木星的四颗最大卫星可能共同作用以维持其地下海洋。长期以来，人们认为这些海洋是由于木星的引力牵引导致地壳弯曲产生的热量而形成的，但它们的存在也可能归功于卫星之间引力相互作用产生的巨大地下潮汐波。测量这些潮汐可以为了解这些月球深渊的深度提供见解——这些环境可能为在我们的太阳系中寻找外星生命提供最佳机会。
对木星伽利略卫星——欧罗巴、卡利斯托、盖尼米德和木卫一——的观测长期以来暗示了地下液态层的存在。据认为，其中三颗卫星拥有富含水的地幔，而木卫一可能反而拥有驱动其极端火山活动的岩浆海洋。随着卫星绕行星运转，行星对其内部的引力牵引以及放射性元素缓慢衰变产生的热量，使液态物质保持液态，没有凝固。
较少人关注卫星之间如何相互拉扯。宇宙中的所有物体都会产生与其质量成正比的引力牵引，并且引力会随着距离而减弱。例如，木星对地球有引力，但由于距离太远，这种影响可以忽略不计。由于伽利略卫星体积很小，它们之间相互的引力长期以来也被认为无关紧要。
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当时还是亚利桑那大学研究生的哈米什·海伊在从事一个涉及系外行星潮汐引力的副项目时，他开始更多地思考海洋层如何改变这种等式。海伊现在是 NASA 喷气推进实验室的研究员，他决定研究富含海洋的伽利略卫星的潮汐。
令他惊讶的是，他发现当天然卫星的轨道恰好对齐时，它们相对较小的引力可能会被其海洋的行为放大。在这些被称为共振的特殊条件下，潮汐效应可能会显着增大，甚至超过质量更大的木星产生的潮汐效应。
“这非常有趣，因为这种效应可能很强，”比利时皇家天文台研究地下海洋的米凯尔·博伊特说。博伊特审阅了海伊的研究，但没有直接参与这项工作。
黑暗深海
当 NASA 的旅行者 1 号探测器于 1979 年抵达木星时，它发现了从木卫一升起的火山羽流，暗示那里存在一个埋藏的岩浆海洋。来自旅行者 1 号和其他任务的进一步观测显示，欧罗巴表面有明显的裂缝，揭示这颗冰卫星的地壳比之前认识到的更活跃和更具流动性，这可能是因为地下海洋。近年来，在许多其他星球上都发现了这种海洋，甚至微小的寒冷星球冥王星也可能拥有一个。海洋世界似乎很普遍，许多科学家怀疑盖尼米德和卡利斯托拥有自己的深层含水内层。
木星卫星的海洋与地球上的海洋不同。地球海洋的平均深度约为 3.7 公里，最深处在马里亚纳海沟达到 11 公里，而伽利略卫星的海洋据认为可达数百公里。这种排列方式使它们在潮汐变化方面具有优势。“厚厚的[或深的]海洋……可以非常快速地响应潮汐效应，”海伊说。
波浪的速度由其海洋的深度控制，因为较厚的液体储层比薄的液体储层变化得更快。这似乎有悖常理，但浅海必须推动来自更广阔区域的水才能形成与深海世界较小区域产生的波浪一样高的波浪。
共振就像在秋千上玩耍的孩子。在秋千弧线的恰当时刻（或者实际上，在卫星轨道的适当点）的推动可以给秋千带来比在其他时间推动更大的助力。在伽利略邻居的引力引发的共振的刺激下，每颗卫星的液态层都比原本的情况更剧烈、更快速地晃动。由此产生的潮汐波在其卫星地下汹涌澎湃，永远不会撞击大陆，而是持续形成横跨该天然卫星一半周长的永久波前。
木星引起的共振在只有几百米深的海域中最有效——这对于伽利略海洋来说是一个不切实际的假设。然而，卫星在轨道上旋转时会引发更深海洋的共振，使由此产生的波浪比行星本身引起的波浪更有可能 surge 得更高。
根据海伊的说法，这种卫星内部潮汐引力应在每个伽利略卫星的赤道附近表现得最强，从而可能使水或岩浆更容易在那里涌出。因此，赤道地区更强的地质活动可能是卫星间潮汐强烈的可能信号。观测已经初步支持了这种情况，尽管对于赤道上涌的明显增强还有许多其他可能的解释。木卫一的大部分火山活动似乎都发生在赤道附近而不是两极，尽管海伊警告说，这种现象可能是观测偏差造成的：赤道区域的成像频率高于两极区域。NASA 的朱诺号任务正在改变这种不平衡，应该会提供更多关于木卫一两极区域的见解。预计这些信息将有助于确定木卫一火山的真实频率和分布。欧罗巴的赤道附近也似乎有特别混乱的“混沌地形”，这可能是潮汐将物质挤压到地表造成的。
探测深度
然而，最终对任何伽利略潮汐强度的测量应该是直接的。在海浪之上，卫星的地壳也会上升和下降几米——非常像暴风雨海面上船只的甲板。这种运动可能使诸如欧洲航天局的木星冰卫星探测器 (JUICE) 等航天器能够测量共振潮汐引起的涌动。
在木星系统进行为期多年的任务即将结束时（计划于 2029 年末开始），JUICE 将绕盖尼米德运行，以期确定该卫星是否拥有液态海洋。任务科学家已经计划使用航天器的两种仪器：3GM 和 GALA 来测量盖尼米德的潮汐振幅。“如果存在由于共振引起的动力潮汐，那么卫星间潮汐引起的信号将更容易被探测到，”3GM 的首席研究员卢西亚诺·伊埃斯说，他没有参与海伊的研究。GALA 的首席研究员豪克·胡斯曼也没有参与这篇论文，他说他的仪器应该能够发现卫星引起的潮汐变化。
NASA 的欧罗巴快帆号航天器是另一项旨在研究木星冰卫星的任务，可能无法与 JUICE 的测量结果相媲美。据快帆号团队成员、斯坦福大学地球物理学家格雷戈尔·施泰因布吕格称，该航天器的冰穿透雷达将能够测量木星引起的较大潮汐变形，但将难以看到卫星间潮汐的更微妙、更短暂的影响。
如果任何一项任务能够正确测量伽利略卫星地壳的上升和下降，这些数据可能有助于确定该卫星海洋的深度。由于共振会根据海洋的厚度而变化，因此波浪的频率可以提供粗略的估计。海伊说，例如，一个地壳在欧罗巴日内 crest 20 次的海洋会比 crest 21 次的海洋更薄。
通过探究伽利略卫星研究中经常被忽视的一个量，海伊的研究为观察它们提供了一种新方法。“我们必须考虑到这一点并为此做些什么，”博伊特说。“这可能是理解这些卫星的一个重要因素，”他说。