木衛(wèi)三（Ganymede或Jupiter III）又名格尼梅德，與null、null、null一起被稱為美第奇星或null。木衛(wèi)三是圍繞木星運行的四顆大型衛(wèi)星中最大的一顆，同樣也是太陽系中體積和質(zhì)量最大的天然衛(wèi)星，其直徑甚至大于水星，而質(zhì)量約為水星的一半，表面引力為1.428m/s2，略小于水星、木衛(wèi)一或月球。木衛(wèi)三還是太陽系中唯一具有強大磁場的衛(wèi)星。
木衛(wèi)三是太陽系中最大的衛(wèi)星，公轉(zhuǎn)周期與自轉(zhuǎn)周期相同，都為7.155個地球日。其半徑為2631km，表面積為87,000,000平方千米（地球的0.12倍），體積為7.6×101? km3，比水星、冥王星都要大。其平均密度為1.936g/cm3，主要由硅酸鹽巖石和冰體構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)主要分為三層，最核心是一個金屬鐵芯，中間層為巖石地幔，最外面則是冰殼及地下海洋。此外木衛(wèi)三還擁有極其稀薄的大氣，主要為氧氣，非常稀薄，地表平均溫度160℃。木衛(wèi)三表面主要成分為冰，地形上分布著因地殼運動所形成的“凹槽”與“山脊”以及相對平坦的隕石坑。木衛(wèi)三是太陽系中唯一擁有自己磁場的衛(wèi)星，其磁場與木星的磁場疊加形成雙重磁場，受雙重磁場的影響，木衛(wèi)三南、北兩極被帶電氣體帶所環(huán)繞并形成極光。
早在公元前364年，中國戰(zhàn)國時期楚國天文學家甘德就已經(jīng)觀測到木衛(wèi)三的存在。后來近兩千年后的1610年1月7日，意大利科學家伽利略·伽利雷（Galileo Galilei）觀測到了四顆繞木星運行的大型衛(wèi)星，并將他們命名為“美第奇星”，木衛(wèi)三就是其中之一。但是1614年，德國天文學家西蒙·馬呂斯（Simon Marius）在其《木星的世界》中卻聲稱自己在伽利略之前發(fā)現(xiàn)了木星的衛(wèi)星，并以希臘神話中神的斟酒者、宙斯的愛人格尼梅德（Ganymede）為木衛(wèi)三命名。之后，先驅(qū)者10號（Pioneer 10 或 Pioneer F）、旅行者1號探測器（Voyager 1）、伽利略號木星探測器（伽利略號木星探測器）等多次飛越木星系統(tǒng)并對木衛(wèi)三進行探測與拍攝。從1973年12月3日拍攝了木衛(wèi)三首張照片開始，通過探測逐漸明確了木衛(wèi)三的結(jié)構(gòu)、發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)三擁有磁場、木衛(wèi)三存在地下海洋等等信息。此外，據(jù)2021年7月26日美國航空航天局所發(fā)布的信息顯示，科學家首次探測到木衛(wèi)三的大氣中存在有水蒸氣的證據(jù)。
發(fā)現(xiàn)與命名
發(fā)現(xiàn)
早在2000多年前的小行星3789戰(zhàn)國時期，就已經(jīng)出現(xiàn)了關(guān)于木星及木星系統(tǒng)的記載，當時稱呼木星為“歲星”，而且在《左傳》《國語》等史書中通常都有用“歲星”的位置來記載某一事件發(fā)生年代的慣例。公元前364年，戰(zhàn)國楚國天文學家甘德用肉眼觀測到了木衛(wèi)三的存在，并在其著作《甘石星經(jīng)》與《天文星占》中留下了“歲星及其旁邊小星所組成的系統(tǒng)，小星從屬于歲星”的記載，也就是現(xiàn)代所說的木星及其衛(wèi)星系統(tǒng)。此外，甘德還通過顏色比對的方法對當時所觀測到的包括木衛(wèi)三在內(nèi)的四顆大型木星的衛(wèi)星進行了區(qū)分，他觀測到木衛(wèi)三的顏色呈黃色，這與現(xiàn)代科學所探測到的木衛(wèi)三的外觀相一致。
后來在距離甘德近2000年之后的1610年1月7日，意大利科學家伽利略·伽利雷（Galileo Galilei）通過自己改進的20倍自制望遠鏡在觀測木星時，發(fā)現(xiàn)與木星處在同一條直線上的、緊挨著木星的三顆天體，其中兩顆在木星一側(cè)，一顆在另一側(cè)。這三顆緊挨著木星的天體就是木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三與木衛(wèi)四，只不過當時的木衛(wèi)一與木衛(wèi)二相距太近，所以伽利略·伽利雷將其誤認為是同一個天體。直到第二天（1610年1月8日）夜里，木衛(wèi)一與木衛(wèi)二移動開了一段距離，伽利略才意識到緊挨著木星的天體不是三顆而是四顆。在之后的幾個星期里，伽利略·伽利萊通過對它們相對運動的觀測從而確定這是四顆圍繞木星運動的衛(wèi)星，并精確計算出包括木衛(wèi)三在內(nèi)的四顆衛(wèi)星的運動軌道。木衛(wèi)三是四顆木衛(wèi)星中最大的一顆，也是太陽系中最大的衛(wèi)星。1610年3月，伽利略把自己的觀測發(fā)現(xiàn)及筆記內(nèi)容加以總結(jié)后進行了發(fā)表，并取名為《星際信使》，其中包括有他對木星衛(wèi)星的觀測發(fā)現(xiàn)。
包括木衛(wèi)三在內(nèi)的四顆大型木衛(wèi)星的發(fā)現(xiàn)永遠改變了人們看待太陽系的方式，因為這是人類第一次發(fā)現(xiàn)的繞地球或太陽以外的軌道運行的天體，這為波蘭天文學家尼古拉·哥白尼（波蘭語名：Miko?aj Kopernik）的理論提供了有力證據(jù)，也就是證實了大多數(shù)天體都不是繞地球運轉(zhuǎn)的。
命名
伽利略·伽利雷身為四顆大型木星衛(wèi)星的發(fā)現(xiàn)者，擁有對四顆衛(wèi)星的命名權(quán)。出于對自己研究贊助者柯西莫·美第奇二世（Cosimo Ⅱ de’Medici）的感謝，伽利略將這四顆木星的衛(wèi)星命名為美第奇星。盡管同時代的天文學家并不喜歡這個出于政治敏感性而提出的命名，但在十七世紀的大部分時間里天文學界依然稱呼它們?yōu)槊赖谄嫘恰?/p>
然而1614年，德國天文學家西蒙·馬呂斯（Simon Marius）卻在其著作《木星的世界》中宣稱，自己早在1609年12月就發(fā)現(xiàn)了木星衛(wèi)星，并在1610年1月8日已開始對觀察進行記錄。同時，西蒙·馬呂斯還采用希臘神話中的名字分別為四顆木衛(wèi)星命名，其中以希臘神話中神的斟酒者、宙斯的愛人格尼梅德（Ganymede）為木衛(wèi)三命名。此外，德國天文學家約翰尼斯·開普勒（Johannes Kepler）也建議采用馬呂斯的這種命名方式。
對于馬呂斯的這種命名，伽利略·伽利雷并不喜歡，于是在自己的筆記中，伽利略按照這四顆衛(wèi)星與木星距離由近到遠的順序分別用羅馬數(shù)字I、II、III 和 IV 來對它們進行區(qū)分與稱呼，也就是分別稱呼它們?yōu)?a href="/hebeideji/5694681405385070494.html">木衛(wèi)一（Jupiter I）、木衛(wèi)二（Jupiter II）、木衛(wèi)三（Jupiter III）與木衛(wèi)四（Jupiter IV），同時其他天文學家也都遵循了這樣的稱呼方式。后來直到20世紀，有越來越多的天體被以羅馬神話中的人物命名了之后，以希臘神話人物為木星的衛(wèi)星命名的方式才得以被天文學家廣泛使用。此外，為了紀念伽利略·伽利萊的發(fā)現(xiàn)，它們又被統(tǒng)稱為伽利略衛(wèi)星。還有就是為了紀念小行星3789戰(zhàn)國時期偉大的天文學家甘德在天文學方面所作出的重要貢獻，中國專家與學者建議把木衛(wèi)三命名為“中國甘德衛(wèi)星”或“甘德衛(wèi)星”。
起源與演化
美國國家航天局（美國航空航天局）發(fā)射的朱諾號木星探測器（Juno）的探測任務(wù)之一就是了解更多關(guān)于木星及其衛(wèi)星的起源與演化。科學家認為，包括木衛(wèi)三在內(nèi)的伽利略衛(wèi)星，都可能是在太陽系歷史的早期、在木星形成的過程中，由形成木星的殘余物質(zhì)及木星周圍的氣體、塵埃云等凝結(jié)而成，因此木衛(wèi)三的年齡應該與太陽系差不多，大約為45億年。
也就是說在太陽系形成的過程中，太陽周圍的初始氣體和塵埃云慢慢聚集并凝結(jié)成為地球、木星等行星；而在木星形成的同時，木星周圍的一些剩余物質(zhì)（塵埃云等）也會慢慢聚集并凝結(jié)成為一些大型衛(wèi)星，其中就包括了木衛(wèi)三與木衛(wèi)二等伽利略衛(wèi)星。事實上，木星及其衛(wèi)星所組成的系統(tǒng)與太陽系有著極其相似的屬性。比如，太陽系中的每顆行星的密度都低于其內(nèi)鄰（越靠近太陽的行星，密度越大），與之對應的木星的衛(wèi)星中也是如此，距離木星越遠，密度越小。而導致這一現(xiàn)象的原因是由于密度較大的巖石和金屬物質(zhì)會首先凝結(jié)出來，而密度較小的物質(zhì)則需要在更冷的距離才會凝結(jié)。因此，遵循相同原理的木衛(wèi)三等衛(wèi)星也與太陽系的其他行星一樣，都是由它們母星的殘余物所凝結(jié)而成的。因此，木星與其伽利略衛(wèi)星所組成的系統(tǒng)又被稱為“迷你太陽系”。
木衛(wèi)三可能由木星次星云——即在木星形成之后環(huán)繞于其四周的、由氣體和塵埃組成的圓盤——的吸積作用所產(chǎn)生。木衛(wèi)三的吸積過程持續(xù)了大約1萬年，相較于木衛(wèi)四的10萬年短得多。當木衛(wèi)四開始形成之際，木星次星云中所含的氣體成分已經(jīng)相對較少；這導致了木衛(wèi)四較長的吸積時間。相反，由于木衛(wèi)三是緊接木星之后形成的，這時的次星云還比較濃密，所以其吸積作用所耗時間較短。相對較短的形成時間使得吸積過程中產(chǎn)生的熱量較少逃逸，這些未逃逸的熱量導致了冰體的融化和木衛(wèi)三內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分化：即巖石和冰體相互分開，巖石沉入星體中心形成內(nèi)核。在這方面，木衛(wèi)三與木衛(wèi)四不同，后者由于其較長的形成時間而導致吸積熱逃逸盡，從而無法在初期融化冰體以及分化內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這一假說揭示了為何質(zhì)量和構(gòu)成物質(zhì)如此接近的兩顆衛(wèi)星看起來卻如此不同。
在其形成之后，木衛(wèi)三的內(nèi)核還保存了大部分在吸積過程和分化過程中形成的熱量，它只是緩慢的將少量熱量釋放至冰質(zhì)地幔層中，就如同熱電池的運作一般。接著，地幔又通過對流作用將熱量傳導至星體表面。不久巖石中蘊含的放射性元素開始衰變，產(chǎn)生的熱量進一步加熱了內(nèi)核，從而加劇了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分化，最終形成了一個鐵-硫化亞鐵內(nèi)核和一個硅酸鹽地幔。至此，木衛(wèi)三內(nèi)部結(jié)構(gòu)徹底分化。與之相比較，未經(jīng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)分化的木衛(wèi)四所產(chǎn)生的放射性熱能只能導致其冰質(zhì)內(nèi)部的對流，這種對流有效地冷卻了星體，并阻止了大規(guī)模的冰體融化和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的快速分化，同時其最多只能引起冰體與巖石的部分分化。現(xiàn)今，木衛(wèi)三的冷卻過程仍十分緩慢。從其內(nèi)核和硅酸鹽地幔所釋放出的熱量使得木衛(wèi)三上的地下海洋得以存在，同時只是緩慢冷卻的流動的鐵-硫化亞鐵內(nèi)核仍在推動星體內(nèi)的熱對流，并維持著磁圈的存在。現(xiàn)在木衛(wèi)三的對外熱通量很可能高于木衛(wèi)四。
物理特性
木衛(wèi)三是太陽系中已知的最大衛(wèi)星，其半徑為2631km，比水星、冥王星都要大。木衛(wèi)三密度1940kg/立方米，意味著它的含冰量比木衛(wèi)一與木衛(wèi)二更高。木衛(wèi)三擁有自己的磁場，且作為太陽系唯一帶有磁場的衛(wèi)星，其內(nèi)部由內(nèi)到外已經(jīng)分化出地殼、地幔和熔融的鐵核等層次。也就是說，木衛(wèi)三的中心是鐵核，中間中巖層地幔，最外層是冰與水，此外木衛(wèi)三的上空還擁有主要成分為氧氣的稀薄大氣層。木衛(wèi)三的反照率為0.43，地表主要由冰構(gòu)成，表面分布著因地質(zhì)運動而形成的較深的凹槽及相對平整的隕石坑。美國航空航天局（美國航空航天局）通過伽利略號木星探測器（伽利略·伽利雷）與哈勃空間望遠鏡（Hubble Space Telescope，縮寫：哈勃空間望遠鏡）觀測到木衛(wèi)三地下咸水海洋存在的證據(jù)，其海洋的含水量比地球還大。運行軌道方面，木衛(wèi)三與木衛(wèi)一、木衛(wèi)二一起產(chǎn)生軌道共振，同時受到木星潮汐力的作用，木衛(wèi)三與木星的軌道距離約107萬公里。
構(gòu)成
木衛(wèi)三的平均密度為1.936g/cm3，它是由近乎等量的巖石和水構(gòu)成的，后者主要以冰體形式存在。冰體的質(zhì)量占衛(wèi)星總質(zhì)量的46-50%，比之木衛(wèi)四稍低。此外可能還存在某些不穩(wěn)定的冰體，如氨的冰體。木衛(wèi)三巖石的確切構(gòu)成還不為人知，但是很可能接近于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。在木衛(wèi)三上，以質(zhì)量計，鐵和硅的豐度比為1.05-1.27，而在太陽中，則為1.8。
木衛(wèi)三表面的反照率約為0.43±0.02。冰體水廣泛存在于其表面，比重達到50-90%，高出整體比重許多。利用近紅外光譜學，科學家們在1.04、1.25、1.5、2.0和3.0微米波長段發(fā)現(xiàn)了強烈的冰體水的吸附帶。明亮地帶的槽溝構(gòu)造可能含有較多的冰體，故顯得較為明亮。除了水外，對伽利略號木星探測器和地基觀測站拍攝的高分辨率近紅外光譜和紫外線光譜結(jié)果的分析也顯示了其他物質(zhì)的存在，包括二氧化碳、二氧化硫，也可能還包括氰[qíng]、硫酸氫鹽和多種有機化合物。此外伽利略號還在木衛(wèi)三表面發(fā)現(xiàn)了硫酸鎂、硫酸鈉等物質(zhì)。這些鹽類物質(zhì)可能來自于地表之下的海洋。2024年1月，《自然·天文學》雜志發(fā)表的研究成果進一步表明，意大利國家天文物理研究所（INAF）的科研團隊借助NASA“朱諾”木星探測器，成功在木衛(wèi)三表面發(fā)現(xiàn)了礦物鹽和有機化合物存在的證據(jù)，這為木衛(wèi)三地下海洋與地表物質(zhì)交換的推測提供了更直接的支持。
木衛(wèi)三的表面是不對稱的：其同軌道方向的一面要亮于逆軌道方向的一面。這種狀況類似于木衛(wèi)二，而和木衛(wèi)四的狀況正好相反。此外，木衛(wèi)三同軌道方向一面似乎富含二氧化硫。而二氧化碳在兩個半球的分布則相對均勻，盡管在極地地區(qū)并未觀測到它的存在。木衛(wèi)三上的撞擊坑（除了一個之外）并不富含二氧化碳，這點也與木衛(wèi)四不同。木衛(wèi)三的二氧化碳可能在過去的一段時期已經(jīng)被消耗殆盡了的說法不確切。
結(jié)構(gòu)
木衛(wèi)三的結(jié)構(gòu)大至分為三層，其最中心是一個金屬鐵芯，接著一層是包裹核心的巖石地幔，最外層是包裹巖石地幔的水與冰（主要成為為冰的外殼以及冰殼之下的地下海洋）。木衛(wèi)三地表的主要成分是冰，其表面也就是冰殼的頂部，科學家還在木衛(wèi)三的地表之下發(fā)現(xiàn)了不規(guī)則的團塊，這些不規(guī)則的團塊物質(zhì)可能是由木衛(wèi)三的冰殼支撐了數(shù)十億年的巖層。此外，通過計算機對木衛(wèi)三內(nèi)部結(jié)構(gòu)的模型顯示，木衛(wèi)三的最外層很可能又分成很多層，其構(gòu)成就像是由水與冰相互疊加與隔開的多層三明治一樣。
地形地貌
木衛(wèi)三地表的主要成分是冰，其地表也就是冰殼的頂部，根據(jù)美國國家航天局（美國航空航天局）所發(fā)射的朱諾號木星探測器（Juno）木星探測器在2021年6月對木衛(wèi)三所拍攝的圖像可知，木衛(wèi)三的地表主要存在有兩種不同類型的地形，其一是大而明亮的山脊區(qū)域，另一是較暗地形的凹槽，這表明木衛(wèi)三的地殼一直處于全球構(gòu)造過程的張力之下。其中，百分之四十的區(qū)域被密集的坑坑洼洼所覆蓋，這部分區(qū)域在圖像上顯示為顏色偏黑的暗區(qū)；另外百分之六十則的區(qū)域則正好相反，被淺槽地形所覆蓋，在圖像上的顏色相對白、亮，這兩種地形在木衛(wèi)三的地表形成了復雜的圖案。木衛(wèi)三的表面布滿凹槽，其中一些凹槽的溝脊高達700米，并且凹槽在木衛(wèi)三的地表一直延伸數(shù)千英里，這些凹形的溝槽在木衛(wèi)三的表面形成明亮的冰紋和山脈。相對于溝槽，木衛(wèi)三上的大隕石坑基本相對平坦，這可能是因為木衛(wèi)三的地表為相對柔軟的冰面。此外，木衛(wèi)三上隕石坑周圍還可以看到明亮和黑暗的噴出物射線。木衛(wèi)三表面明亮的冰紋和山脈是板塊活動的結(jié)果，這些結(jié)構(gòu)比黑暗的隕石坑要年輕一些。
2004年，科學家還在木衛(wèi)三的地表冰殼之下發(fā)現(xiàn)了不規(guī)則的團塊物質(zhì)，這些不規(guī)則的團塊物質(zhì)可能是由木衛(wèi)三的冰殼支撐了數(shù)十億年的巖層。科學家以此斷定，木衛(wèi)三表面的冰殼足夠堅固，以使其能夠支撐起那些沉積在冰殼下方的巖層。當然，還有一種可能性就是這種異常現(xiàn)象也可能是由底部直接堆積起來的巖石所引起的。
大氣
美國航空航天局通過哈勃空間望遠鏡對木衛(wèi)三的觀測，不但發(fā)現(xiàn)了木衛(wèi)三上地下海洋存在的證據(jù)，同時還發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)三上空存在有稀薄的氧氣。研究人員認為氧氣來自于木衛(wèi)三的表面，這表明在木衛(wèi)三的表面存在有稀薄的大氣層。由于距離太陽相對較遠，木衛(wèi)三及木星與其他伽利略衛(wèi)星所接收到的陽光量不到地球的三十分之一，再加上其大氣層極度稀薄，根本不足收集熱量形成保溫效果，因此木衛(wèi)三地表的氣溫比起地球要冷得多，其地表白天的最低氣溫為-297華氏度（-182.8攝氏度），最高氣溫-171華氏度（-112.8 攝氏度），平均溫度為-160攝氏度。
中性大氣層的存在著木衛(wèi)三上也應該存在電離層，因為氧分子是在遭受來自磁圈和太陽遠紫外輻射的高能電子轟擊之后而電離的。但是和大氣層一樣，木衛(wèi)三電離層的性質(zhì)也引發(fā)了爭議。伽利略號木星探測器的部分觀測發(fā)現(xiàn)在木衛(wèi)三表面的電子密度較高，表明其存在電離層，但是其他觀測則毫無所獲。通過各種觀測所測定的木衛(wèi)三表面的電子密度處于400–2500 cm?3范圍之間。及至2008年，木衛(wèi)三電離層的各項參數(shù)仍未被精確確定。
地下海洋
科學家在20世紀70年代首次提出了木衛(wèi)三存在地下海洋的設(shè)想，而后1996年，伽利略號木星探測器在木衛(wèi)三發(fā)現(xiàn)了磁場，這一發(fā)現(xiàn)使木衛(wèi)三地下海洋的存在得到了證實。因為磁場的存在表明木衛(wèi)三的表面存在礦物鹽，這意味著其內(nèi)部曾有液態(tài)水向外噴發(fā)。同時，美國航空航天局（美國航空航天局）通過哈勃空間望遠鏡（Hubble Space Telescope，縮寫：哈勃空間望遠鏡）也觀測到很多木衛(wèi)三地下咸水海洋存在的證據(jù)。據(jù)估計，木衛(wèi)三地下海洋大約位于150km厚的地殼之下（地殼的主要成份是冰），含水量預計比地球表面所有水都多，其深度預計約有100km，是地球海洋深度的10倍以上。此外，根據(jù)計算機模擬出的木衛(wèi)三內(nèi)部結(jié)果顯示，木衛(wèi)三的地表之下也就是外殼與地下海洋的接觸部分可能分成很多層，其構(gòu)成就像是由水與冰相互疊加與隔開的多層三明治一樣。
磁場
1996年，美國航空航天局（美國航空航天局）通過伽利略號木星探測器（伽利略·伽利雷）在木衛(wèi)三周圍發(fā)現(xiàn)了一個由帶電粒子組成區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)圍繞著許多微小天體，這種現(xiàn)象以前從未在其他衛(wèi)星周圍發(fā)現(xiàn)過，這表明木衛(wèi)三擁有有自己的磁場，也是太陽系中唯一擁有自己磁場的衛(wèi)星。此外，伽利略號木星探測器還捕捉到了木衛(wèi)三磁層所產(chǎn)生的靜電所發(fā)出的聲音（口哨聲）。由于木衛(wèi)三靠近木星，所以會受到木星磁場的影響，這樣木衛(wèi)三本身的磁場就會嵌入或位于木星的磁場之中，這導致在圍繞木衛(wèi)三南、北兩極的區(qū)域會產(chǎn)生一種發(fā)光、熾熱、帶電的氣體帶，這個氣體帶會形成極光現(xiàn)象。而當木星的磁場發(fā)生變化時，木衛(wèi)三兩極的極光也會以來回“搖擺”的方式發(fā)生變化。對此，科隆大學（University of 科隆 in Germany ）的約阿希姆·紹爾（Joachim Sauer）教授所領(lǐng)導的科學家團隊計劃通過哈勃空間望遠鏡（Hubble Space Telescope 簡稱：HST）對木衛(wèi)三南、北兩極的兩個極光的這種“搖擺”運動進行觀察，以便了解到更多有關(guān)木衛(wèi)三的內(nèi)部信息。
1995年至2000年間，伽利略號木星探測器共6次近距離飛掠過木衛(wèi)三，發(fā)現(xiàn)該衛(wèi)星有一個獨立于木星磁場之外的、長期存在的、其本身所固有的磁矩，[59]其大小估計為1.3?×?1013 T·m3，比水星的磁矩大三倍。[13] 其磁偶極子與木衛(wèi)三自轉(zhuǎn)軸的交角為176°，這意味著其磁極正對著木星磁場。[13] 磁層的北磁極位于軌道平面之下。由這個長期磁矩創(chuàng)造的偶極磁場在木衛(wèi)三赤道地區(qū)的強度為719±2納特斯拉，[13] 超過了此處的木星磁場強度——后者為120納特斯拉。木衛(wèi)三赤道地區(qū)的磁場正對著木星磁場，這使其場線有可能重新聚合。而其南北極地區(qū)的磁場強度則是赤道地區(qū)的兩倍，為1440納特斯拉。[13]
長期存在的磁矩在木衛(wèi)三四周劃出一個空間，形成了一個嵌入木星磁場的小型磁層。木衛(wèi)三是太陽系中已知的唯一一顆擁有磁層的衛(wèi)星。[59] 其磁層直徑達4-5RG （RG=2,631.2公里）。[60]
同時，木衛(wèi)三上磁場的存在，也意味著其表面礦物鹽的存在，也就是說木衛(wèi)三的內(nèi)部曾經(jīng)有液態(tài)水噴發(fā)出來，科學家據(jù)此推測出木衛(wèi)三地下咸水海洋存在的證據(jù)。
軌道特性
木衛(wèi)三繞木星運行的軌道距離為107萬公里（也就是木衛(wèi)三與木星的距離），在四顆伽利略衛(wèi)星中排名第三（木衛(wèi)一的軌道距離為42萬公里，木衛(wèi)二為66.4萬公里，木衛(wèi)四為189.6萬公里），其繞木星運動的周期約7.155個地球日。此外，作為木星系統(tǒng)的一員，木衛(wèi)三與整個木星系統(tǒng)一起距離太陽約5.2個天文單位，每12個地球年與木星及其他木星衛(wèi)星一起繞太陽一周。
木衛(wèi)一、木衛(wèi)二與木衛(wèi)三的運行軌跡以4：2：1的比例發(fā)生軌道共振，也就是說木衛(wèi)三繞木星運行一周的時間，木衛(wèi)二則恰好圍繞木星運行兩周，同時木衛(wèi)一剛好圍繞木星運行四周。由于法國數(shù)學家、天文學家皮埃爾-西蒙·拉普拉斯對這種軌道共振做出了關(guān)鍵性解釋，所以這種軌道共振又被命名為“拉普拉斯共振”。受這種軌道共振的影響，木衛(wèi)一、木衛(wèi)二與木衛(wèi)三在軌道上相互給彼此引力的牽引，使它們的運行軌跡都沒法形成圓形，共振迫使他們的軌道有小幅度的偏心并形成橢圓，其中，木衛(wèi)三的軌道偏心率為0.001。它的軌道離心率很小，軌道傾角也很小，接近于木星赤道，同時在數(shù)百年的周期里，軌道的離心率和傾角還會以周期函數(shù)的形式受到太陽和木星引力攝動的影響。變化范圍分別為0.0009-0.0022和0.05-0.32°這種軌道的變化使得其轉(zhuǎn)軸傾角在0-0.33°之間變化。同時，橢圓的運行軌道使木衛(wèi)三在不同運行位置所受到的木星引力不同，這種引力差異產(chǎn)生潮汐，受木星潮汐鎖定與作用的結(jié)果，導致木衛(wèi)三與木星像月球與地球一樣，總是以同一個半球面向木星，也因此木衛(wèi)三的自轉(zhuǎn)周期與其繞木星的公轉(zhuǎn)周期一樣為7.155個地球日。
人們還無法確切知曉木衛(wèi)一、木衛(wèi)二和木衛(wèi)三之間的拉普拉斯共振是如何形成的。現(xiàn)今存在兩種假說：一種認為這種狀態(tài)在太陽系形成之初即已存在；另一種認為這種狀態(tài)是在太陽系形成之后才發(fā)展出來的。一種可能的形成過程如下：首先是由于木星的潮汐效應，致使木衛(wèi)一的軌道向外推移，直至某一點與木衛(wèi)二發(fā)生2:1的軌道共振；之后其軌道繼續(xù)向外推移，同時將部分的旋轉(zhuǎn)力矩轉(zhuǎn)移給木衛(wèi)二，從而也引起了后者的軌道向外推移；這個過程持續(xù)進行，直到木衛(wèi)二到達某一點，與木衛(wèi)三形成2:1的軌道共振。最終三者之間的兩對上合現(xiàn)象的位置移動速率保持一致，形成皮埃爾-西蒙·拉普拉斯共振。
相關(guān)探測
先驅(qū)者號探測
在伽利略·伽利雷發(fā)現(xiàn)并公布了四顆伽利略衛(wèi)星360多年后，美國航空航天局（美國航空航天局）先后發(fā)射了先驅(qū)者10號（Pioneer 10 或 Pioneer F）與先驅(qū)者11號（Pioneer 11）探測器，首次與木星系統(tǒng)交會并對包括木衛(wèi)三在內(nèi)的伽利略衛(wèi)星進行觀測。“先驅(qū)者10號”與“先驅(qū)者11號”探測器，是人類真正深空探索的“先行者”或“探路者集團”，因為他們將執(zhí)行之前從未有過的橫渡行星帶任務(wù)。先驅(qū)者10號是第一個與木星及木星強烈的輻射帶交會的探測器，而先驅(qū)者11號則會在先驅(qū)者10號的基礎(chǔ)上，保障飛越木星并探測木星的任務(wù)得以完成。
1972年3月2日，先驅(qū)者10在美國東南部的佛羅里達州（Florida）的卡納維拉爾角（Cape Canaveral）空軍基地由宇宙神-半人馬座運載火箭發(fā)射，成為第一個要近距離觀測木星系統(tǒng)的太空飛船。按照當時的設(shè)想，如果小行星帶及木星系統(tǒng)的磁力圈被證實對先驅(qū)者10號有危害，那么隨后而來的先驅(qū)者11號就成為一個后備太空飛船，以完成對木星系統(tǒng)進行飛越與探測的主要任務(wù)。當然，美國國家航天局也可能根據(jù)情況改變先驅(qū)者11號通過木星的引力助飛前往土星的計劃，而具體如何執(zhí)行，則完全取決于先驅(qū)者10號與木星系統(tǒng)的交會結(jié)果。1973年12月3日，先驅(qū)者10號最近距離與木星進行了接觸，它不僅發(fā)現(xiàn)了木星是一顆液態(tài)氫的行星，還對四顆伽利略衛(wèi)星進行了探測。先驅(qū)者10號的探測幫助人類首次獲得了木星及其三顆最大衛(wèi)星（木衛(wèi)三、木衛(wèi)四與木衛(wèi)二）的特寫圖像，只是當時并沒能拍攝到木衛(wèi)一的圖像。
先驅(qū)者10號的“姐妹飛船”先驅(qū)者11號于1973年4月5日發(fā)射，1974年12月2日，先驅(qū)者11號與木星在相距4.3萬千米的位置交會，對木星系統(tǒng)進行了進一步的探測與拍攝。1974年12月3日，先驅(qū)者11號在距離木星最近時拍攝了木星極地的第一張照片。先驅(qū)者11號在距離木衛(wèi)三692200公里的范圍內(nèi)通過，并在木衛(wèi)三的軌道上發(fā)現(xiàn)了高電子流。
旅行者號探測
在1979年之前，天文學家一直認為土星的衛(wèi)星土衛(wèi)六（Titan，又稱為土衛(wèi)六）是太陽系中最大的衛(wèi)星，直到美國航空航天局（美國航空航天局）發(fā)射了旅行者1號探測器（Voyager 1）與旅行者2號探測器（Voyager 2）探測器并于1979年飛越了木星系統(tǒng)。根據(jù)旅行者號探測器的探測結(jié)果，木衛(wèi)三比土衛(wèi)六要大，甚至比水星與冥王星還要大。旅行者1號在經(jīng)過木星系統(tǒng)時共拍攝了約1.8萬張照片，它對包括木衛(wèi)三在內(nèi)的所有伽利略衛(wèi)星都進行了拍攝。旅行者1號所拍攝到的圖像顯示，木衛(wèi)三的地表主要有兩種不同類型的地形——坑洞和凹槽，科學家對此認為木衛(wèi)三的整個冰殼一直受到全球構(gòu)造過程的張力。
伽利略號探測
美國航空航天局于1989年10月18日發(fā)射的伽利略號木星探測器（伽利略·伽利雷）是第一個繞木星運行的探測器。伽利略號木星探測器的一項重要任務(wù)就是在反復飛越木星軌道時對包括木衛(wèi)三在內(nèi)的四顆伽利略衛(wèi)星進行觀測。1995年9月7日，伽利略號木星控測器成功進入環(huán)繞木星的赤道軌道，開始繞木星運行，也正式開啟了對木星及伽利略衛(wèi)星的探測工作。在探測的過程中，伽利略號木星探測器使用各種儀器對木衛(wèi)三進行了多次觀測與飛越，盡可能收集木衛(wèi)三上的信息與數(shù)據(jù)。伽利略號木星探測器對木衛(wèi)三進行探測的一個重大成果就是發(fā)現(xiàn)了木衛(wèi)三擁有自己的磁場，其于1996年在木衛(wèi)三周圍發(fā)現(xiàn)了一個由帶電粒子組成的區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)圍繞著很多小天體，這表明木衛(wèi)三擁有自己的磁場，而且這種現(xiàn)象是在衛(wèi)星上第一次見到，此前從未有在其他衛(wèi)星上發(fā)現(xiàn)過，也就是說木衛(wèi)三是太陽系中唯一一個擁有自己磁場的衛(wèi)星。科學家根據(jù)木衛(wèi)三上的磁場，推測出木衛(wèi)三地下咸水海洋的存在。
伽利略號木星探測器在距離木衛(wèi)三835公里的范圍內(nèi)飛行探測，它在發(fā)現(xiàn)磁場的同時，甚至捕捉到了由木衛(wèi)三磁場靜電所產(chǎn)生的“口哨聲”，并且對木衛(wèi)三進行近距離特寫圖片的拍攝。由伽利略號木星探測器所拍攝到的木衛(wèi)三圖像顯示，在木衛(wèi)三的地表分布著被冰所覆蓋著的“年輕”的火山與平原，以及與之相鄰的“古老”的、坑坑洼洼的由冰原與凹槽所組成的山脊狀冰山及平滑寬闊的盆地，科學家認為這些都是木衛(wèi)三上板塊活動的產(chǎn)物。伽利略號木星探測器對木星系統(tǒng)的探測一直持續(xù)到2003年9月21日，當時的伽利略號木星探測器為了避免與一顆木星的衛(wèi)星碰撞從而對衛(wèi)星表面造成生物污染，于是選擇從木星軌道調(diào)整進入了與木星發(fā)生碰撞的軌道，此后永遠的留在了木星。
卡西尼號探測
也就在伽利略號木星探測器對木星系統(tǒng)進行探測的時候，美國航空航天局所發(fā)射的卡西尼號（Cassini）土星探測器在前往土星執(zhí)行探測任務(wù)的過程中途經(jīng)了木星系統(tǒng)。2000年，卡西尼號在飛越木星系統(tǒng)的數(shù)周時間里與伽利略號木星探測器一起對木星系統(tǒng)進行了觀測。2000年12月，卡西尼號探測器在最接近木星的位置從一個特殊的角度拍攝并傳回了木星與木衛(wèi)三的同框?qū)Ρ葓D。
新視野號探測
2007年，由美國國家航空航天局發(fā)射的新視野號（New Horizons）冥王星探測器在前往冥王星的路上途經(jīng)木星系統(tǒng)。于是新地平線號探測器便在距離木星230萬公里的位置對木星系統(tǒng)進行了觀測。在這個過程中，新視野號探測器對木星系統(tǒng)前后捕獲了近700次的觀測圖像，其中對木衛(wèi)三、木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)四四顆伽略衛(wèi)星都進行了圖像拍攝。2007年2月17日，美國時間10：01，新視野號探測器在距離木衛(wèi)三350萬公里的范圍內(nèi)拍攝了其觀測到的木衛(wèi)三的最佳圖像。圖像顯示，木衛(wèi)三表面那些古老地形的黑暗地帶被更明亮、更年輕的區(qū)域分割開來，整個結(jié)冰的表面布滿了最近的石隕石撞擊坑，這些隕石撞擊坑在木衛(wèi)三的地表濺起了新鮮明亮的冰。
哈勃望遠鏡觀測
伽利略號木星探測器于1996年所發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)三擁有自己的磁場，由于木衛(wèi)三在擁有自己的磁場的同時又身處木星磁場之內(nèi)受到木星磁場的作用，也就是說在木衛(wèi)三所在區(qū)域形成了木星與木衛(wèi)三的雙重磁場（磁場中的磁場）。受這種雙重磁場的影響，在木衛(wèi)三的南、北兩極區(qū)域產(chǎn)生了一種發(fā)光、熾熱的帶電氣體帶，并且由這個帶電氣體帶而形成了極光現(xiàn)象。木衛(wèi)三兩極的極光在木星磁場發(fā)生變化時也會隨之來回“搖擺”。科隆大學（University of 科隆 in Germany ）的約阿希姆·紹爾（Joachim Sauer）教授所帶領(lǐng)的科學家團隊想要通過哈勃空間望遠鏡（Hubble Space Telescope 簡稱：哈勃空間望遠鏡）對木衛(wèi)三南、北兩極的極光隨木星磁場變化而“搖擺”的現(xiàn)象進行觀測，以此來了解到更多有關(guān)木衛(wèi)三的內(nèi)部信息。通過哈勃太空望遠鏡的這種觀測，科學家們確定在木衛(wèi)三地殼之下存在有大量鹽水以影響其磁場，也就是找到了木衛(wèi)三地下咸水海洋存在的證據(jù)，為木衛(wèi)三上可能有地球以外生命的存在開辟了可能性。
朱諾號探測
為了探索木星，2011年8月5日，美國航空航天局從佛羅里達州（Florida）的卡納維拉爾角（Cape Canaveral）發(fā)射了名為“朱諾號”（Juno）的朱諾號木星探測器。了解更多關(guān)于木星及其衛(wèi)星的起源與演化，是朱諾號木星探測器的探測目標之一。科學家認為，了解木星系統(tǒng)將為我們的太陽系以及在其他恒星周圍發(fā)現(xiàn)的行星系統(tǒng)提供關(guān)鍵知識。2016年6月24日，朱諾號進入木星空間，十天后的7月4日，朱諾號成為繼“伽利略號木星探測器”之后，第二艘進入木星軌道的人造航天器。2018年7月，在朱諾號木星探測器完成了其對木星的飛越與探測任務(wù)之后，并沒有像伽利略號那樣被送入木星，而是以延長任務(wù)的方式對包括木衛(wèi)三在內(nèi)的木星的衛(wèi)星進行探測。
在美國國家航天航空局（美國航空航天局）所發(fā)射的所有探測過木星系統(tǒng)的探測器中，朱諾號木星探測器的觀測是距離木衛(wèi)三最近的一個。2021年6月7日，朱諾號木星探測器靠近到比以往任何航天器都更接近木衛(wèi)三的位置，并在對木衛(wèi)三的觀測中拍攝到了有史以來最高質(zhì)量的木衛(wèi)三圖像。圖像中非常詳細地展示了木衛(wèi)三的表面情況，其中包括隕石坑、清晰可見的黑暗和明亮地形，以及可能與木衛(wèi)三板塊相關(guān)的運動所形成的地表結(jié)構(gòu)特征。
已經(jīng)被取消的探測
木星冰月軌道器環(huán)木衛(wèi)三軌道探測計劃由于預算裁減，在2005年被取消。原計劃使用核裂變反應堆作為其動力來源，這將能夠?qū)δ拘l(wèi)三進行詳細勘查。另外還有一個被取消的計劃被稱為“宏偉的木衛(wèi)三”（The Grandeur of Ganymede）。
相關(guān)研究
根據(jù)美國國家航天航空局（美國航空航天局）研究人員安東尼·格雷修斯（Anthony Greicius）于2022年12月14日所發(fā)布的消息。有幾篇基于2021年6月7日朱諾號木星探測器飛越并探測木衛(wèi)三的研究論文在《地球物理學研究雜志》（Journal of Geophysical Research）與《地球物理學研究快報》（Geophysical Research Letters）上進行了發(fā)表。其主要內(nèi)容是在朱諾號飛越與探測木衛(wèi)三的基礎(chǔ)上再結(jié)合以往對木衛(wèi)三的相關(guān)觀測內(nèi)容，公布了包括木衛(wèi)三相關(guān)數(shù)據(jù)、內(nèi)部情況、表面成分、電離層及木衛(wèi)三與木星磁場相互作用的研究發(fā)現(xiàn)。
地表冰層研究
根據(jù)朱諾號木星探測器的探測結(jié)果及以往所有拍攝到的木衛(wèi)三圖像表明，木衛(wèi)三表面的特點是混合了較“古老”的黑暗地形、較“年輕”的明亮地形和明亮的隕石坑，以及可能由地質(zhì)活動所導致的溝、脊等線性特征的結(jié)構(gòu)所組成。為了深入研究，朱諾號探測器在飛越和探測木衛(wèi)三等伽利略衛(wèi)星的過程中，使用微波輻射儀（微波 radiometer 簡稱：MWR）對木衛(wèi)三（還有木衛(wèi)二）的冰殼之下進行了開創(chuàng)性的觀察，以獲得木衛(wèi)三冰層內(nèi)部結(jié)構(gòu)、純度和溫度等數(shù)據(jù)，其最深可探測到木衛(wèi)三地表之下約24公里的深度。
而后，研究人員將由朱諾號木星探測器通過微波輻射儀（microwave radiometer 簡稱：MWR）所獲取的數(shù)據(jù)與木衛(wèi)三的地表圖像相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)三地表不同的地理類型之間的差異不僅僅只是表面的形態(tài)差異。其中在溫度差異上，“年輕”明亮的地形似乎要比“古老”黑暗的地形更冷，所采樣到的溫度最低的區(qū)域是那些大型（城市大小）的石隕石撞擊坑。根據(jù)對比研究，科學家們初步分析表明，木衛(wèi)三的導電冰殼平均厚度可能約為30英里或更厚，而且有些局部地區(qū)的冰層可能會相對厚很多。
磁場極光研究
1996年，伽利略木星探測器通過在木衛(wèi)三附近的帶電粒子及小天體確定了木衛(wèi)三擁有自己的磁場。由于木衛(wèi)三本身被木星磁場所覆蓋，于是在木衛(wèi)三自身磁場與木星磁場所形成的雙重磁場的作用下，產(chǎn)生了環(huán)繞木衛(wèi)三南、北兩極的發(fā)光、熾熱的帶電氣體帶，進而形成了極光現(xiàn)象。科隆大學的約阿希姆·紹爾（Joachim Sauer）教授曾利用哈勃空間望遠鏡觀測木衛(wèi)三的這種極光隨木星磁場變化而“搖擺”的現(xiàn)象，通過觀測證實了木衛(wèi)三擁有地下咸水海洋的猜想。
后來木衛(wèi)三的磁場及由雙重磁場所產(chǎn)生的極光現(xiàn)象同樣成為了朱諾號木星探測器的重點探測任務(wù)之一。2021年6月，朱諾號木星探測器在接近木衛(wèi)三的過程中利用其所攜帶的磁性放大器（Magnetic Amplifier，簡稱MAG）及JADE木星極光分布實驗儀器進行了數(shù)據(jù)的收集與記錄，通過探測找到了木星和木衛(wèi)三之間的磁場連接有斷裂和重組的證據(jù)。同時朱諾號探測器的紫外線光譜分析器（ultraviolet spectrometer 簡稱：UVS）顯示木衛(wèi)三的紫外線極光發(fā)射被形成兩個橢圓形，分別包裹在木衛(wèi)三兩極的周圍。
相關(guān)文化
影視文化
在2015年首播，由羅伯特·里伯曼 、泰瑞·麥克多諾 、杰夫·伍爾諾 、比爾·約翰遜共同執(zhí)導；弗格斯 、霍克·奧斯比 、丹尼爾·亞伯拉罕 、納倫·尚卡 、杰森·寧 、泰·弗蘭克 、丹·諾瓦克 、羅賓·費思編劇；托馬斯·簡 、史蒂文·斯崔特 、卡斯·安瓦爾 、多米尼克·蒂珀 、約翰·查特曼 、索瑞·安達斯魯 、雅典娜·卡爾卡尼斯 、查德·科爾曼 、克里斯汀·哈格 、羅西弗·薩瑟蘭 、喬·平格 、埃利亞斯·托菲西斯 、薩拉米切等主演的美國大型科幻懸疑電視劇《蒼穹浩瀚 第一季》（The Expanse）中，木衛(wèi)三上的場景有扮演了重要角色。
《蒼穹浩瀚》（又名《無垠的太空》《太空無垠》《浩瀚天穹》）講述二百年后的未來，人類殖民太陽系。由于重力的影響，太陽系的人類逐漸分成了地球人、火星人和以小行星帶為主的谷神星人，彼此之間的關(guān)系由于資源的爭奪而變得緊張。警探Josephus Miller（托馬斯·簡 飾演）連同船長Jim Holden（史蒂文·斯崔特 飾演）與他的船員一起揭發(fā)了一個威脅秩序和平及人類生存的陰謀。
文學文化
3001：太空漫游
英國傳奇作家亞瑟·克拉克（Arthur C.Clarke）在為他的小說《3001:太空漫游》（3001:The Final Odyssey）創(chuàng)作木衛(wèi)三城時，受到了旅行者2號探測器（Voyager 2）所拍攝的圖像的啟發(fā)，根據(jù)圖像中顯示的木衛(wèi)三上的凹槽的山脊進行創(chuàng)作。
Farmer in the Sky
1950年，美國作家Robert A. Heinlein所創(chuàng)作的一本科幻書籍Farmer in the Sky所講述的就是一個十幾歲的男孩跟隨父親來到木衛(wèi)三建立農(nóng)場的故事。
其他文學作品
音樂文化
2008年，一對美國電唱組合將他們的樂隊命名為木衛(wèi)三，并發(fā)行了一首名為“Operation Ganymede”的歌曲。此外，獨立流行樂隊“Brazzaville”在聽說了木衛(wèi)三上可能有咸水海洋存在的消息后，也將一張專輯及其主打歌曲命名為“The Oceans of Ganymede”。
參考資料 >
Ganymede: Facts.NASA Science.2023-10-30
410 Years Ago: Galileo Discovers Jupiter’s Moons.NASA Science.2023-11-14
Ganymede Overview.NASA Science.2023-10-30
Information on Jupiter's satellites and comparison with other selected solar system bodies..National Aeronautics and Space Administration（NASA）.2023-10-31
Jovian Satellite Fact Sheet.National Aeronautics and Space Administration（NASA）.2023-11-01
太陽系最大衛(wèi)星木衛(wèi)三被稱冰蓋下有一片咸水海洋.閩南網(wǎng).2023-11-11
Ganymede vs Io (How Are They Different?).scopethegalaxy.com.2025-06-14
Mercury Fact Sheet.National Aeronautics and Space Administration（NASA）.2023-11-11
Moon Fact Sheet.National Aeronautics and Space Administration（NASA）.2023-11-11
太陽系中最大的衛(wèi)星 木衛(wèi)三體積是地球的0.0705倍.搜狐網(wǎng).2025-07-03
Ganymede: Exploration.NASA Science.2023-10-30 Hubble Finds First Evidence of Water Vapor at Jupiter’s Moon Ganymede.NASA Science.2023-11-13 Europa-IN DEPTH.NASA Solar System Exploration.2023-09-22 Ganymede: the Giant Moon.. Wayne RESA. .2023-12-23 NASA’s Juno Exploring Jovian Moons During Extended Mission.Extended Mission.2023-09-26 Jupiter Icy Moons Orbiter.The Internet Encyclopedia of Science..2023-12-23 蒼穹浩瀚 第一季 The Expanse Season 1.豆瓣電影.2023-11-01 3001：太空漫游.豆瓣電影.2023-11-01 Farmer in the Sky.豆瓣電影.2023-11-01 The Oceans of Ganymede.豆瓣音樂.2023-11-01