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2019-07-16木衛們的共振，唱著的是什麼歌？
590 期
Author 作者
文詠萱／自由工作者，主要工作項目為科普寫作還有音效設計。大學學的是宇宙中的星星，每天把星星掛在嘴上，也是蠻浪漫的。
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圖一：圍繞在木星周圍的伽利略衛星，由左而右分別是木衛一、二、三、四。（Image credit: NASA/JPL/DLR）
木星擁有全太陽系最大的天然衛星群，這些屬於木星的「月亮」雖然擁有相當平等的學術簡稱，卻分別以順時針、逆時針等不同的方向繞著木星轉，甚至在質量、大小等特性上也有很大的差別。時至今日，人類對木星（與它周圍的好夥伴們）究竟有多少了解？本文就從科學哲學正值興盛的16世紀開始說起。
朱比特的情人們著名科學家伽利略（Galileo Galilei）曾拿著望遠鏡探索星空世界，唯當時的望遠鏡倍率很低，但伽利略用了改良倍率的望遠鏡後，終於看到木星附近幾顆正圍繞在木星周圍旋轉的衛星，即是現今我們所說的木衛一、木衛二、木衛三及木衛四，統稱為「伽利略衛星（Galilean moons）」。其實一開始伽利略只看到其中的3顆，剩下的1顆是在數個月後才看到；但有人認為，伽利略並不是第一個看到這些衛星的人，中國天文學家早在伽利略發現木衛一到四的2000年前就已發現木衛三。伽利略衛星有著順行軌道，且軌道傾角與離心力較小，因此被歸類為規則衛星（regular moon），而木星的規則衛星除了伽利略衛星之外，還包含距離木星更近的數顆衛星。
星星們不僅擁有複雜又學究的名稱，人們也為其取了相當浪漫的別名，而這些命名邏輯其實也有跡可循，衛星的命名故事得從16世紀德國天文學家馬里烏斯（Simon Marius）說起。1610年，馬里烏斯和伽利略幾乎同時提出他們發現了這4顆木星衛星，伽利略曾多次指控馬里烏斯剽竊他的發現，但也不能排除2人是同時觀測到這幾顆星星的。彼時，馬里烏斯用古羅馬神話中眾神之王的名彙──朱比特（Jupiter，亦是木星的名字）4位喜愛的人為木衛一到四命名，分別為埃歐（IO）、歐羅巴（Europa）、蓋尼米德（Ganymede）及卡利斯多（Callisto），直到1975年國際天文聯合會（International Astronomical Union, IAU）發布木星衛星命名規則，往後觀察到的木星衛星便都以朱比特的情人或喜歡的人命名，如果名字被使用得差不多，則再以這些人於故事中的後代起名。
圖二：《木星世界》（Mundus iovialis）一書中馬里烏斯的畫像。（Wikimedia）
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圖三：埃歐表面充滿火山地貌，此為當地庫蘭火山口（Culann Patera）噴發。（NASA∕JPL∕University of Arizona）
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圖四：由哈伯望遠鏡拍攝到的木星極光，伴隨著埃歐、蓋尼米德與卡利斯特的發光足跡。（NASA∕ESA, John Clarke）
被衛星影響的極光
有趣的是，木星身邊的這些「親信」就如同人類社會間的互動，會對木星本身無論內外在產生一定程度的影響。比如說，木星的磁場除了受太陽風左右，也會被主要的衛星影響，在這之前要先說說埃歐。埃歐的表面和其他3顆伽利略衛星不同，他的表面覆蓋了大量的活火山及火山地貌，導致表面型態不停地改變，且約含有200多個火山口；因著火山噴出各種硫的同素異形體以及其他硫化物等化學成分，埃歐的表面呈現出不同的顏色，使得望遠鏡或探測器經過時，都能拍下色彩繽紛的照片。
回到木星磁場這個話題。木星兩極極光常駐，其所在範圍甚至比地球的還要大。地球的極光是來自磁層、太陽風的帶電高能粒子與大氣中的原子所碰撞出來的產物，木星上的極光卻與先前提到的埃歐火山噴發有關。埃歐的火山噴發物主要為二氧化硫、鈉與氫氣等氣體，伴隨而生的硫跟氧的離子散佈在木衛一附近，形成埃歐電漿環，最終對木星磁層產生影響，甚至會和極光進行交互作用。
木星衛星的表面與裡面
木星與衛星間的關係可說是環環相扣，如同木星本身， 這4顆衛星相較其它行星的衛星來說也大上許多，其中蓋尼米德是太陽系中最大的衛星，它的半徑大於水星，但質量卻小於水星。蓋尼米德的地表類似月球，有暗區與亮區；但與月球不同的是，它的暗區主要是古老的隕石坑，而亮區則是由年輕的山谷形成（月球亮區為較古老的隕石坑）， 這與表面組成有關，因為月球是由岩石覆蓋，蓋尼米德上頭則是一層冰體。
埃歐、歐羅巴及蓋尼米德的軌道運行呈共振狀態（resonance state），蓋尼米德每公轉1周，歐羅巴即公轉2周、埃歐則公轉4周。1989年由NASA發射的伽利略號探測器（Galileo）於1995年12月初左右接近木星，並6次飛掠蓋尼米德衛星，發現到它竟也擁有自己的磁場，並在後來的幾次飛掠後經資料分析，推測其擁有地下海洋（圖五），而蓋尼米德是太陽系中目前已知唯一有磁圈的衛星。
圖五：經伽利略號探測器獲取的資料分析，蓋尼米德可能有地下海洋，此為其可能的結構。
伽利略衛星中最小的一顆則是歐羅巴，其主要由岩石物質組成，僅含有10％的冰，內部如地球一般有密度較高的物質，其表面光滑，撞擊坑少，是太陽系中最光滑的星體，而其光滑的表面顯示歐羅巴表面地質相當年輕。此外，它的表面充滿縱橫交錯的暗色條紋，這代表其地表有板塊橫移現象，如同地球上的海脊。而透過伽利略探測器經過時搜集的資料發現，歐羅巴能在木星磁場下產生些微磁場，除了證實其內部有鐵核外，還推測在其冰層下有著鹹水海洋。
至於伽利略衛星中的卡利斯多，大小為木星衛星群第二大的衛星，表面的地質年紀十分古老，隕石坑累累、隕擊嚴重，幾乎達到飽和。而因其表面較少年輕隕石坑，缺少板塊運動的證據。
探索木星衛星
對於歐羅巴目前的照片多是由先鋒者（Pioneer）10與11號，於1973~1974年飛掠木星及其衛星群，及航海家（Voyager）1號及2號於1979年飛過時拍攝。而在1995~2003年，伽利略號多次飛過木星周圍時，近距離的搜集資料，提供更細微的木星及木星衛星表面細節。
科學家曾針對探索歐羅巴、蓋尼米德和卡利斯多探索提出木星冰月軌道器（Jupiter Icy Moons Orbiter）計畫，但因資金問題於2005年取消。雖此計劃被取消，但有許多探索木星衛星的計畫被提出，如2015年歐洲太空總署發布一項木星衛星探測計畫，預定於2022年發射木星冰月探測器（JUICE），針對蓋尼米德進行生命存在可能性評估，並探測海洋層特徵、研究冰殼特性等。
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圖六：埃歐、歐羅巴與蓋尼米德繞木星公轉角速度比例為4：2：1。（Wikimedia）
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圖七：SYSTEM Sounds 上按共振比例求出各衛星的相對音程。
會唱歌的4顆星星
在介紹過木星4個衛星相互的一些關係後，要來說說剛剛提到的埃歐、歐羅巴與蓋尼米德軌道成共振旋轉，比例為4：2：1，而卡利斯多也與這3顆星體有和諧的旋轉模式，即是與蓋尼米德成12：5的共振關係，也就是說蓋尼米德轉12圈，卡利斯多剛好轉5圈。
現在把這些衛星轉的速度加速，當超過20赫茲（Hz）（人耳可以聽到的最低頻率），轉換成音高時，這4個天體會因為是和諧頻率共振，而疊出和諧的音程。由於埃歐、歐羅巴、蓋尼米德3顆天體的共振比例是4：2：1，因此剛好是在3個不同八度音演奏同一個音符，而木衛三與木衛四接近一個八度再加一個小三度。名為SYSTEM Sounds 的網站（https://bit.ly/2SLmbud），有將木星這4 顆衛星的共振做成互動影片，可在網路上控制衛星旋轉的速度，聽聽木星的音樂。
其實不只有木星這4 顆衛星有和諧的現象，宇宙中也有許多天體以共振軌道運行，而太陽系就是一個大尺度的和諧共振系統。關於這一點，克卜勒（Johannes Kepler）在1619 年出版的《世界的和諧》（Harmonices Mundi）〔註一〕中，便說明了太陽系的音程比例，克卜勒當時在火星與木星之間發現了例外，兩者之間形成了不和諧比例，而這個不和諧的原因即是「小行星帶（asteroid belt）」所造成的，只是小行星帶在克卜勒過世之後才被發現。
科學家極力探索宇宙，想了解這美麗宇宙的樣貌與規律。木星衛星除了伽利略衛星外，外圍還有許多顆衛星等待科學家探索，期待未來能揭開更多木星衛星的面紗。
〔註一〕《世界的和諧》一書出版至今恰好400周年，也是克卜勒第三定律的400周年。根據瓦利斯（Charles Glenin Wallis）1939年英譯本卷尾指出，這部著作完成於1618年5月17~27日；但第五卷又於1619年2月9~19日在印刷過程中進行了修訂。