来说，木星闪耀的青春期不会产生任何影响。（所有这些都假设卫星处于目前的轨道位置。然而，它们可能在迁移到目前的位置之前形成得更近，这意味着这项研究的结果可能只是对每颗卫星被木星烘烤程度的下限估计。）
“这个假设的好处是，你可以应用一些测试，”尼莫说。
一次 JUICE-y 的提议
如果木卫二在其生命周期中失去了大部分冰，而不是形成时冰量就比其兄弟卫星少，那么留下的氢和氧的同位素指纹将与木卫三和木卫四上的冰的同位素指纹不同。因此，将木卫二与一颗或两颗最外层的卫星进行同位素比较，最终可以揭示这些卫星如何从共同起源中分离出来的真相。“你对卫星化学成分进行的比较越多[卫星化学成分之间]，你就越能理解事物在最早时期是如何演变的，”比尔森说。
考虑到欧洲航天局的最近发射的木星冰卫星探测器（JUICE）任务，这是一个相当 JUICE-y 的提议。在 2031 年至 2034 年之间，JUICE 将对木卫二、木卫四和木卫三进行 35 次飞越，然后进入绕木卫三的轨道运行。这次延长的巡视可能会在很大程度上确定所有伽利略卫星是否都诞生时都具有相同的冰量。尼莫说，JUICE 携带的质谱仪可以对可能从卫星（尤其是木卫三）散发到太空中的氢气和水蒸气进行重要测量。
“问题是木卫三是否向 JUICE 可以采样的海拔高度提供足够的物质，”尼莫说。他仍然乐观地认为会这样。
即使 JUICE 的研究无法破解这个案例，它也不会是唯一一个在木星系统周围徘徊的卫星探测航天器。NASA 的朱诺号任务已经在绕气体巨行星运行，而美国宇航局的欧罗巴快帆任务计划于明年发射，前往该任务同名卫星。快帆号的数据应该为 JUICE 对木卫二冰层的看法提供强有力的比较，这将足以推断并区分欧洲航天器在木卫三以及可能的木卫四上看到的情况。
“卫星之间的比较将极其重要，”比尔森说。“令人兴奋的是，我们将同时拥有 JUICE 和欧罗巴快帆号在那里，而且可能会略有重叠。”