天文學家從哈勃太空望遠鏡發現木衛三大氣中存在水蒸氣的證據

天文學家從哈勃太空望遠鏡的檔案數據分析，首次發現木星的衛星木衛三（Ganymede）大氣層中存在水蒸氣的證據。當木衛三表面的冰昇華（從固體變成氣體）時，就會形成這種水蒸氣。

先前的研究提供間接證據，證明木衛三是太陽系中最大的衛星，它的含水量比地球上所有的海洋都要多。然而，那裡的溫度太冷，以至於表面上的水都凍結成固體。木衛三的海洋位於地殼底下大約一百六十公里處；因此，水蒸氣不代表從這片海洋的蒸發。

天文學家重新檢查過去二十年哈勃太空望遠鏡的觀測結果，找到這種水蒸氣存在的證據。在1998年，哈勃太空望遠鏡成像光譜儀拍攝了木衛三第一張紫外線照片，在兩張照片中顯示出極光帶的彩色帶電氣體帶，進一步證明木衛三具有弱磁場。

氧氣分子的存在解釋了這些紫外線觀察結果的相似性。但是一些觀察到的特徵與純氧大氣的預期排放不匹配。同時，天文學家得出結論，這種差異可能與氧原子濃度較高有關。

作為2018年支持美國太空總署朱諾號（Juno）任務大型觀測計劃的一部分，瑞典斯德哥爾摩皇家理工學院行星天文學家及物理學家洛倫茲·羅斯（Lorenz Roth）領導的團隊著手用哈勃太空望遠鏡測量原子氧含量。該團隊的分析結合來自兩種儀器的數據：2018年哈勃太空望遠鏡的宇宙起源光譜儀和1998年至2010年空它的成像光譜儀的檔案圖像。令他們驚訝的是，與1998年數據的原始解釋相反，他們發現木衛三的大氣中幾乎沒有任何氧原子。這意味著對於這些紫外線極光圖像的明顯差異，必須有另一種解釋。

羅斯和他的團隊隨後仔細研究了紫外線圖像中極光的相對分佈。木衛三的表面溫度全天變化很大，在接近赤道的中午時分，它可能變得足夠溫暖，以至於冰面釋放（或昇華）一些少量的水分子。事實上，紫外線圖像中感知到的差異與木衛三大氣中預期水的位置直接相關。

羅斯指出，到目前為止，只觀察到氧分子。當帶電粒子侵蝕冰表面，產生水蒸氣，我們現在測量從冰昇華引起的熱逃逸源自水從溫暖冰冷區域蒸氣。

這個發現增加對歐洲太空總署即將執行的木星冰月探測器（Jupiter Icy Moons Explorer，簡稱 JUICE）任務有所期待，JUICE 代表木星 ICy 衛星探索者。這個計劃的太空船會在2022年發射升空，並於2029年抵達木星，它將花費至少三年時間對木星及它的三顆最大的衛星進行詳細觀測，特別強調木衛三作為一顆行星體級數（它的直徑比水星還大8%）的衛星和潛在生命棲息地。

木衛三之所以需要進行詳細研究，是因為它提供了一個天然實驗室，可以分析一般冰冷世界的性質、演化和潛在宜居性，它在伽利略衛星系統中的作用，以及它與木星的獨特磁場和等離子體相互作用及其與木星的相互作用。

目前，美國太空總署的朱諾號正在仔細觀察木衛三，最近發佈了它的新照片。自2016年以來，朱諾一直在研究木星及它的整體系統。

了解木星系統並解開它的歷史，從它的起源到可能出現的宜居環境，將使我們更好地了解氣態巨行星及它的衛星是如何形成和演化。此外，有望在類似木星的系外行星系統的宜居性方面找到新的啟示。

【圖、文：節譯自歐洲太空總署2021年7月26日新聞公佈】研究全文刊登在2021年7月26日出版的《自然-天文學》期刊。標題為：A sublimated water atmosphere on Ganymede detected from Hubble Space Telescope observations