木星的卫星木卫一数十亿年来一直处于火山活动状态

木卫一、木卫二和木卫三处于一种称为拉普拉斯共振的轨道结构：对于木卫三的每一个轨道(距离木星最远的三个轨道)，木卫二恰好完成两个轨道，木卫一恰好完成四个轨道。在这种配置中，卫星之间的引力作用使它们被迫进入椭圆形而不是圆形轨道。这样的轨道使得木星的引力可以加热卫星的内部，导致木卫一的火山活动，并为冰冷的木卫二的地下液体海洋增加热量。

木卫一经历火山剧变多久了?换句话说，木星的卫星处于这种配置状态多久了?

加州理工学院研究人员的两项新研究测量了木卫一大气中的硫同位素，并确定卫星已经被锁定在这种共振舞蹈中数十亿年。木卫二的液态海洋长期以来一直被认为是生命进化的潜在场所，准确了解这些卫星的轨道已经这样运行了多长时间对于表征其长期宜居性至关重要。这些论文发表在《科学》和《JGR-行星》杂志上。

在地球上，我们可以通过化石和陨石坑找到过去事件的痕迹。然而，木卫一在不断变化，因此它的表面只有大约一百万年的历史，而月球本身大约有45亿年的历史。为了了解这颗木星卫星经历火山活动的时间有多长，研究人员检查了其大气中的化学物质。

木卫一没有水，因此火山喷出的气体的主要成分是硫，导致大气中90%是二氧化硫。在木卫一的动态火山循环中，表面附近的气体被吸收回内部，并再次回流到大气中。

Io上的硫原子有几种不同的形式或同位素。同位素是具有不同中子数量的给定元素的变体。例如，硫32和硫34都具有相同的质子数(16)，但前者有16个中子，后者有18个。额外的中子使元素物理上更重，因此在木卫一的大气中，较轻的同位素较重的同位素更有可能位于顶部，而较重的同位素更有可能位于底部，靠近月球表面。

表面并不是木卫一上唯一不断变化的特征——由于与木星磁场中的带电粒子碰撞，它的大气层也以每秒1吨的速度被吸入太空。由于较轻的硫同位素硫32在这些碰撞发生的大气层顶部附近更为丰富，因此与较重的同位素相比，该同位素的消耗不成比例。了解轻质硫的缺失量可以为了解月球火山活动的时间提供线索。

为此，研究人员利用智利的ALMA(阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列)望远镜(该望远镜本身被火山包围)来测量木卫一上的硫同位素。

研究人员从早期太阳系的残留物陨石中确定，太阳系形成时的比例约为每1个硫34原子对应23个硫32原子。如果木卫一自形成以来一直没有变化，那么它今天也会有同样的比率。然而，新的研究表明，木卫一已经失去了94%至99%的原始硫，这意味着这颗卫星数十亿年来一直处于火山活动状态，同时一直在将硫流失到太空中。

艾奥火山活动的持续时间表明，在木卫二和木卫三卫星形成后不久，它就与木卫二和木卫三发生了轨道共振。这支持了过去20年模型的预测，这些模型显示这些伽利略卫星——木卫一、木卫二、木卫三——应该在形成后很早就进入这种共振。

“木星系统只是卫星甚至系外行星发生此类共振的众多例子之一，”行星科学和天文学助理教授、赫夫斯特德勒家族学者、《科学》论文的第一作者凯瑟琳·德克莱尔说。“这种共振引起的潮汐加热是卫星的主要热源，可以为其地质活动提供动力。木卫一是最极端的例子，因此我们将其用作总体了解潮汐加热的实验室。”

在由前加州理工学院博士后学者EryHughes领导的JGR-Planets论文中，研究小组对木卫一的硫系统进行了复杂的建模，以探索木卫一历史的潜在情景，其中包括木卫一过去的火山活动比现在更加活跃的情况今天。

“由于大量的轻硫缺失，我们今天测量的大气中的硫含量相对‘重’。在木卫一的大气中实现如此重的硫的关键是将重硫埋回木卫一的内部，这样它就可以一次又一次地被火山释放，”休斯说，他现在是新西兰GNSScience的火山流体地球化学家。。“我们的模型表明，硫通过富含硫的霜之间的反应被困在木卫一的地壳中，这些霜是从大气中沉积下来的，与岩浆本身一起，使其最终被埋入木卫一的内部。”

研究人员下一步的目标是了解木卫一在其漫长的动态历史过程中可能失去了哪些其他气体。例如，虽然木卫一似乎不含水，但其他伽利略卫星却含有大量水。木卫一的内部是否曾经有过水，后来因火山活动而失去了水?