木卫一

通过埃欧附近的第一艘太空船是先锋10号和先锋11号这一对孪生的太空船，分别在1973年12月3日和1974年12月2日[23]以无线电追踪提供了埃欧质量的改善估计值、与埃欧尺寸的最佳值。认为埃欧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[24]。先锋号也揭露埃欧有稀薄的大气层，轨道附近有强烈的辐射发送带。先锋11号的照相机获得的唯一一张好的照片，显示了埃欧的北极地区[25]。先锋10号原先计划在近距离的接近埃欧时拍摄照片，但是这项观测因为高辐射的环境而失败了[23]。

航海家1号拍摄的包涵盖埃欧南极区的马赛克图

当另一对太空船航海家1号和航海家2号在1979年掠过埃欧，它们更为先进的影像系统可以获得更好的影像。航海家1号在1979年3月5日从20,600公里飞掠过这颗卫星[26]，它传回在接近的影像显露很奇怪、多彩多姿却没有撞击坑的[27]。分辨率最高的影像显示出相对年轻的表面点缀着其形怪状的凹坑，山比艾佛勒斯峰还要高，还有类似熔岩流的特征。

在短暂的邂逅之后，航海家工程师琳达·蒙娜碧朵注意到在一张影像中有一个流束从表面放射出来[28]。分析航海家1号拍摄的其他影像后，总共找到9张有这种流束的照片，证实了埃欧有活跃的火山活动[29]。在航海家1号邂逅埃欧之前不久，Stan Peale、Patrick Cassen、和R. T. Reynolds曾发表了一篇论文，作者计算出因为欧罗巴和盖尼米德的轨道共振，埃欧的内部会有巨大的潮汐热化（详细的过程与解释请参见潮汐热的章节）[30]。来自这次飞掠的数据显示埃欧的表面由硫磺和二氧化硫霜控制着。这些成分也掌控着稀薄的大气层和围绕着埃欧轨道的电浆环（也是航海家发现的）[31][32][33]。

航海家2号在1979年7月9日以1,130,000公里（702,150英里）的距离掠过，虽然他没有航海家1号那么接近，比较这两艘太空船的影像显示出在这五个月内表面有一些地区发生了变化。另一方面，航海家2号在离开木星的系统时观察到埃欧呈现月牙型，并显示出在3月观测到的9个流束中的8个依然活跃着，只有佩莱火山已经熄灭了。[34]

伽利略号太空船从地球出发后经历了6年的航程，于1995年抵达木星，依循航海家太空船的发现和地基天文台多年的观测，继续后续的观测。埃欧的位置在木星最强烈的一条辐射带之内，阻碍了近距离长时间飞掠的观测，但是伽利略主要的任务就是研究伽利略卫星，在最初两年的任务中轨道将进入并密切的经过这些卫星。在1995年12月7日飞掠过时虽然没有获得影像，但还是有重大的结果，例如发现类似于太阳系内侧的岩石行星的巨大铁核[35]。

在伽利略的主要任务期间，尽管缺乏近距离特写的镜头和机械上的问题，还是传回来了许多的数据，并且有一些重大的发现。伽利略号观测到了皮兰火山的主要爆发，并且证实火山爆发由硅酸盐的岩浆和富含镁的铁镁质和超铁镁质成分与硫磺和二氧化硫组成，类似于地球上的水和二氧化碳所扮演的角色[36]。在任务的主要期间，几乎每一条轨道都获得了埃欧远距离的影像，显露很大数量的火山活动（来自表面和火山流束两者的岩浆冷却时都散发出辐射热），众多的山和广泛的型态学上的变化，还有在航海家和伽利略的年代之间，以及伽利略不同的轨道期间，在表面发生的变化[37]。

伽利略号的任务在1997和2000年两度的延展，在这些延长任务的期间，太空船在1999年末至2000年初，三度飞越埃欧；在2001年末至2002年初又再三度飞越。在这些遭遇时间的观察透露了埃欧的火山和山的地质过程，排除了磁场的出现，并且证实了火山运动的程度[37]。在2000年的12月，卡西尼太空船在前往土星的路程上与木星系统有过短暂的邂逅，与伽利略号联合一起观测。这次的观测在陀湿多火山口发现了一个新的流束和证实观察到了艾欧的极光[38]。

在伽利略号和新视野号相隔八年观察到的表面特征变化

在伽利略号之后的2003年9月，火热的困境出现在木星的大气层，地基望远镜观测到埃欧有新的火山活动。特别是来自夏威夷凯克望远镜的自适应光学仪所获取的影像，以及哈伯太空望远镜允许天文学家监测埃欧的火山活动[39][40]。这些影像使得科学家无需通过太空探测器就可监测到木卫一的火山活动。

前往冥王星和柯伊柏带的探测器新视野号于2007年2月28日途中曾接近木星和埃欧。在接近木卫一期间，它获得许多埃欧的远距离观测数据，包括陀湿多火山口的巨大流束，证实了该喷发流是自1979年在木卫一上观测到佩莱火山第一道流束来最大的火山喷流[41]。新视野号也捕捉到吉卢火山口在接近与进入早期喷发前的影样，还有一些在伽利略号探测器就曾观察到喷发的火山[41]。

目前有两个探测木星系统的计划即将运行。朱诺号太空船在2011年发射，其拍摄能力虽受到限制，但它可以使用近红外线分光仪（）提供埃欧的火山活动。欧罗巴木星系统任务（）是美国宇航局和欧空局合作的计划，它已在2009年2月获得批准，但预定发射日期是在2020年，并将使用二艘太空船来研究埃欧：美国宇航局的木星欧罗巴轨道者和欧空局的木星盖尼米德轨道者[42]。因为这两艘太空船的主要任务是研究木星的冰卫星，所以对埃欧的观察几乎都处在较较远的距离上，木星欧罗巴轨道者在进入环木卫二轨道前的2025年和2026年间，将四度接近与飞掠过木卫一，但目前欧空局的贡献仍将面临该局其他项目的经费竞争[43]。除了美国宇航局已经批准的这两个计划外，还有几个与埃欧相关的项目被提出。一个称为埃欧火山观测者的计划将在2015年发射，它设置为发现级的任务，并将多次飞越埃欧，但这个计划目前仍在概念研究的阶段[44]。

埃欧内部构造可能的模型，内侧是一个铁或硫化铁的内核（灰色），外面是硅酸盐的外壳（褐色）和部分熔解的硅酸盐地函（橘色）夹杂在其间

主要由硅酸盐岩石和铁组成，埃欧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。埃欧的密度为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[55]。根据航海家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）创建的模型，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函，铁或硫化铁－富含在内核 [35]，金属内核的质量大约占了埃欧质量的20% [56]。依据内核中硫的含量，如果完全由铁组成，内核的半径在350至650公里（220至400英里）之间；如果由铁和硫混和组成，内核的半径则在550至900公里（310至560英里）。伽利略号的磁强计没有测出埃欧内部的磁场，所以认为内核没有对流[57]。

模型也建议埃欧内部的组成，地函至少有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）[58][59]要维持在埃欧上观察到的热流，10-20%的地函也许是溶解的，但观察到高温的火山作用地区，也许有更高的被熔解比例[60]。由于广泛的火山作用，埃欧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）[61][56]。

不同于地球和月球，埃欧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，这是埃欧的轨道与欧罗巴和盖尼米德共振的结果[30]。这样的热化与木星和埃欧的距离、轨道的离心率、它的内部构造和物理状态有关[60]。它和欧罗巴与盖尼米德的拉普拉斯共振，维系了埃欧的离心率并且防止了它因潮汐散逸而使轨道变圆。轨道共振也帮助埃欧维持到木星的距离，否则木星涌起的潮汐将导致埃欧的轨道成螺旋形的逐渐由外向内的朝母行星接近[62]。埃欧的潮汐隆起在轨道上的近木点和远木点的时刻之间有着100米（330英呎）的垂直变化。由于这种潮汐拉扯在埃欧的内部产生了摩擦或是潮汐散逸，如果没有轨道共振，这些将使得埃欧的轨道变得更圆；在埃欧的内部创造更大的潮汐加热，使这颗卫星内部更多的地函和内核被熔化。如此产生的能量大于放射性衰变的200倍[6]，这些热量以火山活动的形式被释放出来，造成在观测上看见的高热流（全球总量：0.6 至1.6×10¹⁴ 瓦）[60]。它的轨道模型认为埃欧内部的潮汐加热会随着时间而改变，并且目前的热流也不是长时间平均的代表[60]。

埃欧的表面图。

基于他们对月球、火星和水星等古老表面的经验，科学家预期在航海家1号传回的第地一张埃欧的影像上将看见许多的撞击坑。横跨在表面的撞击坑密度可以提供埃欧的年龄，但是，他们很惊讶的发现在表面几乎全无撞击坑，取而代之的是光滑的平原，和在表面有着各式各样大小的火山口和火山的熔岩流[27]。与是各地地被观测过的点来比较，埃欧的表面有着五颜六色的来自不同的硫磺组成的材料（比较起来埃欧的前导半球有着腐败的橘子或是披萨的颜色）[63]。缺乏撞击坑表示埃欧的表面是很年轻的，像是地球的表面；火山口被它们制造的连绵不绝的火山物质掩埋掉。在航海家1号短暂的观察下，证实了这个壮观的情景，至少有9座活火山存在着[29]。

埃欧五颜六色的表面是它广泛的火山作用导致各种各样材料的结果，这些材料包含硅酸盐（例如直辉石类）、硫磺和二氧化硫 [64] 二氧化硫的霜横跨并普遍的存在于埃欧表面，形成白色或灰色材料组成的广大区域。散布在中纬度和极区的硫磺，经常受到辐射的破坏，造成稳定的8链硫磺被破坏。这种辐射的破坏使得埃欧的极区呈现红褐色。[12]

爆发的火山，经常产生伞形的流束，将表面涂装上硫磺和硅酸盐的材料。流束在埃欧表面的沉积物会依据流束内硫磺和二氧化硫数量的不同而呈现白色或红色。通常，从包含大量S₂的火山形成的流束，会导致红色的扇形沉积，或是在极端的例子中，形成大的（高度达到450公里（280英里）的主要事例中）红色环[65]。一个流束形成红色圆环沉积的明显例子是裴蕾火山，这个红色的沉积主要是硫磺（通常是3或4链的硫磺分子）、二氧化硫、或者还有Cl₂SO₂[64]。形成在硅酸盐熔岩边缘的流束（通过熔岩和先前已经沉积的硫磺和二氧化硫）会造成灰色或白色的沉积。

由埃欧的结构图和高密度，认为埃欧没有或是只有少量的水，虽然侦测到含冰屑或含水矿物的小矿穴，最著名的是在吉什巴尔山脉（）的西北侧[66]。水的缺乏可以归咎于木星在早期有足够的热，在太阳系的演化过程中将在埃欧附近的挥发性物质，像水，都蒸发掉了，但热不足以影响更远处的地方。

伽利略号探测器1999年11月至2000年2月间拍摄的照片，显示陀湿多火山口区域内活动的熔岩流（空白区是原始数据已饱和的区域）。

由埃欧的轨道离心率引发的潮汐热迫使该卫星成为太阳系中火山活动最活跃的天体，有数百座火山中心和四处流窜的熔岩流。当发生大规模喷发时，成分主要为玄武岩的硅酸盐与富铁镁质或超铁镁质岩的熔岩流长度十倍于平时，可长达数百公里。做为这些活动的副产品，硫磺、二氧化流和硅酸盐碎屑等物质（像是灰烬），可被吹送至500公里（310英里）的高空中，形成巨大的伞状流束，为周围地表提供了红、黑、白等彩绘材料，并为木卫一大气层和木星广阔的磁层提供了大量的补充物。

埃欧的表面有许多由沉积物构成，被称为火山口的点[67]，火山口一般都有高耸的坑壁和较大范围的平坦表面。这些特征类似地球上的破火山口；他们是否如同地球上的表亲一样，是由一些崩塌的熔岩管所构成，但这些仍都是未知的。有一种假说认为这些地貌可已经由发掘火山形成的岩层，和被叠加进入或排除在岩层上的材料来鉴识[68]。不同于地球和火星的特征，这些沉积物没有在盾状火山中心的尖峰，并且更为巨大，它们的平均直径是41公里（25英里），最大的洛基火山口直径达到202公里（126英里）[67]。无论形成的机制是如何，许多火山口的型态学和分布状态建议这些特征是受到结构上的控制，或者至少有一半与山或断层有关[67]。这些特征通常是火山爆发的特征，可能是熔岩流横越过火山口内的平原，像是2001年吉什巴尔火山口的喷发，或是熔岩湖的形成[69][7]。在埃欧的熔岩湖有一个会持续翻转的熔岩外壳，像是裴蕾火山，或是有着翻转情节的外壳，像是洛基火山口[70][71]。

熔岩流代表埃欧另一种的主要火山地形。岩浆从火山口表面的出气孔或裂缝喷发出来，产生膨胀，形成的熔岩流类似地球上在夏威夷的启劳亚火山。来自伽利略号的影像显示埃欧许多的主要熔岩流，像是普罗米修斯火山和阿米拉尼火山，是在旧的熔岩流上产生小的断裂处上方产生新熔岩流的堆积[72]。在埃欧上也观察到够大的熔岩喷发，例如，从1979年旅行者号到1996年伽利略号的第一次观测，普罗米修斯熔岩流锋就流动了75至95公里（47至59英里）。在1997年的一次主要喷发，产生了超过3,500公里² （1,350英里）长的新鲜熔岩流，并且充斥在邻近的皮兰火山口[36]。

新视野号的五张连续影像显示埃欧的陀湿多火山口喷出的物体高出表面达330公里。

科学家分析旅行者探测器图像后，相信这些流体主要由熔解的各种硫化物所组成。但是随后地基天文台和伽利略号的观测却显示这些流体是由玄武岩与镁铁质和超镁铁质构成的。这样的假说是依据对埃欧的"热点"进行温度测量，或是热辐射位置的结果，这些结果建议的温度至少高达1,300 K，更有高达1,600 K的点[73]，估计原始的喷发温度可以达到2,000 K[36]，但是因为当初使用错误的温度模型将温度塑造的过高，之后已经证实温度被高估了[73]

在佩莱火山和洛基火山口发现流束是证实埃欧有活跃的地质活动的一个标志[28]。通常，这些流束是硫磺和二氧化硫以每秒1公里（0.6英里）的速度从火山喷发出来所形成的，在流束中可以发现的物质还包括钠、钾和氯[74][75]。这些流束看起来是由下面二种方法中的一种形成的[76]。埃欧的流束最大的时候是当被熔化的岩浆从火山口或熔岩湖喷出硫磺和二氧化硫的时候，并经常会扯泄出硅酸盐的火山碎屑，这些流束会在表面形成红色（短链的硫磺）和黑色（硅酸盐火成岩的碎屑）的沉积物。这些流束在埃欧表面被观察到最大的是直径达到1,000公里（620英里）的红色环状沉积，例如佩莱火山、陀湿多火山口和达日博格火山口，都是由者种形式的流束造成的。另一种形式流束造成的是当熔岩流将底部的二氧化硫霜气化，将硫磺送上空中。照种形式的流束经常形成明亮的圆形二氧化硫沉积。这种形式的流束高度通常低于100公里（62英里），并且流束可以维持很长的寿命，像是普罗米修斯火山、阿米拉尼火山和产灵火山。

伽利略号所拍摄的高5.4公里托希尔山灰阶影像

埃欧表面有100至150座山峰，平均高度为6公里，最高的一座是位于南极的博阿索利山脉，高达17.5±1.5公里[8]。山峰通常都很巨大，平均长度是157公里，被隔绝的结构看起来没有全球性的构造模式，跟地球上的山峰一样[8]。埃欧必须要有硅酸盐岩石构成的地壳，才能支撑这些巨大的山峰，相较之下硫磺构成的地壳就不可能产生[77]。

尽管埃欧广泛的火山作用呈现出许多的特征，几乎所有的山都有来自地壳运动的结构。埃欧多数的山峰并非由火山所造成，反而是由岩石圈受到压缩应力的结果而形成，这些是经由埃欧外壳经常性的掀动和逆断层提高的[78]。导致山峰形成的压缩应力是来自火山沉积的物质不断被埋葬的结果[78]。全球性的山脉分布看起来是与火山结构相对称的；山峰分布区域只有少许的火山存在，反之亦然[79]。这建议大尺度区域的岩石圈结构何处被压缩（支持山的形成）和扩张（支持火山口的形成）所掌控[80]。局部的，然而山和火山口经常紧靠在一起，则是当山在形成并到达表面时曾经有断层形成，而造成岩浆的侵蚀[67]。

在埃欧上的山峰（通常是周围的平原上升的结构）有各种各样的型态。高原是最普通的[8]，这种结构相似大、顶部平坦的方山与坚固的表面。其它的山看起来是被掀动的地壳，有着平缓斜坡的，是旧有的表面形成的；包括表层物质的陡坡，是下层物质受到压缩应力擡升的结果。这两种山经常都有陡峭的陡坡形成一个或多个的边缘。在埃欧上只有几座山的源头看起来是火山，这些山类似盾状火山，坡度是平缓的（6–7°），中心有一个小的破火山口和沿着附近的浅倾斜边缘[81]。这些火山通常都比埃欧的山的平均大小为小，平均只有1至2公里（0.6至1.2英里）的高度，和40至60公里（25至37英里）宽。其它还有几个倾斜度更平缓的盾状火山，因为有熔岩流成辐射状的从中央辐射而出，才从型态学上推断是埃欧上的火山，像是拉火山结构[81]。

几乎所有的山看起来都在退化的阶段上，大形的山崩沉积是埃欧上的山的地基共同的现象，因此崩坏作用被建议是退化的主要形式。在埃欧的方山和高原共同的特征是扇贝状的边缘，这是二氧化硫从埃欧的地壳渗透，导致山的边缘区域弱化的结果[82]。

极光在埃欧的上层大气发光，不同的颜色来自大气中不同的成分（绿色来自钠原子，红色来自氧原子，蓝色来自火山的气体，像是二氧化硫）。影像是在埃欧食摄影的。

埃欧的大气层极端稀薄，只有地球大气压力的十亿分之一，主要的成分是二氧化硫[32]，而氯化钠、一氧化硫及氧也有少许[83]。稀薄的埃欧大气意味着未来以任何方式着陆埃欧的探测器都不需要安装隔热板来保护仪器，但是需要反推进火箭来进行软登陆。稀薄的大气也使得登陆的设备必需坚固得足以抗拒木星强烈的辐射，这些辐射也使稀薄的大气变得浓稠。

同样的辐射（以电浆的形式存在）也将大气剥离，所以必须经常补充大气[83]。二氧化硫最引人注目的来源是火山作用，但是大气层受到阳光持续的照射也会使冻结的二氧化硫升华。大气层主要被限制在赤道，因为该处是最温暖的，而且能够形成流束的活跃火山多数也在赤道上[84]。其它的变化也会存在，以在火山口附近的密度最高（特别是有流束的火山口），还有埃欧的反木下点（埃欧上距离木星最远的一点，那儿的二氧化硫霜的数量最丰富）[83]。

卫星拍摄的高解析影像显示，天文学家在卫星食的时候可以观察到类似辉光的极光[85]。这种现象是来自于辐射与大气层的作用，如同地球的极光。极光通常出现在行星的磁极附近，但是埃欧最明亮极光却位在赤道区域。埃欧本身没有磁场，因此，电子沿着木星的磁场接近埃欧并直接撞击到卫星的大气层。越多的电子撞击大气层，极光就越明亮，而磁力线是与卫星正切的（也就是说接近赤道），因此在那儿经过的气柱会最长。极光与埃欧上的正切点的结合被观察到的「晃动」指出木星的倾斜磁偶极场变化方向[86]。