木卫三

木卫三（Ganymede^[1]或Jupiter III^[2]）又名格尼梅德^[1][6]，与木卫一、木卫二、木卫四一起被称为美第奇星^[4]或伽利略卫星^[3]。木卫三是围绕木星运行的四颗大型卫星中最大的一颗，同样也是太阳系中体积和质量最大的天然卫星^[7][11]，其直径甚至大于水星，而质量约为水星的一半^[11][12]，表面引力^[8]略小于水星^[13]、木卫一^[8]或月球^[14]。木卫三还是太阳系中唯一具有强大磁场的卫星^[1]。

木卫三是太阳系中最大的卫星^[7]，公转周期与自转周期相同，都为7.155个地球日。^[1]其半径为2631km，比水星、冥王星都要大^[1]。其密度为1940kg/m³^[8]，主要由硅酸盐岩石和冰体构成^[12]。其结构主要分为三层，最核心是一个金属铁芯，中间层为岩石地幔，最外面则是冰壳及地下海洋。此外木卫三还拥有极其稀薄的大气，主要为氧气，非常稀薄，地表平均温度-160℃。^[8][1]木卫三表面主要成分为冰，地形上分布着因地壳运动所形成的“凹槽”与“山脊”以及相对平坦的陨石坑。^[1]木卫三是太阳系中唯一拥有自己磁场的卫星，其磁场与木星的磁场叠加形成双重磁场，受双重磁场的影响，木卫三南、北两极被带电气体带所环绕并形成极光。^[1]

早在公元前364年，中国战国时期楚国天文学家甘德就已经观测到木卫三的存在^[5]。^[9]后来近两千年后的1610年1月7日，意大利科学家伽利略·伽利雷（Galileo Galilei）观测到了四颗绕木星运行的大型卫星，并将他们命名为“美第奇星^[6]”，木卫三就是其中之一^[7]。但是1614年，德国天文学家西蒙·马吕斯（Simon Marius）在其《木星的世界》中却声称自己在伽利略之前发现了木星的卫星^[15]，并以希腊神话中神的斟酒者、宙斯的爱人格尼梅德（Ganymede）为木卫三命名^[6][16]。之后，先驱者10号（Pioneer 10 或 Pioneer F）、旅行者1号（Voyager 1）、伽利略号木星探测器（Galileo）等多次飞越木星系统并对木卫三进行探测与拍摄^[17]。从1973年12月3日拍摄了木卫三首张照片开始，通过探测逐渐明确了木卫三的结构、发现木卫三拥有磁场、木卫三存在地下海洋等等信息。^[17]此外，据2021年7月26日NASA所发布的信息显示，科学家还探测到木卫三的大气中存在有水蒸气的证据。^[18]

早在2000多年前的中国战国时期，就已经出现了关于木星及木星系统的记载，当时称呼木星为“岁星”，而且在《左传》《国语》等史书中通常都有用“岁星”的位置来记载某一事件发生年代的惯例。^[9]公元前364年，战国楚国天文学家甘德用肉眼观测到了木卫三的存在^[5]，并在其著作《星经》与《天文星占》中留下了“岁星及其旁边小星所组成的系统，小星从属于岁星”的记载，也就是现代所说的木星及其卫星系统。此外，甘德还通过颜色比对的方法对当时所观测到的包括木卫三在内的四颗大型木星的卫星进行了区分，他观测到木卫三的颜色呈黄色，这与现代科学所探测到的木卫三的外观相一致。^[9]

后来在距离甘德近2000年之后的1610年1月7日，意大利科学家伽利略·伽利雷（Galileo Galilei）通过自己改进的20倍自制望远镜在观测木星时^[2]，发现与木星处在同一条直线上的、紧挨着木星的三颗天体，其中两颗在木星一侧，一颗在另一侧。这三颗紧挨着木星的天体就是木卫一、木卫二、木卫三与木卫四，只不过当时的木卫一与木卫二相距太近，所以伽利略将其误认为是同一个天体。直到第二天（1610年1月8日）夜里，木卫一与木卫二移动开了一段距离，伽利略才意识到紧挨着木星的天体不是三颗而是四颗。在之后的几个星期里，伽利略通过对它们相对运动的观测从而确定这是四颗围绕木星运动的卫星^[6]，并精确计算出包括木卫三在内的四颗卫星的运动轨道。木卫三是四颗木卫星中最大的一颗，也是太阳系中最大的卫星^[19][7]。1610年3月，伽利略把自己的观测发现及笔记内容加以总结后进行了发表，并取名为《星际信使》，其中包括有他对木星卫星的观测发现。^[2]

包括木卫三在内的四颗大型木卫星的发现永远改变了人们看待太阳系的方式，因为这是人类第一次发现的绕地球或太阳以外的轨道运行的天体，这为波兰天文学家哥白尼（波兰语名：Mikołaj Kopernik）的理论提供了有力证据，也就是证实了大多数天体都不是绕地球运转的。^[17]

伽利略身为四颗大型木星卫星的发现者，拥有对四颗卫星的命名权。出于对自己研究赞助者柯西莫·美第奇二世（Cosimo Ⅱ de’Medici）的感谢，伽利略将这四颗木星的卫星命名为美第奇星。^[4][6]尽管同时代的天文学家并不喜欢这个出于政治敏感性而提出的命名^[6]，但在十七世纪的大部分时间里天文学界依然称呼它们为美第奇星^[2]。

然而1614年，德国天文学家西蒙·马吕斯（Simon Marius）却在其著作《木星的世界》中宣称，自己早在1609年12月就发现了木星卫星，并在1610年1月8日已开始对观察进行记录。^[15][6]同时，西蒙·马吕斯还采用希腊神话中的名字分别为四颗木卫星命名，其中以希腊神话中神的斟酒者、宙斯的爱人格尼梅德（Ganymede）为木卫三命名^[6][16][4]。此外，德国天文学家约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler）也建议采用马吕斯的这种命名方式。^[2][17]

对于马吕斯的这种命名，伽利略并不喜欢^[6]，于是在自己的笔记中，伽利略按照这四颗卫星与木星距离由近到远的顺序分别用罗马数字I、II、III 和 IV 来对它们进行区分与称呼，也就是分别称呼它们为木卫一（Jupiter I）、木卫二（Jupiter II）、木卫三（Jupiter III）与木卫四（Jupiter IV），同时其他天文学家也都遵循了这样的称呼方式。^{[17][2][3][6]}后来直到20世纪，有越来越多的天体被以罗马神话中的人物命名了之后，以希腊神话人物为木星的卫星命名的方式才得以被天文学家广泛使用。^[6]此外，为了纪念伽利略的发现，它们又被统称为伽利略卫星^[3][6]。还有就是为了纪念中国战国时期伟大的天文学家甘德在天文学方面所作出的重要贡献，中国专家与学者建议把木卫三命名为“中国甘德卫星”或“甘德卫星”。^[5]

美国国家航天局（NASA）发射的朱诺号木星探测器（Juno）的探测任务之一就是了解更多关于木星及其卫星的起源与演化。科学家认为，包括木卫三在内的伽利略卫星，都可能是在太阳系历史的早期、在木星形成的过程中，由形成木星的残余物质及木星周围的气体、尘埃云等凝结而成，因此木卫三的年龄应该与太阳系差不多，大约为45亿年。^[1]

也就是说在太阳系形成的过程中，太阳周围的初始气体和尘埃云慢慢聚集并凝结成为地球、木星等行星；而在木星形成的同时，木星周围的一些剩余物质（尘埃云等）也会慢慢聚集并凝结成为一些大型卫星，其中就包括了木卫三与木卫二等伽利略卫星。^[20]事实上，木星及其卫星所组成的系统与太阳系有着极其相似的属性。比如，太阳系中的每颗行星的密度都低于其内邻（越靠近太阳的行星，密度越大），与之对应的木星的卫星中也是如此，距离木星越远，密度越小。而导致这一现象的原因是由于密度较大的岩石和金属物质会首先凝结出来，而密度较小的物质则需要在更冷的距离才会凝结。因此，遵循相同原理的木卫三等卫星也与太阳系的其他行星一样，都是由它们母星的残余物所凝结而成的。因此，木星与其伽利略卫星所组成的系统又被称为“迷你太阳系”。^[20]

木卫三可能由木星次星云——即在木星形成之后环绕于其四周的、由气体和尘埃组成的圆盘——的吸积作用所产生。木卫三的吸积过程持续了大约1万年，相较于木卫四的10万年短得多。当木卫四开始形成之际，木星次星云中所含的气体成分已经相对较少；这导致了木卫四较长的吸积时间。相反，由于木卫三是紧接木星之后形成的，这时的次星云还比较浓密，所以其吸积作用所耗时间较短。^[21][22]相对较短的形成时间使得吸积过程中产生的热量较少逃逸，这些未逃逸的热量导致了冰体的融化和木卫三内部结构的分化：即岩石和冰体相互分开，岩石沉入星体中心形成内核。在这方面，木卫三与木卫四不同，后者由于其较长的形成时间而导致吸积热逃逸殆dài尽，从而无法在初期融化冰体以及分化内部结构。^[23]这一假说揭示了为何质量和构成物质如此接近的两颗卫星看起来却如此不同。^[24][23]

在其形成之后，木卫三的内核还保存了大部分在吸积过程和分化过程中形成的热量，它只是缓慢的将少量热量释放至冰质地幔层中，就如同热电池的运作一般。接着，地幔又通过对流作用将热量传导至星体表面。不久岩石中蕴含的放射性元素开始衰变，产生的热量进一步加热了内核，从而加剧了其内部结构的分化，最终形成了一个铁-硫化亚铁内核和一个硅酸盐地幔。^[23][24][25]至此，木卫三内部结构彻底分化。与之相比较，未经内部结构分化的木卫四所产生的放射性热能只能导致其冰质内部的对流，这种对流有效地冷却了星体，并阻止了大规模的冰体融化和内部结构的快速分化，同时其最多只能引起冰体与岩石的部分分化。现今，木卫三的冷却过程仍十分缓慢。^[25][26]从其内核和硅酸盐地幔所释放出的热量使得木卫三上的地下海洋得以存在，同时只是缓慢冷却的流动的铁-硫化亚铁内核仍在推动星体内的热对流，并维持着磁圈的存在。现在木卫三的对外热通量很可能高于木卫四。^[23][25][27]

木卫三是太阳系中已知的最大卫星^[7]，其半径为2631km，比水星、冥王星都要大^[1]。木卫三密度1940kg/m³^[8]，意味着它的含冰量比木卫一与木卫二更高^[19]。木卫三拥有自己的磁场，且作为太阳系唯一带有磁场的卫星，其内部由内到外已经分化出地壳、地幔和熔融的铁核等层次。^[19]也就是说，木卫三的中心是铁核，中间中岩层地幔，最外层是冰与水，此外木卫三的上空还拥有主要成分为氧气的稀薄大气层。木卫三地表主要由冰构成，表面分布着因地质运动而形成的较深的凹槽及相对平整的陨石坑。美国国家航空航天局（NASA）通过伽利略号木星探测器（Galileo）与哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope，缩写：HST）观测到木卫三地下咸水海洋存在的证据，其海洋的含水量比地球还大。^[1]运行轨道方面，木卫三与木卫一、木卫二一起产生轨道共振，同时受到木星潮汐力的作用，木卫三与木星的轨道距离约107万公里。^[1]

木卫三的平均密度为1.936g/cm3，它是由近乎等量的岩石和水构成的，后者主要以冰体形式存在。^[28]冰体的质量占卫星总质量的46-50%，比之木卫四稍低。此外可能还存在某些不稳定的冰体，如氨的冰体。^[29][30]木卫三岩石的确切构成还不为人知，但是很可能接近于L型或LL型普通球粒陨石，这两类陨石较之H球粒陨石，所含的全铁和金属铁较少，而铁氧化物较多。在木卫三上，以质量计，铁和硅的丰度比为1.05-1.27，而在太阳中，则为1.8。^[29]

木卫三表面的反照率约为0.43。^[31]冰体水广泛存在于其表面，比重达到50-90%，^[28]高出整体比重许多。利用近红外光谱学，科学家们在1.04、1.25、1.5、2.0和3.0微米波长段发现了强烈的冰体水的吸附带。^[31]明亮地带的槽沟构造可能含有较多的冰体，故显得较为明亮。^[32]除了水外，对伽利略号和地基观测站拍摄的高分辨率近红外光谱和紫外线光谱结果的分析也显示了其他物质的存在，包括二氧化碳、二氧化硫，也可能还包括氰qíng、硫酸氢盐和多种有机化合物。^[28][33]此外伽利略号还在木卫三表面发现了硫酸镁、硫酸钠等物质。这些盐类物质可能来自于地表之下的海洋。^[34][35]

木卫三的表面是不对称的：其同轨道方向的一面要亮于逆轨道方向的一面。这种状况类似于木卫二，而和木卫四的状况正好相反。^[31]此外，木卫三同轨道方向一面似乎富含二氧化硫。^[36][37]而二氧化碳在两个半球的分布则相对均匀，尽管在极地地区并未观测到它的存在。^[33][38]木卫三上的撞击坑（除了一个之外）并不富含二氧化碳，这点也与木卫四不同。木卫三的二氧化碳可能在过去的一段时期已经被消耗殆尽了的说法不确切。^[38]

木卫三的结构大至分为三层，其最中心是一个金属铁芯，接着一层是包裹核心的岩石地幔，最外层是包裹岩石地幔的水与冰（主要成为为冰的外壳以及冰壳之下的地下海洋）。木卫三地表的主要成分是冰，其表面也就是冰壳的顶部，科学家还在木卫三的地表之下发现了不规则的团块，这些不规则的团块物质可能是由木卫三的冰壳支撑了数十亿年的岩层。此外，通过计算机对木卫三内部结构的模型显示，木卫三的最外层很可能又分成很多层，其构成就像是由水与冰相互叠加与隔开的多层三明治一样。^[1]

木卫三地表的主要成分是冰，其地表也就是冰壳的顶部，根据美国国家航天局（NASA）所发射的朱诺号（Juno）木星探测器在2021年6月对木卫三所拍摄的图像可知，木卫三的地表主要存在有两种不同类型的地形，其一是大而明亮的山脊区域，另一是较暗地形的凹槽，这表明木卫三的地壳一直处于全球构造过程的张力之下。其中，百分之四十的区域被密集的坑坑洼洼所覆盖，这部分区域在图像上显示为颜色偏黑的暗区；另外百分之六十则的区域则正好相反，被浅槽地形所覆盖，在图像上的颜色相对白、亮，这两种地形在木卫三的地表形成了复杂的图案。^[1]木卫三的表面布满凹槽，其中一些凹槽的沟脊高达700米，并且凹槽在木卫三的地表一直延伸数千英里，这些凹形的沟槽在木卫三的表面形成明亮的冰纹和山脉。^[1]相对于沟槽，木卫三上的大陨石坑基本相对平坦，这可能是因为木卫三的地表为相对柔软的冰面。此外，木卫三上陨石坑周围还可以看到明亮和黑暗的喷出物射线。^[1]木卫三表面明亮的冰纹和山脉是板块活动的结果，这些结构比黑暗的陨石坑要年轻一些。^[19]

2004年，科学家还在木卫三的地表冰壳之下发现了不规则的团块物质，这些不规则的团块物质可能是由木卫三的冰壳支撑了数十亿年的岩层。科学家以此断定，木卫三表面的冰壳足够坚固，以使其能够支撑起那些沉积在冰壳下方的岩层。当然，还有一种可能性就是这种异常现象也可能是由底部直接堆积起来的岩石所引起的。^[1]

美国国家航空航天局通过哈勃太空望远镜对木卫三的观测，不但发现了木卫三上地下海洋存在的证据，同时还发现木卫三上空存在有稀薄的氧气。研究人员认为氧气来自于木卫三的表面，这表明在木卫三的表面存在有稀薄的大气层。^[1]由于距离太阳相对较远，木卫三及木星与其他伽利略卫星所接收到的阳光量不到地球的三十分之一，再加上其大气层极度稀薄，根本不足收集热量形成保温效果，因此木卫三地表的气温比起地球要冷得多，其地表白天的最低气温为-297华氏度（-182.8摄氏度），最高气温-171华氏度（-112.8 摄氏度）^[1]，平均温度为-160摄氏度^[8]。

中性大气层的存在着木卫三上也应该存在电离层，因为氧分子是在遭受来自磁圈和太阳远紫外辐射的高能电子轰击之后而电离的。^[39][40]但是和大气层一样，木卫三电离层的性质也引发了争议。伽利略号的部分观测发现在木卫三表面的电子密度较高，表明其存在电离层，但是其他观测则毫无所获。^[40]通过各种观测所测定的木卫三表面的电子密度处于400–2500 cm−3范围之间。及至2008年，木卫三电离层的各项参数仍未被精确确定。^[41]

科学家在20世纪70年代首次提出了木卫三存在地下海洋的设想，而后1996年，伽利略号木星探测器在木卫三发现了磁场，这一发现使木卫三地下海洋的存在得到了证实^[1]。因为磁场的存在表明木卫三的表面存在矿物盐，这意味着其内部曾有液态水向外喷发。^[19]同时，美国国家航空航天局（NASA）通过哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope，缩写：HST）也观测到很多木卫三地下咸水海洋存在的证据。据估计，木卫三地下海洋大约位于150km厚的地壳之下（地壳的主要成份是冰），含水量预计比地球表面所有水都多，其深度预计约有100km，是地球海洋深度的10倍以上。^[1]此外，根据计算机模拟出的木卫三内部结果显示，木卫三的地表之下也就是外壳与地下海洋的接触部分可能分成很多层，其构成就像是由水与冰相互叠加与隔开的多层三明治一样^[1]。

1996年，美国国家航空航天局（NASA）通过伽利略号木星探测器（Galileo）在木卫三周围发现了一个由带电粒子组成区域，此区域内围绕着许多微小天体，这种现象以前从未在其他卫星周围发现过，这表明木卫三拥有有自己的磁场，也是太阳系中唯一拥有自己磁场的卫星。此外，伽利略号还捕捉到了木卫三磁层所产生的静电所发出的声音（口哨声）^[1]。由于木卫三靠近木星，所以会受到木星磁场的影响，这样木卫三本身的磁场就会嵌入或位于木星的磁场之中，这导致在围绕木卫三南、北两极的区域会产生一种发光、炽热、带电的气体带，这个气体带会形成极光现象。而当木星的磁场发生变化时，木卫三两极的极光也会以来回“摇摆”的方式发生变化。对此，德国科隆大学（University of Cologne in Germany ）的约阿希姆·绍尔（Joachim Sauer）教授所领导的科学家团队计划通过哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope 简称：HST）对木卫三南、北两极的两个极光的这种“摇摆”运动进行观察，以便了解到更多有关木卫三的内部信息。^[1]

1995年至2000年间，伽利略号共6次近距离飞掠过木卫三，发现该卫星有一个独立于木星磁场之外的、长期存在的、其本身所固有的磁矩，[59]^[42]其大小估计为1.3 × 1013 T·m3，比水星的磁矩大三倍。[13] 其磁偶极子与木卫三自转轴的交角为176°，这意味着其磁极正对着木星磁场。[13] 磁层的北磁极位于轨道平面之下。由这个长期磁矩创造的偶极磁场在木卫三赤道地区的强度为719±2纳特斯拉，[13] 超过了此处的木星磁场强度——后者为120纳特斯拉。木卫三赤道地区的磁场正对着木星磁场，这使其场线有可能重新聚合。而其南北极地区的磁场强度则是赤道地区的两倍，为1440纳特斯拉。[13]^[43]

长期存在的磁矩在木卫三四周划出一个空间，形成了一个嵌入木星磁场的小型磁层。木卫三是太阳系中已知的唯一一颗拥有磁层的卫星。[59] ^[42]其磁层直径达4-5RG （RG=2,631.2公里）。[60]^[44]

同时，木卫三上磁场的存在，也意味着其表面矿物盐的存在，也就是说木卫三的内部曾经有液态水喷发出来，科学家据此推测出木卫三地下咸水海洋存在的证据。^[19]

木卫三绕木星运行的轨道距离为107万公里（也就是木卫三与木星的距离），在四颗伽利略卫星中排名第三（木卫一的轨道距离为42万公里，木卫二为66.4万公里，木卫四为189.6万公里），其绕木星运动的周期约7.155个地球日。^[1][8]此外，作为木星系统的一员，木卫三与整个木星系统一起距离太阳约5.2个天文单位^[注1]，每12个地球年与木星及其他木星卫星一起绕太阳一周。^[1]

木卫一、木卫二与木卫三的运行轨迹以4：2：1的比例发生轨道共振，也就是说木卫三绕木星运行一周的时间，木卫二则恰好围绕木星运行两周，同时木卫一刚好围绕木星运行四周。^[1]由于法国数学家、天文学家拉普拉斯对这种轨道共振做出了关键性解释，所以这种轨道共振又被命名为“拉普拉斯共振”。^[19]受这种轨道共振的影响，木卫一、木卫二与木卫三在轨道上相互给彼此引力的牵引，使它们的运行轨迹都没法形成圆形，共振迫使他们的轨道有小幅度的偏心并形成椭圆^[1]，其中，木卫三的轨道偏心率为0.001。^[8]它的轨道离心率很小，轨道倾角也很小，接近于木星赤道，同时在数百年的周期里，轨道的离心率和倾角还会以周期函数的形式受到太阳和木星引力摄动的影响。变化范围分别为0.0009-0.0022和0.05-0.32°这种轨道的变化使得其转轴倾角在0-0.33°之间变化。^[45]同时，椭圆的运行轨道使木卫三在不同运行位置所受到的木星引力不同，这种引力差异产生潮汐，受木星潮汐锁定与作用的结果，导致木卫三与木星像月球与地球一样，总是以同一个半球面向木星，也因此木卫三的自转周期与其绕木星的公转周期一样为7.155个地球日。^[1]

人们还无法确切知晓木卫一、木卫二和木卫三之间的拉普拉斯共振是如何形成的。现今存在两种假说：一种认为这种状态在太阳系形成之初即已存在；^[46]另一种认为这种状态是在太阳系形成之后才发展出来的。一种可能的形成过程如下：首先是由于木星的潮汐效应，致使木卫一的轨道向外推移，直至某一点与木卫二发生2:1的轨道共振；之后其轨道继续向外推移，同时将部分的旋转力矩转移给木卫二，从而也引起了后者的轨道向外推移；这个过程持续进行，直到木卫二到达某一点，与木卫三形成2:1的轨道共振。最终三者之间的两对上合现象的位置移动速率保持一致，形成拉普拉斯共振。^[47]

在伽利略发现并公布了四颗伽利略卫星360多年后，美国国家航空航天局（NASA）先后发射了先驱者10号（Pioneer 10 或 Pioneer F）与先驱者11号（Pioneer 11）探测器，首次与木星系统交会并对包括木卫三在内的伽利略卫星进行观测。^[17]“先驱者10号”与“先驱者11号”探测器，是人类真正深空探索的“先行者”或“探路者”，因为他们将执行之前从未有过的横渡行星带任务。先驱者10号是第一个与木星及木星强烈的辐射带交会的探测器，而先驱者11号则会在先驱者10号的基础上，保障飞越木星并探测木星的任务得以完成。^[48]

1972年3月2日，先驱者10在美国东南部的佛罗里达州（Florida）的卡纳维拉尔角（Cape Canaveral）空军基地由宇宙神-半人马座运载火箭发射，成为第一个要近距离观测木星系统的太空飞船。按照当时的设想，如果小行星带及木星系统的磁力圈被证实对先驱者10号有危害，那么随后而来的先驱者11号就成为一个后备太空飞船，以完成对木星系统进行飞越与探测的主要任务。当然，美国国家航天局也可能根据情况改变先驱者11号通过木星的引力助飞前往土星的计划，而具体如何执行，则完全取决于先驱者10号与木星系统的交会结果。^[48]1973年12月3日，先驱者10号最近距离与木星进行了接触，它不仅发现了木星是一颗液态氢的行星，还对四颗伽利略卫星进行了探测。^[48]先驱者10号的探测帮助人类首次获得了木星及其三颗最大卫星（木卫三、木卫四与木卫二）的特写图像，只是当时并没能拍摄到木卫一的图像。^[17]

先驱者10号的“姐妹飞船”先驱者11号于1973年4月5日发射，1974年12月2日，先驱者11号与木星在相距4.3万千米的位置交会，对木星系统进行了进一步的探测与拍摄。^[48]1974年12月3日，先驱者11号在距离木星最近时拍摄了木星极地的第一张照片。先驱者11号在距离木卫三692200公里的范围内通过，并在木卫三的轨道上发现了高电子流。^[17]

在1979年之前，天文学家一直认为土星的卫星土卫六（Titan，又称为泰坦星）是太阳系中最大的卫星，直到美国国家航空航天局（NASA）发射了旅行者1号（Voyager 1）与旅行者2号（Voyager 2）探测器并于1979年飞越了木星系统。根据旅行者号探测器的探测结果，木卫三比土卫六要大，甚至比水星与冥王星还要大。^[17]旅行者1号在经过木星系统时共拍摄了约1.8万张照片，它对包括木卫三在内的所有伽利略卫星都进行了拍摄。^[49]旅行者1号所拍摄到的图像显示，木卫三的地表主要有两种不同类型的地形——坑洞和凹槽，科学家对此认为木卫三的整个冰壳一直受到全球构造过程的张力。^[17]

美国宇航局于1989年10月18日发射的伽利略号木星探测器（Galileo）是第一个绕木星运行的探测器。^[50][17]伽利略号木星探测器的一项重要任务就是在反复飞越木星轨道时对包括木卫三在内的四颗伽利略卫星进行观测^[20]。1995年9月7日，伽利略号木星控测器成功进入环绕木星的赤道轨道，开始绕木星运行，也正式开启了对木星及伽利略卫星的探测工作。^[50]在探测的过程中，伽利略号木星探测器使用各种仪器对木卫三进行了多次观测与飞越，尽可能收集木卫三上的信息与数据。^[17]伽利略号木星探测器对木卫三进行探测的一个重大成果就是发现了木卫三拥有自己的磁场，其于1996年在木卫三周围发现了一个由带电粒子组成的区域，此区域内围绕着很多小天体，这表明木卫三拥有自己的磁场，而且这种现象是在卫星上第一次见到，此前从未有在其他卫星上发现过，也就是说木卫三是太阳系中唯一一个拥有自己磁场的卫星。^[17][1]科学家根据木卫三上的磁场，推测出木卫三地下咸水海洋的存在。^[19]

伽利略号在距离木卫三835公里的范围内飞行探测，它在发现磁场的同时，甚至捕捉到了由木卫三磁场静电所产生的“口哨声”，并且对木卫三进行近距离特写图片的拍摄。由伽利略号木星探测器所拍摄到的木卫三图像显示，在木卫三的地表分布着被冰所覆盖着的“年轻”的火山与平原，以及与之相邻的“古老”的、坑坑洼洼的由冰原与凹槽所组成的山脊状冰山及平滑宽阔的盆地，科学家认为这些都是木卫三上板块活动的产物。^[17]伽利略号探测器对木星系统的探测一直持续到2003年9月21日，当时的伽利略号探测器为了避免与一颗木星的卫星碰撞从而对卫星表面造成生物污染，于是选择从木星轨道调整进入了与木星发生碰撞的轨道，此后永远的留在了木星。^[50]

也就在伽利略号木星探测器对木星系统进行探测的时候，美国国家航空航天局所发射的卡西尼号（Cassini）土星探测器在前往土星执行探测任务的过程中途经了木星系统。2000年，卡西尼号探测器在飞越木星系统的数周时间里与伽利略号探测器一起对木星系统进行了观测。2000年12月，卡西尼号探测器在最接近木星的位置从一个特殊的角度拍摄并传回了木星与木卫三的同框对比图。^[17]

2007年，由美国国家航空航天局发射的新视野号（New Horizons）冥王星探测器在前往冥王星的路上途经木星系统。于是新视野号探测器便在距离木星230万公里的位置对木星系统进行了观测。在这个过程中，新视野号探测器对木星系统前后捕获了近700次的观测图像，其中对木卫三、木卫一、木卫二、木卫四四颗伽略卫星都进行了图像拍摄。2007年2月17日，美国时间10：01，新视野号探测器在距离木卫三350万公里的范围内拍摄了其观测到的木卫三的最佳图像。图像显示，木卫三表面那些古老地形的黑暗地带被更明亮、更年轻的区域分割开来，整个结冰的表面布满了最近的陨石撞击坑，这些陨石撞击坑在木卫三的地表溅起了新鲜明亮的冰。^[17]

伽利略号木星探测器于1996年所发现木卫三拥有自己的磁场^[1][17]，由于木卫三在拥有自己的磁场的同时又身处木星磁场之内受到木星磁场的作用，也就是说在木卫三所在区域形成了木星与木卫三的双重磁场（磁场中的磁场）。受这种双重磁场的影响，在木卫三的南、北两极区域产生了一种发光、炽热的带电气体带，并且由这个带电气体带而形成了极光现象。木卫三两极的极光在木星磁场发生变化时也会随之来回“摇摆”。德国科隆大学（University of Cologne in Germany ）的约阿希姆·绍尔（Joachim Sauer）教授所带领的科学家团队想要通过哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope 简称：HST）对木卫三南、北两极的极光随木星磁场变化而“摇摆”的现象进行观测，以此来了解到更多有关木卫三的内部信息。^[1][17]通过哈勃太空望远镜的这种观测，科学家们确定在木卫三地壳之下存在有大量盐水以影响其磁场，也就是找到了木卫三地下咸水海洋存在的证据，为木卫三上可能有地球以外生命的存在开辟了可能性。^[17]

为了探索木星，2011年8月5日，美国宇航局从佛罗里达州（Florida）的卡纳维拉尔角（Cape Canaveral）发射了名为“朱诺号”（Juno）的木星探测器。^[50]了解更多关于木星及其卫星的起源与演化，是朱诺号木星探测器的探测目标之一。科学家认为，了解木星系统将为我们的太阳系以及在其他恒星周围发现的行星系统提供关键知识。^[1]2016年6月24日，朱诺号进入木星空间，十天后的7月4日，朱诺号成为继“伽利略号”之后，第二艘进入木星轨道的人造航天器。^[50]2018年7月，在朱诺号完成了其对木星的飞越与探测任务之后，并没有像伽利略号那样被送入木星，而是以延长任务的方式对包括木卫三在内的木星的卫星进行探测。^[51]

在美国国家航天航空局（NASA）所发射的所有探测过木星系统的探测器中，朱诺号木星探测器的观测是距离木卫三最近的一个。^[7]2021年6月7日，朱诺号探测器靠近到比以往任何航天器都更接近木卫三的位置，并在对木卫三的观测中拍摄到了有史以来最高质量的木卫三图像。图像中非常详细地展示了木卫三的表面情况，其中包括陨石坑、清晰可见的黑暗和明亮地形，以及可能与木卫三板块相关的运动所形成的地表结构特征。^[17]

木星冰月轨道器环木卫三轨道探测计划由于预算裁减，在2005年被取消。原计划使用核裂变反应堆作为其动力来源，这将能够对木卫三进行详细勘查。^[52]另外还有一个被取消的计划被称为“宏伟的木卫三”（The Grandeur of Ganymede）。^[53]

根据美国国家航天航空局（NASA）研究人员安东尼·格雷修斯（Anthony Greicius）于2022年12月14日所发布的消息。有几篇基于2021年6月7日朱诺号木星探测器飞越并探测木卫三的研究论文在《地球物理研究杂志》（Journal of Geophysical Research）与《地球物理学研究快报》（Geophysical Research Letters）上进行了发表。其主要内容是在朱诺号飞越与探测木卫三的基础上再结合以往对木卫三的相关观测内容，公布了包括木卫三相关数据、内部情况、表面成分、电离层及木卫三与木星磁场相互作用的研究发现。^[51]

根据朱诺号探测器的探测结果及以往所有拍摄到的木卫三图像表明，木卫三表面的特点是混合了较“古老”的黑暗地形、较“年轻”的明亮地形和明亮的陨石坑，以及可能由地质活动所导致的沟、脊等线性特征的结构所组成。为了深入研究，朱诺号探测器在飞越和探测木卫三等伽利略卫星的过程中，使用微波辐射仪（microwave radiometer 简称：MWR）对木卫三（还有木卫二）的冰壳之下进行了开创性的观察，以获得木卫三冰层内部结构、纯度和温度等数据，其最深可探测到木卫三地表之下约24公里的深度。^[51]

而后，研究人员将由朱诺号通过微波辐射仪（microwave radiometer 简称：MWR）所获取的数据与木卫三的地表图像相结合，发现木卫三地表不同的地理类型之间的差异不仅仅只是表面的形态差异。其中在温度差异上，“年轻”明亮的地形似乎要比“古老”黑暗的地形更冷，所采样到的温度最低的区域是那些大型（城市大小）的陨石撞击坑。根据对比研究，科学家们初步分析表明，木卫三的导电冰壳平均厚度可能约为30英里或更厚，而且有些局部地区的冰层可能会相对厚很多。^[51]

1996年，伽利略木星探测器通过在木卫三附近的带电粒子及小天体确定了木卫三拥有自己的磁场。由于木卫三本身被木星磁场所覆盖，于是在木卫三自身磁场与木星磁场所形成的双重磁场的作用下，产生了环绕木卫三南、北两极的发光、炽热的带电气体带，进而形成了极光现象。德国科隆大学的约阿希姆·绍尔（Joachim Sauer）教授曾利用哈勃太空望远镜观测木卫三的这种极光随木星磁场变化而“摇摆”的现象，通过观测证实了木卫三拥有地下咸水海洋的猜想。^[17][1]

后来木卫三的磁场及由双重磁场所产生的极光现象同样成为了朱诺号探测器的重点探测任务之一。2021年6月，朱诺号在接近木卫三的过程中利用其所携带的磁性放大器（Magnetic Amplifier，简称MAG）^[注2]及JADE木星极光分布实验仪器^[注3]进行了数据的收集与记录，通过探测找到了木星和木卫三之间的磁场连接有断裂和重组的证据。同时朱诺号探测器的紫外线光谱分析器（ultraviolet spectrometer 简称：UVS）显示木卫三的紫外线极光发射被形成两个椭圆形，分别包裹在木卫三两极的周围。^[51]

在2015年首播，由罗伯特·里伯曼 、泰瑞·麦克多诺 、杰夫·伍尔诺 、比尔·约翰逊共同执导；弗格斯 、霍克·奥斯比 、丹尼尔·亚伯拉罕 、纳伦·尚卡 、杰森·宁 、泰·弗兰克 、丹·诺瓦克 、罗宾·费思编剧；托马斯·简 、史蒂文·斯崔特 、卡斯·安瓦尔 、多米尼克·蒂珀 、约翰·威斯利·查特曼 、索瑞·安达斯鲁 、雅典娜·卡尔卡尼斯 、查德·科尔曼 、克里斯汀·哈格 、罗西弗·萨瑟兰 、乔·平格 、埃利亚斯·托菲西斯 、萨拉米切等主演的美国大型科幻悬疑电视剧《苍穹浩瀚》（The Expanse）中^[54]，木卫三上的场景有扮演了重要角色。^[7]

《苍穹浩瀚》（又名《无垠的太空》《太空无垠》《浩瀚天穹》）讲述二百年后的未来，人类殖民太阳系。由于重力的影响，太阳系的人类逐渐分成了地球人、火星人和以小行星带为主的谷神星人，彼此之间的关系由于资源的争夺而变得紧张。警探Josephus Miller（托马斯·简 饰演）连同船长Jim Holden（史蒂文·斯崔特 饰演）与他的船员一起揭发了一个威胁秩序和平及人类生存的阴谋。^[54]

3001：太空漫游

英国传奇作家阿瑟·C·克拉克（Arthur C.Clarke）在为他的小说《3001:太空漫游》（3001:The Final Odyssey）创作木卫三城时，受到了旅行者2号（Voyager 2）所拍摄的图像的启发，根据图像中显示的木卫三上的凹槽的山脊进行创作。^[7][55]

Farmer in the Sky

1950年，美国作家Robert A. Heinlein所创作的一本科幻书籍Farmer in the Sky所讲述的就是一个十几岁的男孩跟随父亲来到木卫三建立农场的故事。^[7][56]

其他文学作品^[7]

2008年，一对美国电唱组合将他们的乐队命名为木卫三，并发行了一首名为“Operation Ganymede”的歌曲。^[7]此外，独立流行乐队“Brazzaville”在听说了木卫三上可能有咸水海洋存在的消息后，也将一张专辑及其主打歌曲命名为“The Oceans of Ganymede”。^[7][57]