木卫一1610

木卫一有400座左右的活火山，是太阳系中地质活动最活跃的天体。木卫一内部受到木星引力牵引，引发潮汐摩擦产生潮汐热，使其地质活动变得极端活跃。有些火山造成的硫和二氧化硫可以攀升到500公里（310英里）的高度。木卫一表面也有超过100座山峰，在表面的硅酸盐经过多次的堆积而升高，其中有些比地球上的珠穆朗玛峰还要高。大多数外太阳系卫星主要都由水冰组成，但木卫一具有铁或硫化铁的熔融核心，外面的地壳主要由硅酸盐组成。木卫一表面上多数是广阔的平原，由硫和二氧化硫包覆。

木卫一独特的表面特征由其火山活动使然。火山和熔岩流对表面造成巨大变化，因产生硫的同素异形体和化合物，使其呈现黄、红、白、黑、绿色。一些清楚呈现在表面上的熔岩流长达500公里。火山活动产生的物质组成了木卫一稀薄的大气层，也大幅影响木星磁层的性质和辐射水平。木卫一的火山喷出物也在木星产生一个巨大的等离子环，在自己周围造成猛烈的辐射环境。木卫一每天获得约3600雷姆（36 Sv）的电离辐射。

木卫一与其他木卫在17和18世纪的天文学中扮演了一个重要的角色，它在1610年与其他的伽利略卫星一起被伽利略发现。这个发现促成了太阳系的哥白尼模型被接受，约翰·开普勒发展出了行星运动定律，和奥勒·罗默首先测定光速。从地球来看，在19世纪后期和20世纪初，木卫一只是一个光点。直到我们有能力解释它表面大规模的特征，例如暗红色的极区和明亮的赤道地区。在1979年，两艘旅行者航天器揭露木卫一是一个地质活跃的世界，有许多火山活动的特征，大山和年轻的表面，没有明显的撞击坑。伽利略号在1990年和2000年的早期多次执行接近和飞掠过木卫一的任务，得到了木卫一内部结构和表面组成的数据资料。这些航天器也揭露了卫星和木星的磁层之间的关系，和在木卫一围绕的轨道上存在着辐射传送带，即伊俄环。木卫一每天接收的电离辐射剂量约为3,600雷姆（相当于36希沃特）。在2007年的前几个月，新视野号在前往冥王星的旅程中，于飞掠过木卫一时继续进行探测。

命名

当初西门·马里乌斯（Simon Marius）并不期望自己也是伽利略卫星的独立发现者，所以西门·马里乌斯把这些卫星留名。他于1614年出版《西门·马里乌斯的木星世界》，他在书中将木星最内侧的大卫星以希腊神话的木卫一来命名，她是众神之王宙斯（在罗马神话中称为朱庇特）众多的恋人之一。西门·马里乌斯的命名早期并未受到各界的认同与采用，一直到20世纪中叶才逐渐普遍使用。在早期绝大多数的天文文献中，木卫一都被简单的以罗马数字标示为“Jupiter I”（这是伽利略建议的命名系统），或是称为“木星的第一颗卫星”。最常用的名称则是形容词型式的名称：爱奥尼亚。

木卫一上的地型特征和地点都使用与木卫一、火、火山、太阳和雷神等各种相关神话故事，其特征和地名都来自但丁的地狱，名字都适当的对应地表火山的本质。由于这些表面都是旅行者1号首度看见，国际天文联合会批准了225个对于木卫一的火山、山脉、高原和高反照率地形的名字。这些核定使用木卫一的名称包括 patera：有沉积物的火山、mons：山、mensa：顶部平坦，周围陡峭的突出地、 planum：高原、tholus：小山或丘（各种不同型态的山，以型态的特征如大小、形状、和高度等使用的项目），fluctus：熔岩流、vallis：峡谷（熔岩渠道）、 regio：广阔的高反照地形和active eruptive center：先被流束活动标示的特殊火山活动的地点。这些特殊地形名称的例子有普罗米修斯火山、潘平顶山、陀湿多火山口和楚耶熔岩流。

观测的历史

木卫一的第一份观测报告是伽利略在1610年1月7日提出的。木卫一和木星其它伽利略卫星的发现被发表在伽利略于的1610年3月出版的星界报告。西门马里乌斯于1614出版的《马里乌斯木星报》中声称，他于1609年就发现了木卫一和木星的其它卫星，比伽利略早了一个星期。伽利略质疑这个声明，并且反驳马里乌斯剽窃、抄袭他的成就。因为伽利略在马里乌斯之前就发布了他的发现，而且相信马里乌斯也知道这件事。

在后来的两个半世纪，木卫一仍未被解析过，在天文学家的望远镜中仍然只是一个亮度5等的光点。在17世纪，木卫一和其他的伽利略卫星为各种各样的目的服务，像是协助船员们进行经度的测量，验证开普勒的行星运动第三定律，和测量光线在旅行在木星和地球之间的时间。以卡西尼等人建立的星历表为基础，拉普拉斯创造了一种数学的理论来解释木卫一、欧罗巴、和伽倪墨得斯的轨道共振。这种共振在日后发现对这三颗卫星的地质有深远的影响。

望远镜技术的改进，使19世纪末20世纪初的天文学家有能力在解析（能看得见）出在木卫一上大区域的表面特点。在1890年代，巴纳德首先观察到木卫一的赤道和极区之间在光度上的变化，正确的测量出这两个地区的光度变化是来自颜色和反照率的不同，而不是因为木卫一呈现卵型，一如威廉·皮克林和他的同伴所主张的，而不是巴纳德最初所主张的是两个不同的天体。之后的望远镜观测证实了木卫一很明确的在极区是红棕色的，而赤道带是黄白色的。

在20世纪中期的望远镜观测开始注意到木卫一异常的本质。分光镜的观测暗示木卫一的表面没有水冰（在其它的伽利略卫星上被发现含量丰富的物质）；同样的观测亦显示其表面主要的成分是钠盐和硫磺。电波望远镜的观测揭露了木卫一对木星的磁层有所影响，如被观察到的十米的波长爆发与木卫一的轨道周期有关。

先驱者号

通过木卫一附近的第一艘航天器是先驱者10号和先驱者11号这一对孪生的航天器，分别在1973年12月3日和1974年12月2日以无线电追踪提供了木卫一质量的改善估计值、与木卫一尺寸的最佳值。认为木卫一是四颗伽利略卫星中密度最高的，主要是由硅酸盐的岩石组成，而不是水冰组成的。

轨道和自转

木卫一以距离木星中心421,700 公里（262,000 英里）的距离，也就是距离云层顶端350,000 公里（217,000 英里）的轨道绕行木星。它是木星的伽利略卫星中最内层的一颗，介于忒拜和欧罗巴之间。包括木星内侧的卫星，木卫一是从木星内侧算起的第五颗的卫星，它以42.5小时的周期绕行一周（快到足以在一个晚上就观测出它的运动）。木卫一的平均轨道周期与欧罗巴有2：1的轨道共振，和伽倪墨得斯有4：1的轨道共振，即木卫一每绕行木星二周，欧罗巴即绕行一周；而木卫一每绕行四周，伽倪墨得斯绕行一周。这种共振协助木卫一维持轨道离心率（0.0041），并反过来为木卫一的地质活动提供主要的热源（参见潮汐加热的章节对过程有更详细的说明）。没有这强制的离心力，木卫一的轨道经由潮汐散逸，很快的就会圆化，成为一个在地质上较不活跃的世界。

像木星的其他伽利略卫星和地球的月球一样，木卫一的自转是潮汐锁定成和公转周期一致的，使它永远以同一面朝向木星。它的锁定状态也为木卫一的经度系统提供了定义的基准。木卫一的本初子午线交会于南北极并且通过赤道上的木下点；总是对着木星的这个半球称为向木半球（subjovian hemisphere），同时永远背离木星的半球称为背木半球（antijovian hemisphere）。木卫一总是朝向木星的半球在轨道上的移动被称为前导半球，而永远在相反方向上的半球被称为尾随半球。

与木星磁层的相互作用

木卫一在木星磁场的塑造中扮演着重要的角色，木星的磁气层以每秒1 吨的速率扫掠掉木卫一稀薄大气层中的气体和尘埃。这些材料的主要成分是离子化和原子状态的硫磺、氧气和氯、原子的钠和钾、分子的二氧化硫和硫磺，还有氯化钠的尘土。这些材料的来源是木卫一的火山作用，但直接从木卫一的大气层中逃逸到木星的磁气层和太空中。这些材料依据他们被电离的状态和构成，最后会在木星磁气层内的辐射带形成各式各样中性（非离子）的云彩，并在某些情况下，最后会被抛出木星的系统。

围绕着木卫一（到距离木卫一表面6倍半径之处）的是中性硫、氧、钠和钾原子的云。这些微粒起源于木卫一大气层的上部，但是遭受到等离子体环中的离子碰撞和其它的过程（后面再研究）激发而进入希尔球，这是木卫一的重力凌驾木星之上的区域；但有一些物质会逃逸出木卫一的引力并且进入环绕木星的轨道。大约超过20小时的周期，这些微粒将会从木卫一延伸形成香蕉的形状，无论是在木卫一的轨道内侧伸展至前方，或是在轨道外侧落后在木卫一的后方，中性云将从木卫一延伸远达6倍木星半径之处。使微粒被激发的碰撞过程偶尔也会在等离子体环内提供钠离子与电子，使那些中性的物质更快速的离开等离子体环。但是这些微粒仍然保持它们原有的速度（70公里/秒，相较于木卫一的轨道速度只有17公里/秒），导致这些微粒像喷射一样的率先从木卫一喷出。

木卫一的轨道在被称为木卫一等离子体环的强烈辐射带内。在这个环形甜甜圈形状的等离子体环中是发源于环绕着木卫一的中性原子云，但被木星的磁气层游离并被运载着的硫磺、氧、钠和氯。不同于中性云中的微粒，这些微粒与木星的磁气层，以74公里/秒的速度绕着木星一起运转（公转）。像木星其余的磁场一样，等离子体环对木星的赤道也有些许的倾斜（对木卫一的轨道平面亦同），这意味着木卫一有时在等离子体环的上方，而有时又在等离子体环的下方。如上所述，这些离子有较高的速度和能量会将木卫一大气层中不带电的原子和分子移除，使中性云扩张。

结构

木卫一比地球的卫星月球略大一些，它的平均半径是1,821.3 公里（比月球大约5%），质量是8.9319×1022 千克（大约比月球多21%）。它的形状略为椭球，而它最长的轴是指向木星的。在伽利略卫星中，木卫一的质量和体积都比伽倪墨得斯和卡里斯托小，但比欧罗巴大。

内部

主要由硅酸盐岩石和铁组成，木卫一在外太阳系的卫星中比其他的卫星都更接近类地行星的结构主体，其它的主要由碎冰和硅酸盐混合组成。木卫一的密度为3.5275 g/cm3是太阳系的卫星中密度最高的；明显的比其他的伽利略卫星高，也比地球的月球要高。根据旅行者号和伽利略号测量的卫星质量、半径和四极重力系数（关于质量在内部如何分布的数值）建立的模型，建议它的内部和外部之间是有所不同的，富含硅酸盐的外壳和内部的地幔，铁或黄铁矿富含在核心，金属核心的质量大约占了木卫一质量的20%。依据核心中硫的含量，如果完全由铁组成，核心的半径在350至650公里（220至400英里）之间；如果由铁和硫混和组成，核心的半径则在550至900公里（310至560英里）。伽利略号的磁强计没有测出木卫一内部的磁场，所以认为核心没有对流。

模型也建议木卫一内部的组成，地幔至少有75%由富含镁的矿物橄榄石组成，并且有大量类似于L球粒陨石和LL球粒陨石的陨石，并且有更高的铁含量（相较于地球的卫星月球的硅，但仍比火星低）要维持在木卫一上观察到的热流，10-20%的地幔也许是溶解的，但观察到高温的火山作用地区，也许有更高的被熔解比例。由于广泛的火山作用，木卫一的岩石圈主要由硫磺和玄武岩组成，它的厚度至少有12公里（7英里），但不会超过40公里（25英里）。

潮汐加热

不同于地球和月球，木卫一内部的热源主要来自潮汐散逸而不是放射性同位素的衰变，这是木卫一的轨道与欧罗巴和伽倪墨得斯共振的结果。这样的热化与木星和木卫一的距离、轨道的离心率、它的内部构造和物理状态有关。它和欧罗巴与伽倪墨得斯的拉普拉斯共振，维系了木卫一的离心率并且防止了它因潮汐散逸而使轨道变圆。

科幻作品中的木卫一

在亚瑟·克拉克的小说《2010太空漫游》（2010: Odyssey Two, 1984年作品）中，提及发现号航天器对木卫一进行观测，其船身被火山所喷出的硫磺所覆盖。

在电视连续剧《巴比伦五号》（Babylon 5）中，木卫一是其殖民地之一。

在漫画《机动战士海盗钢弹》中，木卫一（作品中称为“伊奥”）是木星帝国的根据地的消息被泄漏给十字先驱者军，因此十字先驱者军决定向伊奥突击。