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木星

木星

木星（Jupiter）是太阳系中距离太阳第五近的行星，也是太阳系中体积最大的行星。它是一颗气态巨行星，其质量超过了太阳系中所有其他行星总和的2.5倍多，质量略低于太阳质量的千分之一。木星绕太阳运行的平均距离为5.20天文单位（约合778.5 Gm），公转周期为11.86年。木星的视星等可以达到-2.94等，是夜空中平均第三亮的自然天体，仅次于月球和金星。自古以来一直被人类观测着。罗马人以神明朱庇特（Jupiter）的名字来命名它。古代中国将其称为“岁星”，因为它绕行天球一周大约需要12年的时间，与地支相同，并产生了岁星纪年法。古人认为木星呈现出青色，根据五行理论，青色被归为“木”，因此得名为木星。

木星是太阳系中形成最早的行星之一，它在太阳系早期的形成过程中对其他行星的演化产生了影响。木星的主要成分主要是氢（占体积的89.8%2%），其次是氦（占体积的10.2%2%）。木星内部持续收缩产生的热量超过了它从太阳接收的热量。它的内部结构被认为包括液态金属氢的外壳和更加密集的扩散内核。由于木星的自转速度很快，每10小时自转一圈，没有固体表面的它由此呈现出扁球体的形状，赤道周围有一个轻微但明显的凸起。木星的大气层依照纬度分为一系列纬度带，在纬度带的交界处有湍流和风暴。其中的大红斑，是一场自1665年就被观测到的巨大风暴。

木星被一个微弱的行星环系统所包围，并且具有强大的磁层，是太阳系中第二大的连续结构，仅次于太阳的日球层。木星的卫星系统包括95颗已知的卫星，其中包括伽利略·伽利莱于1610年发现的四颗大卫星：木卫一（Io）、木卫二（Europa）、木卫三（Ganymede ）和木卫四（Callisto）。木卫三是这些卫星中最大的，甚至比水星还要大，而木卫四排名第二。木卫一和木卫二的大小大致相当于地球的月球。自1973年以来，已经有九个探测器访问了木星，包括七个飞越任务和两个专用轨道飞行器。值得注意的是早期执行飞越任务的先驱者号计划和旅行者号计划以及后期的伽利略号木星探测器计划。新视野号探测器则在2007年2月28日飞越木星，并借助木星的加速前往冥王星。目前朱诺号是木星轨道上唯一运作中的探测器，自2016年7月4日进入环绕木星的轨道后便持续进行观测作业至今。未来仍将有不少探测木星系统的太空任务，如探测木卫二（Europa）的欧罗巴快船计划。

命名

在古希腊和古罗马文明中，木星都以万神之首的名字来命名：希腊人称之为宙斯（Zeus），罗马人称之为朱庇特（Jupiter）。国际天文学联合会在1976年正式采纳了Jupiter这个名称，并自那时起一直以神祇宙斯的情人、宠儿和后裔的名字来命名新发现的木星卫星。木星的天文符号♃，源自希腊字母Ζ（zeta）上加一个水平线，⟨Ƶ⟩，作为对宙斯的缩写。

在拉丁语中，Iovis 是Iuppiter 的所有格形式，即Jupiter.。它与Zeus（“天空之父”）这个词的词源相关联。而英语中的等同词“Jove”，仅在14世纪左右开始被用作这颗行星的诗意名称。

“Jovian”是“Jupiter”的形容词形式。而古老的形容词形式“jovial”在中世纪由占星家使用，后来演变成意为“快乐”或“愉快”的词语，这些情绪被归因于占星学中木星的影响。

基本参数

起源和演化

根据目前的太阳系形成模型，木星被认为是太阳系中最古老的行星。其形成位置位于太阳星云中的冻结线（N2）或冻结线（N2）之外，距离早期太阳有一定距离，温度足够低，使水等挥发物凝结为固体。最初，木星是一个具有固体核心的行星，然后逐渐积累了气态大气层。因此，这颗行星一定是在太阳星云完全分散之前形成的。之后木星吸收了太阳形成后剩余的大部分质量，最终拥有的物质是太阳系其他天体总和的两倍多，达到地球质量的20倍，其中约一半由硅酸盐、冰和其他重元素组成。当木星的质量超过50倍地球质量时，它在太阳星云中形成了一个缺口，并在约300-400万年内达到了最终质量。

根据"大迁徙假说（grand tack hypothesis）"，木星最初形成在距离太阳约3.5天文单位AU（5.2亿公里）的地方。随着质量增加，木星与围绕太阳运行的气体盘的相互作用以及与土星的轨道共振导致它向内迁移，导致它向内迁移。这一过程扰乱了距离太阳较近的几颗巨型行星的轨道，导致它们发生了破坏性的碰撞。随后，土星也开始向内迁移，但速度更快。最终两者以3：2的轨道共振关系在距离太阳约1.5天文单位（2.2亿公里;1.4亿英里）处被捕获。这又改变了它们的迁徙方向，最终使它们远离太阳，移动到它们目前的位置。这一系列事件发生在3-6百万年的时间内，而木星的最后一次迁徙发生在几十万年的时间里。木星的向外迁移过程为内部行星，包括地球，提供了形成的机会。

"大迁徙假说"仍然存在一些未解决的问题，包括类地行星形成时间尺度似乎与测量的元素组成不一致，以及如果木星通过太阳星云迁移，它很可能会进入离太阳更近的轨道。一些竞争性的太阳系形成模型预测，木星的形成轨道与现今行星的轨道特性相似，而其他模型则认为木星形成于更远的距离。根据木星的组成，有研究人员认为木星最初形成在冻结线（N2）外，距离太阳约20-30天文单位（30-45亿公里；19-28亿英里），甚至可能距离高达40天文单位（60亿公里；37亿英里）。然后木星在形成后的约70万年内从初始形成位置迁移到其目前的位置，而太阳系内的其他行星，如土星、天王星和海王星，则形成在距离木星更远的地方，并且土星也曾经向内迁移。

2017年，来自美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室和德国明斯特大学的研究人员在分析来自小行星的陨铁中钨和的同位素时发现，木星岩石内核可能在太阳系形成后的100万年后就已经处在形成阶段中，木星形成可能已有距今46亿至50亿年。

物化特性

成分

木星是太阳系中最大的气态巨行星，其主要由气体和液体组成。木星的赤道直径为142,984公里（88,846英里），体积是地球的1321倍。木星的平均密度为1.326 g/cm³，是巨行星中第二高的，但远低于太阳系中四颗类地行星的平均密度。按质量计算，木星的大气层约由75%的氢和24%的氦组成，还有1%其他元素。由于氦的密度较大，所以在高层大气中，氢占90%而氦占10%。此外，木星的大气中还包含微量的甲烷、水蒸气、氨、硅基化合物，以及少量的碳、乙烷、硫化氢、、氧、磷化氢和硫。大气最外层含有冻结的氨晶体。通过红外线和紫外线测量，还发现了微量的苯和其他碳氢化合物。

木星内部包含密度较高的元素，大致由71%的氢、24%的氦和5%的其他元素组成。氢和氦的比例在木星大气中接近太阳星云的理论组成。在高层大气中，氖仅占百万分之二十的质量，约为太阳中氖的十分之一，氦的丰度约为太阳的80%，这是因为这些元素在木星内部深处以氦富集的液滴形式沉淀了。

尺寸和质量

木星的质量为地球质量的318倍，是太阳系中所有其他行星质量总和的2.5倍。由于其质量巨大，使得太阳系的质心位于太阳球体之外，距离太阳中心约为1.068太阳半径（约0.0049652388天文单位AU）。尽管木星的直径约为地球的11倍，体积为地球的1,321倍，但其密度相对较低，质量仅为地球的318倍。木星的半径大约是太阳半径（约为695700km）的十分之一，质量为太阳质量的千分之一，但两者的密度相近。"木星质量"（MJ或MJup）通常被用作描述其他天体质量的单位，特别是太阳系外的行星和棕矮星。例如，太阳系外的行星HD 209458 b的质量为0.69MJup，而仙女座kb的质量为12.8MJup。

根据理论模型，如果木星的质量增加40%以上，它将会收缩，相较于质量的变化，其半径不会明显改变。换句话说，木星的直径被认为已经接近了行星结构和演化史所能达到的最大值。进一步增加质量会导致进一步的收缩，直到达到恒星点火质量。这通常需要大约75倍的木星质量。虽然木星的质量不足以维持氢稳定地融合让自身成为一颗恒星，但它散发的能量多于它从太阳接收到的热量总量。这些能量是由开尔文-亥姆霍兹机制通过收缩所产生的。这个过程导致木星每年缩小约2厘米。当木星形成时，它的温度比现在高，直径大约是现在的两倍。

内部结构

在21世纪初之前，有两种关于木星形成的主要理论。第一种理论认为，如果木星最初以固态物质逐渐吸积而成，那么其结构包括以下几个部分：一个致密核心、一层延伸到行星半径的80%左右的液态金属氢（带有一些氦），以及一个主要由分子氢组成的外层大气。第二种理论则认为，如果木星是直接从气态原始星盘缩而成的，那么它可能没有核心，而是由向中心逐渐密度增加的流体组成，主要由分子氢和金属氢构成。朱诺号木星探测器的数据表明，木星有一个弥漫的核心，与地幔混合在一起，延伸到行星半径的30-50%，由重元素组成，总质量相当于地球的7-25倍。这种混合核心可能在木星形成过程中出现，当时木星从周围的星云中吸积了固体和气体物质。另一种可能性是木星形成几百万年后被一颗大约十个地球质量的行星的撞击破坏了原本坚固的木星核心。

在金属氢上层是内层透明氢的大气层。在这个深度，氢的压力和温度高于分子氢的临界压力1.3 MPa和临界温度33 K（-240.2°C）。在这种状态下，氢被认为处于超临界流体状态，即没有明显的液态和气态分界。从云层向下延伸的氢气和氦气逐渐过渡为更深层次的液态，类似于液态氢和其他超临界流体的海洋。随着深度的增加，气体变得更加热和致密。

氦和氖等元素的液滴在较低的大气层中下沉，消耗了高层大气中这些元素的丰度。计算表明，在距离行星中心约60,000公里（37,000英里）的位置，氦与金属氢分离，然后在距离行星中心约50,000公里（31,000英里）的位置再次混合。一些科学家认为，这可能导致钻石雨的产生，而土星以及冰巨星天王星和海王星也可能有类似的现象。

木星内部的温度和压力向内逐渐增加，因为行星形成时释放的热量只能通过对流传递出去。由开尔文-亥姆霍兹机制可知，木星内部的温度和压力在朝向核心地方向逐渐增加。在压力水平为1 bar（0.10 MPa）的地表深度，温度约为165 K（-108°C）。在压力为10帕的，温度大约是340 K（67 °C）。超临界氢从分子流体逐渐转变为金属流体的区域压力范围分别为50-400 GPa，温度分别为5,000-8,400 K（4,730-8,130°C;）。木星稀释核心的温度估计为20,000 K（19,700°C），压力约为4,000 GPa。

大气情况

大气层

由于木星没有类似地球那样的固态表面，所以木星的大气层没有明显的底层界限，而是逐渐过渡到内部的流体外层。因此通常以气压作为高度的标志，将大气层的底部定义为大气压力达到10bar的位置，相当于地球表面压力十倍的位置。由此木星拥有太阳系内最大的行星大气层，其高度超过5,000千米。木星的大气层可以分为四个主要层次，根据高度增加时温度的变化情况而划分，包括对流层、平流层、热层和外大气层。木星对流层以上，温度的垂直分布还随纬度和经度不同而有所差别。受到木星强大引力场的影响，使得轻的氢原子难以逃逸到太空中，从而保持了广泛而富含氢气的大气层。

木星大气的主要成分是氢和氦，这与太阳大气的成分相似，都是宇宙大爆炸的原始产物。根据体积比，木星大气中的氢约占90%，氦约占10%。由于氦原子的质量是氢原子的4倍，按质量比计算，氢和氦分别占比为75%和24%。此外，木星大气还含有约1%的痕量气体，如甲烷、氨和水。

与地球不同，随着深度的增加，木星大气的温度和压力远远超过氢和氦的临界点，导致氢和氦逐渐由气态过渡到液态。这种巨大范围的气体流动产生了明亮和暗色的带状特征，这些特征可能是由不同方向的气流运动所引起的。

云层

木星对流层内主要存在三个云层区域：最高的是氨冰晶云层，呈现白色，云顶温度约为120K。在其下是氢硫化氨冰晶云层，呈现黄褐色，因含有氨一硫化合物，云层温度约为200K。预计还存在着更低的水冰晶云层和水滴云层，但是伽利略探测器并没有探测到水云。

木星表面显示着一系列稳定的云带，这些云带在纬度上保持相对一致的分布，被称为热带区域。这些区域可以进一步细分为亮色调云带（zones）和深色调云带（belts），亮色调云带通常呈白色或淡黄色，代表着较低温度的高云层，具有反气旋运动和上升运动。深色调云带通常呈褐色，代表着温度较高但较低的云层，具有气旋运动和下降运动。它们之间相互冲突的环流模式，导致了风暴和湍流。在带状湍流中，风速高达每秒100米的纬向急流是很常见的。每一年，各个云带都有着不同的宽度、颜色和强度，但依然可以稳定的给予识别。

木星的大气中观测到了强大的闪电，其威力可能相当于地球上闪电的一千倍。如果雷暴是水滴云产生的，类似于地球上的雷暴方式，那水滴云可能是由上升的热量所驱动。木星云层中的橙色和棕色区域是由温暖内部上升的化合物引起的，当它们受到太阳紫外线的照射时，会发生颜色变化。这些化合物的确切成分尚不清楚，但它们可能包括磷、硫或其他碳氢化合物。

大红斑和其他气旋

木星最显著的特征是一个椭圆形的大红斑，它是一个椭圆形气旋风暴，东西向长达26000公里，南北向宽达14000公里。自1664年首次发现以来，大红斑已经持续存在350多年，尽管颜色、大小或结构略有变化。大红斑位于木星的对流层上方，高出周围云层15至25公里，是一个温度较低的巨大逆时针旋转的反气旋，其周期约为6天。其颜色可能由复杂的有机分子、红磷或其他硫化物引起。旅行者号飞船记录了大红斑与同一纬度的其他风流中的许多小扰动之间的相互作用。大红斑内部相对稳定，没有明显的证据表明物质从较低深度上升或扩散。有假设大红斑可能延伸到木星的主云层之下，但云层中下部的观测尚未实现。另一个引人注目的特征是美国卡西尼号飞船于2000年在木星上发现的大黑斑，规模与大红斑相当，但两者的来源和特征完全不同。大红斑源于木星大气中的较低对流层，而大黑斑则限于较高的同温层，并且其云层也相对较薄。

木星两极有多个极地气旋群，北极有9个气旋，其中一个在中心，其他8个环绕在周围，而南极有一个中央漩涡，被5个大风暴和一个小风暴包围，总共有7个风暴。这些极地结构是由木星大气层中的湍流引起的，类似于土星北极的六边形结构。

2021年10月，美国航空航天局的朱诺探测器发布了有关木星云层下方情况的更完整图像。根据朱诺的数据，木星的气旋在顶部较温暖、气压较低，而在底部较寒冷、气压较高。反气旋则相反，顶部较冷、底部较温暖。这些发现还表明，这些风暴的高度远远超出了预期，有些风暴甚至延伸到云层之下60英里，包括大红斑在内的一些风暴甚至延伸到200英里以上。这一令人惊讶的发现表明，这些漩涡影响的区域远远超出了水凝结和云层形成的区域，超越了阳光加热大气的深度。由于大红斑的高度和尺寸，这个风暴内的大气质量有可能被用于研究木星引力场的仪器所探测到。朱诺号木星探测器两次飞越风暴，得以寻找这个风暴的引力特征，并对其深度进行了研究。

磁层

木星的磁场是太阳系所有行星中最强大的，约为地球磁场的16到54倍，偶极矩为4.170高斯（0.4170 mT），与旋转极成10.31°角。表面磁场强度从2高斯（0.20 mT）到20高斯（2.0 mT）不等。这个磁场被认为是由液态金属氢核心内部的涡流电流（导电材料的涡动运动）产生的。在距离行星约75倍木星半径的地方，磁层与太阳风的相互作用会产生一个弓形激波。环绕木星磁层的是一个磁层顶，位于磁层与弓形激波之间的区域。太阳风与这些区域相互作用，使得木星的磁层在其背风面伸展成一个巨大的磁尾，至少长达4.35亿英里（7亿公里），达到土星轨道。木星的四颗最大卫星都绕行在磁层内，这保护它们免受太阳风的影响。

木卫一上的火山喷发大量二氧化硫，形成了沿其轨道的气体环。在木星的磁层中，这些气体被电离，产生硫和氧离子。这些粒子非常强大，可以损坏靠近行星运行的航天器上的仪器。它们与源自木星大气的氢离子一起，形成了木星赤道平面上的等离子体层。等离子体层中的等离子体与行星一起共旋，导致二极磁场变形为磁盘状。等离子体层内的电子产生强烈的无线电信号，其范围在0.6至30兆赫之间，可以用消费者级的短波无线电接收器从地球上探测到。当木卫一穿越这个气体环时，相互作用会产生阿尔文波，将离子物质带入木星的极区，并通过回旋加速器激射器机制产生无线电。这些无线电波束不是向四周发射的，而是形成了一个空心锥体的形状。当地球与这个锥体相交时，来自木星的无线电发射可以超过太阳的无线电输出。木星的磁场也导致了太阳系中一些最壮观的极光出现在木星的两极。木星的磁气圈分布范围比地球磁气圈的范围大上100多倍，是太阳系中最大的磁气圈。由于太阳风和磁气圈的作用木星也和地球一样在极区有极光产生，强度约为地球的100倍。

轨道特性

公转

木星是唯一一颗与太阳的质心位于太阳本之外的行星，尽管这个偏差仅相当于太阳半径的7%。木星的轨道略呈椭圆形，平均距离太阳778百万千米（5.2个天文单位），完成一次公转约需要11.86年。这大约是土星公转周期的五分之二，形成约5:2轨道共振。木星的轨道倾角相对于地球为1.30°。由于其轨道离心率为0.049，所以在近日点时木星比在远日点时更靠近太阳约7500万千米。这种低离心率与太阳系外行星的情况存在矛盾，因为系外行星的情况表明与木星相似大小的行星存在具有非常高离心率的。模型表明，这可能是由于我们太阳系中只有两颗巨大行星，而存在第三颗或更多巨大行星往往会导致更大的离心率。

自转

木星的轨道倾角相比地球和火星小，只有3.13°，因此没有明显的季节变化。木星的自转速度是太阳系中最快的，不到十个小时就完成一次自转。这造成的木星赤道隆起，在地球以业余的小望远镜就可以很容易看出来。木星的赤道直径比两极之间的直径长9,275 km（5,763 mi）。由于木星不是一个固体，其上层大气层经历了差异自转。木星的极地大气自转周期约比赤道大气长约5分钟，有三个系统作为跟踪行星自转的参考框架，尤其是在绘制大气运动特征时。系统I适用于纬度从北纬7°到南纬7°的区域，其自转周期最短，为9小时50分钟30.0秒。系统II适用于这些纬度以北和以南的区域，其自转周期为9小时55分钟40.6秒。系统III的自转周期为9.9250小时，由射电天文学家定义，对应于行星磁层的自转，由于磁场源自木星的核心，这种变化反映了行星内部旋转速度的快慢。它的周期是木星的官方自转周期。

对太阳系的影响

作为太阳系八大行星中质量最大的行星，木星的引力对太阳系产生了显著影响。除了水星以外，太阳系内所有行星的轨道都更接近于木星的轨道平面，而不是太阳的赤道平面。在小行星带中的柯克伍德间隙主要是由木星引起的，而这颗行星可能还与太阳系内部历史上的后期重轰炸期有关。

除了影响其卫星外，木星的引力场还控制着大量小行星，它们安定地位于沿着木星在绕太阳公转的轨道前后的拉格朗日点。这些小行星被称为特洛伊小行星，并被分为希腊营和特洛伊营，以纪念伊利亚特。第一个特洛伊小行星，（588）阿基里斯，是由马克斯·沃尔夫于1906年发现的，此后已经发现了两千多颗，其中最大的是{624}赫克托。

大多数短周期彗星属于木星族，即半长轴小于木星的彗星。木星族的成员被认为起源于冥王星轨道之外的柯伊伯带。在接近木星时，它们的轨道会被扰动，导致进入更小公转周期的轨道，然后在太阳和木星的引力交互作用下，规律地环绕着太阳。

由于其巨大的引力井和靠近内太阳系的位置，木星被称为太阳系的“吸尘器”。木星受到的彗星等天体撞击事件比太阳系内的其他任何行星都要多。例如，木星经历的小行星和彗星撞击约为地球的200倍。过去，科学家曾认为木星在一定程度上保护了内太阳系免受彗星的轰击。然而，2008年的计算机模拟表明，木星的引力不会导致内太阳系中通过的彗星数量净减少。这个问题在科学界仍然存在争议，一些科学家认为木星将彗星从柯伊伯带吸引到地球附近，而另一些人认为木星保护地球免受来自奥尔特云的威胁。

1993年3月24日，美国天文学家尤金·苏梅克（Eugene Merle Shoemaker）和卡罗琳·苏梅克（Carolyn Shoemaker）以及天文爱好者戴维·列维（David H. Levy），利用加利福尼亚州帕洛玛天文台的46厘米天文望远镜发现了一颗彗星，遂以他们的姓氏命名为苏梅克-列维9号彗星。这颗彗星被发现一年零两个多月后，于1994年7月16日至22日，断裂成21个碎块，其中最大的一块宽约4千米，向木星撞去。这一碰撞受到了世界各地天文台的密切观察，包括哈勃空间望远镜和伽利略宇宙飞船。对早期的天文记录和绘画进行的调查发现，从1664年到1839年之间，共有八个可能的撞击观测案例。然而，1997年的一项审查确定这些观测几乎不可能是撞击的结果。这个研究团队的进一步调查揭示，天文学家乔瓦尼·卡西尼于1690年发现的一个暗色表面特征可能是一处撞击痕迹。

在1979年3月，旅行者1号探测器在与木星相遇时拍到一颗彗星撞击木星时形成的火球。在1994年7月16日至7月22日这段期间，超过20颗苏梅克－列维9号彗星（SL-9，正式的名称是D/1993 F2）的碎片撞击在木星的南半球，首次提供了直接观测太阳系内两个天体的碰撞。这种撞击对木星大气的成分提供了有用的资料。2009年7月19日，在系统2的经度216度之处发现被撞击的位置。这个撞击在木星的大气层留下一个与Oval BA的大小相似的黑点。红外线的观测显示在撞击点上有一个亮点，意味着撞击造成南极地区低层区域大气层的温度升高。2010年6月3日，澳洲的业余天文学家Anthony Wesley观测到一次撞击事件。稍后，另一位菲律宾的业余天文学家也录影捕捉到这次事件。2010年8月20日又有人观测到一次撞击事件。2012年9月19日，又检测到另一次撞击事件。

卫星

木星拥有95颗已知的自然卫星，未来由于仪器设备的改进，这个数字可能会继续增加。其中，79颗卫星的直径小于10千米。最大的四颗卫星分别是木卫一（Io）、木卫二（Europa ）、木卫三（Ganymede ）和木卫四（Callisto），它们合称为“伽利略卫星”，在晴朗的夜晚，通过双目望远镜可以从地球上观察到它们。这四颗卫星最早由意大利天文学家伽利略于1610年1月通过望远镜发现，因此被称为伽利略卫星。它们环绕在离木星40～190万千米的轨道上，依次为木卫一、木卫二、木卫三和木卫四。然而，也有一些人提出在公元前364年，甘德以肉眼发现了木卫三的观点，尽管这尚未被广泛接受。1892年，巴纳德通过望远镜肉眼观测发现了木卫五（Amalthea）。之后通过照相观测和行星际探测器的相片发现了更多的卫星。直到1979年旅行者1号探测器和1995年伽利略号木星探测器飞掠木星时，又发现了许多更小、离木星更远的天然卫星，使木星的已知卫星总数达到67个。2017年，卡内基科学研究所在追踪第九行星的过程中偶然发现了新的12颗卫星，并于2018年7月正式确认。此外，还在2003年发现了一颗卫星S/2003 J 24，以及在2021年发现了更多的不规则卫星。截至2023年2月，木星的已知卫星总数达到了95颗。

伽利略卫星

伽利略（Galileo Galilei）发现的四颗卫星——木卫一、木卫二、木卫三和木卫四，木卫一是太阳系中火山活动最活跃的天体。木卫三是太阳系中最大的卫星（甚至比水星还要大）。木卫四上很少的小陨石坑表明它目前的表面活动程度很小，木卫二的冰冻地壳之下可能存在着一个液态水海洋，含有生命的成分。木卫一、木卫二和木卫三的轨道呈现一种特殊的共振现象，被称为拉普拉斯共振。简单来说，木卫一绕木星运转四周，木卫二刚好运转两周，木卫三刚好运转一周，因为每颗卫星都在轨道上相同的点受到相邻卫星额外的拖曳，这种共振造成的引力效应使它们的轨道被扭曲成椭圆的形状。另一方面，来自木星的引力则试图使它们的轨道趋向圆形。它们的轨道离心率造成当木星的引力拉扯它们接近时，这三颗卫星的形状规律的扭曲；而当它们远离时，又会回复到比较接近球体的形状。这种潮汐的扭曲使卫星的内部摩擦生热，最显而易见的表现是最内侧的木卫一（受到最强的引力影响）异于平常的火山活动和程度较轻的木卫二表面年轻的地质（卫星的外部最近重新塑造过）。

分类

在旅行者任务之前，木星的卫星通常按照它们相似的轨道元素被传统性地划分为四个组，每个组包含四颗卫星。自1999年以来，由于发现了大量小型外卫星，这一分类变得更加复杂。目前，木星的卫星被分为几个不同的群组，尽管还有一些卫星不属于任何群组。

最内侧的八颗规则卫星，它们的轨道几乎是圆形的，并且位于木星的赤道平面附近，被认为是与木星一同形成的。而其余的卫星，包括数量众多的不规则小卫星，它们的轨道更为椭圆且倾斜，被认为是被捕获的小行星或小行星碎片。每个组内的不规则卫星通常共享相似的轨道要素，这可能表明它们有共同的起源，或者起初是一个更大的卫星或被捕获的天体，后来分裂形成。

木星环

木星拥有一个微弱的行星环系统，宽约6,500千米，但厚度不到10千米，分为三个主要部分：内部的光环、相对较亮的主环和外部极薄的尘云。这些光环似乎由大量尘埃和黑色碎石组成，与土星由冰构成的光环不同。主环可能主要由卫星木卫十五（Adrastea）和木卫十六（Metis）喷发的物质构成，正常应该落回卫星的物质由于受到木星强大引力的影响，转变轨道的方向组成了行星环，新的材料又因为碰撞影响而继续被加入。类似地，卫星木卫十四（Thebe）和木卫五（Amalthea）的物质可能组成了游丝环的两个部分。有迹象表明，第四个行星环可能是由卫星木卫五（Amalthea）的碎片组成，这些碎片位于相同的卫星轨道上。

研究和探测

日常观测

木星通常在夜空中是第四亮的天体（仅次于太阳、月亮和金星），但在冲日时火星会比木星亮。木星的视星等范围从冲日的亮度-2.94到与太阳合相时的-1.66。平均视星等为-2.20，标准差为0.33。此外，木星的角直径也随其位置而变化，范围从50.1到30.5弧秒不等。在木星近日点附近的冲日最适宜观赏。这时它会在大约121天的时间内逆行，向后移动9.9°，然后再继续顺行运动。地球每隔大约398.9天就会超越一次木星，这个周期称为会合周期。但由于二者绕日运行的轨道是椭圆且存在转轴倾角，每次会合周期中地球与木星的最近距离也会有所差别。2022年9月26日木星与地球的“相会”大约相距3.95个天文单位AU，约合5.91亿千米。在每次会合之前，木星会相对于背景星空显示出明显的逆行运动，似乎在夜空中向后（向西）移动一段距离，然后再执行正常的运行。木星的轨道周期接近12年，与黄道的星座相对应，每年约向东移动约30°。

由于木星的轨道位于地球轨道之外，从地球看，木星的相位角始终小于11.5°。因此，通过地面望远镜观察木星时，它通常几乎完全被照亮，呈现出几乎满月的形状。只有在探测卫星前往木星时，才可能获得木星的新月形视图。一台小型望远镜就可以观测木星的四颗伽利略卫星以及木星大气层中醒目的云带。当大红斑面对地球时，口径为4到6英寸（10.16到15.24厘米）的大型望远镜就可以观测到。

望远镜发明前的观测

对木星观测可以追溯至古代中国和巴比伦时期。古代中国将木星称为“岁星”，并根据木星绕太阳公转所需的大约年数建立了地支的12个循环，中文语言至今在提及年龄时仍然使用这个名称（简化为“岁”）。到公元前4世纪，这些观测已经演变成了中国的生肖系统，并且每一年都与太岁星和控制夜空中与木星位置相对应的天区的神祇相关联。这些信仰仍然存在于一些道教宗教实践中，以及东亚生肖的十二生肖动物中。中国历史学家奚泽宗曾声称，中国天文学家甘德在公元前362年就以裸眼发现木星的一颗卫星。如果属实，这将比伽利略·伽利莱的发现早了近两千年。

古代巴比伦人早在公元前50年之前就使用梯形规则来表示木星沿运行黄道的速度。希腊的天文学家克劳狄奥斯·托勒密（Claudius Ptolemaeus）在他的公元2世纪作品《天文学大成》中构建了一个以地球为中心的行星模型，以本轮和均轮来解释行星相对于地球的运动，他给出了木星绕地球的轨道周期为4332.38天，即11.86年。在公元499年，印度数学家和天文学家阿耶波多也使用地心说模型估算出木星的周期为4332.2722天，或11.86年。

地面望远镜的观测

在1610年，意大利博学家伽利略·伽利莱（Galileo Galilei）通过望远镜首次发现了木星的四颗最大卫星，现在称为伽利略卫星。这标志着首次使用望远镜观测到地球以外的卫星。伽利略·伽利莱的发现仅在一天之后，西蒙·马留斯也独立观测到了绕木星运转的卫星，尽管他直到1614年才在一本书中公开发表了他的发现。然而，马留斯的命名为这些主要卫星留下了影响，它们分别是木卫一（Io）、木卫二（Europa ）、木卫三（Ganymede ）和木卫四（Callisto）。这一发现成为支持尼古拉·哥白尼的日心说行星运动理论的一个重要证据，伽利略·伽利莱对哥白尼理论的坚定支持导致他被宗教法庭审判和定罪。

在1660年代，乔瓦尼·卡西尼使用一台新的望远镜观测到了木星大气中的斑点和多彩带状结构，并观察到了行星呈椭圆形，还估算了其自转周期。在1692年，卡西尼注意到木星的大气层在以不同速度的旋转。

大红斑可能早在1664年和1665年就被罗伯特·胡克（ Robert Hooke）和卡西尼（Cassini）观测到了，但这这种说法存在争议。药剂师海因里希·施瓦贝在1831年制作了最早显示大红斑细节的绘画。大红斑曾在1665年至1708年期间多次从视线中消失，然后在1878年再次显著可见。据记录，它在1883年和20世纪初期再次变得黯淡。

乔瓦尼·博雷利和卡西尼制作了木星卫星的运动表，可以预测这些卫星何时经过木星的前面或背面。到了1670年代，卡西尼观察到当木星与地球位于太阳的相反一侧时，这些事件发生的时间会比预期晚约17分钟。奥勒·罗默由此推断出光速并非瞬时传播的（卡西尼在此之前曾经拒绝这样的结论）而这一时间差被用来估算光速。

1892年，爱德华·巴纳德在加利福尼亚州的里克天文台使用36英寸（910毫米）的折射望远镜观察到了木星的第五颗卫星，后来被命名为木卫五（Amalthea）。这是最后一颗由肉眼直接通过望远镜发现的行星卫星。在1979年旅行者1号探测器飞越木星之前，还发现了另外八颗卫星。

1932年，鲁珀特·威尔特根据木星的吸收光谱确定了木星大气中含有氨和甲烷。1938年，观察到了三个持久的白色椭圆状气旋特征，这些特征在几十年间一直保持分开，有时接近但从未合并。最终，在1998年两个合并，然后在2000年吸收了第三个，形成了椭圆形BA。

电波望远镜的研究

在1955年，巴纳德·伯克和肯尼斯·富兰克林探测到来自木星的22.2MHz的无线电信号。这些无线信号的周期与木星的自转周期相吻合，并用此信息来精确测定了木星的自转速率。木星的无线电波信号分为两种形式：持续几秒钟的长信号（L-信号）和持续不到百分之一秒的短信号（S-信号）。

科学家们发现来自木星的射频信号有三种形式：

太空探索与探测

自1973年以来，太空探测器已多次访问过木星，其中最早的是先驱者10号太空探测器。该探测器首次足够接近木星，能够传回有关这颗太阳系最大行星的特性和现象。前往太阳系其他行星的太空任务需要耗费能量，这个能量耗费可以用太空船速度净变化，即ΔV（delta-v）来衡量。从地球的低地球轨道进入到木星的霍曼转移轨道需要ΔV为6.3千米/秒，这与进入低地球轨道所需的ΔV为9.7千米/秒相当。幸运的是，可以利用行星飞越的重力助推来降低到达木星所需的能量，尽管这可能需要更长的飞行时间。

飞跃任务

从1973年开始，多颗太空探测器在执行探测其他行星的任务时，有计划的从可以观测木星的范围内飞越。先锋计划最先获得了木星大气层和一些卫星的特写影像。它们发现了靠近这颗行星的辐射场比预期的强烈，但这两艘太空船都成功在这个环境中存活下来。这些太空船的轨迹被用来更准确地估算木星系统的质量。通过行星的无线电掩星观测还改善了对木星直径和两极扁平度的测量。

六年后，旅行者任务大大提高了对伽利略卫星的理解，并发现了木星的环。它们还证实了大红斑是反气旋。对比图像显示，自先锋任务以来，大红斑的颜色发生了变化，从橙色变成深褐色。还发现了一个沿着木卫一（Io）轨道路径的离子化原子环，这些原子来自卫星表面的火山喷发。当太空船飞过木星背后时，观察到夜间大气中的闪电。

接下来前往木星的是尤利西斯帕克太阳探测器。1992年2月，它执行了一次轨道机动，以达到围绕太阳的极地轨道。在这次飞行过程中，探测器研究了木星的磁层，尽管它没有相机来拍摄这颗行星。六年后，尤利西斯太阳探测器再次飞越木星，这次距离要远的多。

2000年，卡西尼号探测器在前往土星途中经过了木星，并提供了更高分辨率的图像。

2007年，新地平线号探测器飞越木星，借助木星的重力助推以获得前往冥王星的速度。探测器的摄像机测量了木卫一（Io）的火山喷发的等离子体，并详细研究了所有四颗伽利略卫星，以及远距离的观测外围的木卫六（Himalia）和木卫七（Elara）。新视野号探测器从2006年9月4日就开始拍摄木星系统的影像。

伽利略号

1995年12月7日，伽利略号成为首个绕行木星轨道的太空探测器。它在轨道上运行了超过七年，进行了多次伽利略卫星和木卫五（Amalthea）的飞越。伽利略号还观察到1994年苏梅克－列维9号彗星与木星碰撞的事件。然而，由于伽利略任务的高增益天线发生故障，导致一些任务目标未能完全实现。

1995年7月，伽利略任务释放了一枚重340千克的钛金属大气探测器，它于同年12月7日进入了木星的大气层。这枚探测器以大约每小时2,575千米（1,600英里）的速度降落，穿越了大气层150千米（93英里）的高度，在大气探测器被摧毁之前，它持续记录了57.6分钟的数据。伽利略轨道飞行器本身也经历了同样的结局，于2003年9月21日被故意引导撞向了木星，以避免其可能坠入并污染可能存在生命的木卫二（Europa ）。伽利略号木星探测器的数据显示，木星大气中氢气占据了多达90%的比例。记录的温度高达摄氏度300度（华氏570度），在探测器蒸发之前，风速测量值超过了644千米/小时（超过400英里/小时）。

朱诺号

美国航空航天局的朱诺号太空探测器于2016年7月4日抵达木星，旨在从极地轨道详细研究该行星。在任务执行期间，太空航天器将暴露在来自木星磁层的高辐射水平下，这可能导致某些仪器未来发生故障。2016年8月27日，太空航天器完成了首次飞越木星，并传回了首张木星北极的图像。

原本计划朱诺号在2018年7月任务结束前完成了12圈轨道飞行。在那一年的六月，NASA延长了任务操作计划至2021年7月，并在当年一月将任务延长至2025年9月，并包括了四次卫星飞越：一次是木卫三，一次是木卫二，以及两次木卫一。当朱诺任务结束时，将执行受控的脱轨并分解在木星的大气中。这将避免与木星的卫星发生碰撞的风险。

2023年，美国航空航天局（NASA）的 “朱诺”号木星探测器在飞越木星时捕捉到一张可怕的“人脸”。11月1日，英国《独立报》报道称，该照片其实展示的是木星上翻滚的云层和猛烈的风暴，从空中看就像一张扭曲、拉长并皱着眉头的人脸，颇有巴勃罗·毕加索抽象艺术的味道。

其他木星探测计划

欧洲航天局的木星冰月探测器（JUICE）于2023年4月14日发射。美国宇航局的欧罗巴快船任务，计划于2024年发射。CNSA的星际快车和美国宇航局的星际探测器，它们都将利用木星的引力来帮助它们抵达日球层边缘。

中国的木星探测计划

据英国《独立报》网站2022年9月23日的报道，在巴黎举行的国际宇航大会上国家航天局公布最早将在2030年实施天问四号任务。这项计划旨在2035年左右一次性发射两个探测器并利用金星、地球的引力弹弓效应进行加速，积聚足够的动量前往木星和天王星进行探测。两个探测器中，较大的将前往木星，并进入围绕木卫四（Callisto）的轨道；另一个较小的探测器将前往天王星进行探测。

神话传说

木星这颗行星自古以来就为人所知。它在夜空中肉眼可见，偶尔也能在白天太阳位置很低的情况下被观测到。在巴比伦文化中，这颗行星代表着他们的主神马尔杜克（Marduk），并被认为是汉谟拉比时期的众神中的首领。巴比伦人利用木星约12年一周的黄道运行周期来定义他们生肖的星宫。

在古希腊神话中，木星被称为宙斯（Ζεύς），也叫Dias（Δίας），这个名称在现代希腊语中仍然存在。古希腊人也称其为Phaethon（Φαέθων），意为“闪耀者”或“耀眼之星”。宙斯在荷马时期的希腊神话中与近东的一些神祇，如闪族的埃尔（El）和巴力（Baal）、苏美尔的恩利尔（Enlil），以及巴比伦的神祇马尔杜克（Marduk）有一定相似之处。希腊神话中的宙斯与木星的关联受到了近东文化的影响，并在公元前四世纪得到充分确立，柏拉图（Plato）和他的同时代人Epinomis都有所记录。

罗马人依据神话将木星命名为朱庇特（拉丁语：Iuppiter, Iūpiter，也称为Jova）是宙斯的罗马对应神祇，也是罗马神话中的主神，代表雷电、闪电和风暴，因此也被合适地称为光明和天空之神。最初，罗马人称木星为“朱庇特之星”（Iuppiter Stella），因为他们认为这颗行星是属于同名神祇的。这个名称源自原始印欧语的呼格复合词*Dyēu-pəter（主格：*Dyēus-pətēr，意思是, "O 天神之父"或"O 日神之父"）。

在印度占星学中，印度占星家将这颗行星命名为祭主仙人（Brihaspati），即神祇们的宗教导师，并经常称其为“上师”（Guru），意为“老师”.在中亚突厥神话中，木星被称为Erendiz或Erentüz，来源于“eren”（意义不确定）和“yultuz”（“星星”）。突厥人计算木星的公转周期为11年零300天，他们认为木星的运动与一些社会和自然事件有关。基于中国的五行理论，在中国、越南、韩国和日本，它被称为“木星”。在中国，它也被称为“岁星”，中国的道教它拟人化成为福星。中国的天文学家观察到木星每年经过黄道上的一个宫，由此产生了岁星纪年法，并在一些古代中国文献中使用岁星纪年法。

在英语，周四（Thursday）是源自"雷神日"（Thor's day），出自日耳曼神话。相较于罗马神话就是朱庇特。罗马星期四的Jovis也重新命名为Thursday。

生命的可能

1953年，米勒-尤里实验证明了闪电和存在于原始地球大气中的化合物组合可以形成有机化合物，其中包括氨基酸，这些有机物可以被视为生命的基本模块。实验中模拟的大气成分包括水、甲烷、氨和氢分子，而所有这些物质都在现今的木星大气层中被发现。木星的大气层具有强大的垂直气流，可以将这些化合物运送到较低的大气层区域。然而，在木星内部存在更高的温度，这可能导致这些化学物质分解，从而阻碍了类似地球上的生命形成。

木星的大气层中含有非常少的水，而且固体表面位于极高的压力下，因此人们认为在木星上不可能存在类似地球的生命。在1976年，旅行者任务之前，曾有一种假设，认为基于氨和水的生命可能在木星大气层的上层发展演化。这一假设基于地球上海洋的生态系统，其中表层有简单的光合作用浮游生物，底层的鱼类可以以这些浮游生物为食，而食肉海洋生物则可以捕食这些鱼类。然而，这一假设在后来的研究中受到了挑战，因为木星的大气条件和内部特点使得这种生命形式的存在变得不太可能。

虽然木星不太可能让生物站稳脚跟，但它的许多卫星中的一些却并非如此。木卫二（Europa ）是我们太阳系其他地方最有可能找到生命的地方之一。有证据表明，在其冰冷的地壳下有一片广阔的海洋，在那里可以支持生命。