木卫三首次发现水蒸汽

天文学家首次发现了木星卫星木卫三大气中存在水蒸气的证据。当卫星表面的冰升华时——也就是说，从固体变成气体时，水蒸气就形成了。科学家们利用哈勃太空望远镜的新数据和档案数据进行了这一发现，该发现发表在《自然天文学》杂志上。

这张照片展示了1996年哈勃太空望远镜观测到的木星卫星--木卫三。木卫三位于5亿英里（6亿多公里）之外，哈勃可以跟踪卫星上的变化，并在紫外和近红外波段揭示其他特征。目前，天文学家利用哈勃新的档案数据集首次揭示了木星卫星--木卫三大气中存在水蒸气的证据，这是由于水蒸气从月球冰面热逸出所致。

先前的研究提供了间接证据，证明太阳系中最大的卫星木卫三所含的水比地球上所有的海洋都多。然而，那里的温度很低，表面的水被冻成固体。木卫三的海洋位于地壳以下大约100英里处；因此，水蒸气不能代表海洋的蒸发。

天文学家重新研究了哈勃过去20年的观测结果，以找到水蒸气的证据。

1998年，哈勃太空望远镜成像光谱仪拍摄了木卫三的第一张紫外（UV）图像，这张图像显示了被称为极光带的带电气体色带，并进一步证明木卫三具有弱磁场。

这些紫外观察结果的相似性可以用氧分子（O2）的存在来解释。但一些观测到的特征与纯O2大气的预期排放不符。同时，科学家们得出结论，这种差异可能与原子氧（O）浓度较高有关。

作为支持美国宇航局2018年朱诺号任务的大型观测项目的一部分，瑞典斯德哥尔摩第k皇家理工学院的洛伦兹·罗斯带领团队着手用哈勃望远镜测量原子氧含量。该小组的分析综合了两种仪器的数据：2018年哈勃太空起源光谱仪的数据和1998年至2010年太空望远镜成像光谱仪（STIS）的档案图像。

令他们惊讶的是，与1998年数据的原始解释相反，他们发现在木卫三的大气层中几乎没有任何原子氧。这意味着，对于这些紫外线极光图像的明显差异，必须有另一种解释。

罗斯和他的团队随后仔细观察了紫外线图像中极光的相对分布。木卫三的表面温度在一天中变化很大，在赤道附近的中午，它可能变得足够温暖，以至于冰面释放（或升华）一些少量的水分子。事实上，紫外线图像中感知到的差异与月球大气中预期的水的位置直接相关。

1998年，哈勃太空望远镜成像光谱仪首次拍摄了木卫三的紫外图像，揭示了观测到的月球大气辐射的一种特殊模式。月球上的极光带与在地球和其他有磁场的行星上观测到的极光椭圆有些相似。这是木卫三具有永久磁场这一事实的说明性证据。紫外观察中的相似性可以用氧分子的存在来解释。当时，原子氧的存在解释了这种差异，原子氧产生的信号对一种紫外线颜色的影响大于另一种。

“到目前为止，只观察到了氧分子，”罗斯解释道这是带电粒子侵蚀冰面时产生的。我们现在测量的水蒸气来源于暖冰地区水蒸气热逸出所引起的冰升华。”

这一发现为欧空局（ESA）即将执行的任务JUICE（JUpiter-ice-moons Explorer）增添了期待。JUICE是欧空局2015-2025年宇宙展望计划的第一个大型任务。它计划于2022年发射，2029年抵达木星，将用至少三年时间对木星及其三颗最大卫星进行详细观测，特别强调木卫三是一个行星体和潜在栖息地。

木卫三被确定进行详细调查，因为它提供了一个自然实验室，用于分析冰世界的性质、演化和潜在可居住性，它在伽利略卫星系统中所起的作用，以及它与木星及其环境的独特磁和等离子体相互作用。

“我们的研究结果可以为JUICE仪器团队提供有价值的信息，可以用来完善他们的观测计划，优化航天器的使用。”罗斯补充道。

目前，朱诺号任务正在密切关注木卫三，并在最近发布了新的月球冰图像。朱诺从2016年开始研究木星及其环境，也被称为木星系。

天文学家利用来自哈勃太空望远镜的新数据和档案数据，发现了木星卫星--木卫三大气中存在水蒸气的证据。水汽的存在是由于水分子从月球冰冷的表面受到热激发而产生的。先前的研究提供了间接证据，证明月球所含的水比地球所有的海洋都多。然而，那里的温度非常低，以至于表面的水结冰，海洋位于地壳下大约100英里处。

了解木星系统并揭开它的历史，从起源到可能出现的宜居环境，将使我们更好地了解气态巨行星及其卫星是如何形成和演化的。此外，对于类木星系外行星系统的宜居性，也有望找到新的见解。