木星的卫星木卫一已经活跃了数十亿年

木星的卫星木卫一是太阳系中火山最活跃的地方。在1.8天的轨道上，这颗卫星受到木星的引力挤压，导致火山喷发比今天地球上的任何一次都大。

木卫一、木卫二和木卫三的轨道配置被称为拉普拉斯共振：木卫三的每一条轨道（离木星最远的轨道）都正好完成两个轨道，而木卫一正好完成四个轨道。在这种配置中，卫星在引力作用下相互拉扯，以至于它们被迫进入椭圆形而不是圆形轨道。这样的轨道允许木星的引力加热卫星的内部，导致木卫一的火山活动，并为冰冷的木卫二上的地下液态海洋增加热量。

木卫一经历火山剧变多久了？换句话说，木星的卫星在这种配置中存在了多长时间？

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地点，确切地了解这些卫星的轨道已经持续了多长时间，这对于表征其长期宜居性至关重要。这些论文于4月18日发表在 《科学》和 《JGR-Planets》 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特征。然而，木卫一正在不断变化，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了多长时间的火山活动，研究人员检查了其大气中的化学物质。

木卫一没有水，因此从火山喷出的气体的主要成分是硫，导致大气中90%的二氧化硫。在木卫一的动态火山循环中，地表附近的气体被归入内部，并再次反刍到大气中。

木卫一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的给定元素的变体。例如，硫-32和硫-34的质子数相同（16），但前者有16个中子，后者有18个中子。额外的中子使元素在物理上更重，因此在木卫一的大气层中，较轻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靠近月球表面的底部。

木卫一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发生碰撞，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在发生这些碰撞的大气顶部附近更丰富，因此与较重的同位素相比，该同位素的消耗不成比例。了解缺少多少轻硫可以为月球火山爆发多长时间提供线索。

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（一种本身被火山包围的望远镜）来测量木卫一上的硫同位素。

从早期太阳系的残骸陨石中，研究人员已经确定太阳系的形成比例大约为每1个硫-34原子的23个原子。如果木卫一自成立以来一直没有变化，那么它今天的比例也会相同。然而，这项新研究表明，木卫一已经失去了94%到99%的原始硫，这意味着月球已经火山活动了数十亿年，同时一直将硫流失到太空中。

木卫一火山活动的持续时间表明，在卫星形成后不久，它就被锁定在与木卫二和木卫三的轨道共振中。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——应该在它们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的众多例子之一，这些例子发生在这些类型的共振中，”行星科学和天文学助理教授，Hufstedler家庭学者， 科学 论文的第一作者Katherine de Kleer说。“由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，所以我们把它作为一个实验室来了解潮汐加热。

在由前加州理工学院博士后学者Ery Hughes领导的 JGR-Planets 论文中，该团队对木卫一的硫系统进行了复杂的建模，以探索月球历史的潜在情况，包括一些木卫一过去的火山活动比今天更活跃的情况。

“由于缺少大量轻硫，我们今天测量的大气中的硫含量相对较’重’。在木卫一大气中实现如此重硫的关键是将重硫埋回木卫一内部的过程，以便火山可以一次又一次地释放出来，“休斯说，他现在是新西兰GNS科学的火山流体地球化学家。“我们的模型表明，硫被困在木卫一的地壳中，这是由大气中沉积的富含硫的霜冻和岩浆本身引起的，使其最终被埋入木卫一的内部。

研究人员接下来的目标是了解木卫一在其漫长的动态历史过程中可能损失了哪些其他气体。例如，虽然木卫一似乎没有水，但其他伽利略卫星却有很多水。木卫一内部是否曾经有水，后来因火山活动而失去水？

这篇科学论文的标题是“木卫一上长寿火山活动的同位素证据”。加州理工学院的其他合著者是休斯和约翰·艾勒（John Eiler），罗伯特·夏普（Robert P. Sharp）地质学和地球化学教授。其他合著者是加州大学圣克鲁斯的弗朗西斯·尼莫;加州理工学院为美国宇航局管理的JPL的Amy Hofmann（PhD ’10）;纽约大学的Statia Luszcz-Cook;以及美国宇航局戈达德太空飞行中心的凯西·曼特（Kathy Mandt）。资金由美国国家科学基金会、加州理工学院比较行星演化中心、美国宇航局罗塞塔数据分析计划、JPL 和 NAASC 提供。

JGR-Planets的论文标题为“使用Io的硫同位素循环来了解潮汐加热的历史”。Ery Hughes是该研究的第一作者。加州理工学院的其他合著者是 de Kleer 和 Eiler。其他合著者是 Nimmo、Mandt 和 Hofmann。资金由3CPE，美国国家科学基金会，NASA ROSES Rosetta数据分析计划和JPL提供。