木卫二的极光
太阳系中的很多天体，如地球、木星、土星，甚至还有磁场较弱的火星，或者是木卫一、木卫三、土卫六、海卫一等大型卫星都表现出了明确的极光。由于极光是带电粒子轰击气体分子产生的，它的色彩在很大程度上就反映了天体的大气成分，所以这种绚烂的现象成为了行星科学家的重要工具。最近，哈勃和凯克望远镜的数据第一次揭示出了冰封星球木卫二的可见光极光，描绘了这颗一直以来都是地外生命搜索热门目标的卫星新的细节。
木卫二的假想切面图，中央是金属地核，其外有岩石地幔，再外侧是地下海洋，地壳则由水冰构成。图片提供：JPL
木卫二的直径超过3000千米，只比月球略小。这是一颗地质相当活跃的星球。初看上去，这颗卫星最大的特点是明亮而又斑驳的地表——其主要成分正是冻结的水冰，其上又点缀着盐分以及其他成分构成的棕黄色区域；在冰壳上还存在着长度可与星球直径相比的断层。很多研究者相信，当代木卫二的冰壳之下很可能存在着全球性的液态海洋，深度可达数千米，并且不排除其中蕴涵着生命的可能性；而地表的棕色物质可能就源于地下海洋上涌的水体。又鉴于木卫二的稀薄大气主要由被木星系统中高能粒子轰击后喷溅而出的地表成分，如果能够设法弄清大气的组分，就不难籍此窥探地下海洋的一二事。
其实这并不是第一次对木卫二极光开展观测。早在1995年，就有人在发现了木卫二的远紫外极光，并根据极光光谱发现其大气主要成分是氧分子，还计算出了其中的气体密度与氧原子同氧分子的比例。后续的类似研究发现，其实这些参数均非定值，而是取决于卫星同木星等离子体环境之间的关系，木卫二在不同时间、不同区域的远紫外极光起伏很明显。甚至在星球的某些区域还有暂现的氢元素踪迹，这说明木卫二地表有着向外喷涌水分的羽状喷射物，它们的开闭可能与近木点附近遭受的木星潮汐力作用有关。
木卫二羽状喷射物分布的合成图，图中蓝色部分代表来自氢元素Lyman-α线远紫外辐射，而中央则是木卫二前导半球的可见光照片。图片提供：Lorenz Roth (SWRI)
除了氢和氧之外，人们还通过远紫外极光从木卫二大气中辨认出了钠和钾元素，但是这些碱金属原子只存在于大气的高层（距离地表5倍星球半径以外）。此外碱金属的相对比例与其他木卫迥异，这意味着它们更可能源于卫星本身，而非木星周边的环境中。
碱金属（以及氢和氧）本身都具备可见光特征辐射，这一条正是可见光探测的出发点。观测是今年2-4月间分6次进行的，为了避免木卫二高反照率冰态地表的干扰，要求其时卫星都要处在木星的阴影之中。对于这项工作而言，空间和地面望远镜各有所长——不受地球大气影响的哈勃更容易解析出极光的空间特征，而凯克的覆盖波段更宽，有望寻找新的大气成分。
功夫不负有心人，除了木卫二距离木星最近，进而木星散射光最强的那一次观测之外，由氧元素导致的6300/6364埃OI线极光在结果中都是清晰可见。将历次观测平均起来，极光最强的地方位于星球的夜半球，这与紫外极光的分布特性一致。只是这次除氧之外其他元素的可见光发射均未显露踪迹，氧的其他谱线也没能露面。除了信号本身的强度有限（以及凯克望远镜观测期间天气不佳）之外，不知这是否也说明了木卫二大气构成的波动性。
木卫二的6300/6364埃可见光极光5次探测的平均图。图片来源：de Kleer & Brown (2018)
根据极光中6300/6364埃发射线的强度推算，木卫二大气中的氧元素也是以分子氧为主，原子氧与分子氧的混合比不会大于35%——作为比较，由紫外极光给出的混合比介于1-5%不等，倒也不矛盾。只有一点，此次测得的可见光极光同先前紫外极光之间的亮度比要比预期高了不少。但由于不同波段的数据并非同期采集，由此也说明不了太多的问题。
倘或今后可以在更好的气象条件下开展观测，我们应该有机会进一步认识这颗冰态卫星的稀薄大气。而如果能够同时测得木卫二的多波段极光，据此给出的限制限制理应更为严谨。至于木星其他的伽利略卫星，至少本人未见可见光极光探测的报道，只对紫外极光的相关工作略知一二。考虑可见光极光的探测难度，实现对极光的常规多波段观测也并非易事。
