Europa (måne)

Omløp og rotasjon

Europa fullfører et omløp rundt Jupiter på 3,55 dager med en baneradius på 670 900 km. Med en eksentrisitet på 0,009 er banen nesten sirkulær, og inklinasjonen relativ til det jovianske ekvatorplanet er kun 0,470°.
Som de andre galileiske månene har Europa en bundet rotasjon med Jupiter der den ene halvkulen alltid vender mot planeten. Derfor er der et sub-joviansk punkt på Europas overflate hvor Jupiter tilsynelatende henger direkte over. Nullmeridianen er linjen som krysser dette punktet. 
Forskning antyder at tidevannslåsen ikke er fullstendig: Noen forskere har foreslått en ikke-synkron rotasjon, hvor Europa roterer raskere enn den går i bane rundt Jupiter, eller gjorde det før i tiden. Dette antyder en asymmetri i fordelingen av den indre massen, og et underjordisk lag av væske som skiller isskorpen fra de indre bergartene.
Den lille eksentrisiteten som opprettholdes av gravitasjonen fra de andre galileiske månene, forårsaker at det sub-jovianske punktet pendler rundt en gjennomsnittlig posisjon. Når Europa kommer litt nærmere Jupiter, øker den gravitasjonelle påvirkningen og månen strekker seg mot den. Når Europa beveger seg noe vekk fra Jupiter, avtar planetens gravitasjonskraft, og månen går tilbake til en mer sfærisk form. Baneeksentrisiteten heves kontinuerlig av den gjennomsnittlige bevegelsesresonansen med Io.
Dermed forårsaker tidevannsfleksingen at Europas indre blir en varmekilde som muligens gjør at et hav kan forbli flytende og drive geologiske prosesser under overflaten.
Kilden til denne energien er Jupiters rotasjon, som tappes av Io gjennom tidevannet den hever på Jupiter og overføres til Europa og Ganymedes av baneresonansen.

Fysiske egenskaper

Europa er litt mindre enn jordens måne. Med en diameter like over 3 100 km er Europa den sjette største månen og det femtende største objektet i solsystemet. Den er den  minste av de galileiske månene, men har likevel større masse enn den samlede massen til alle kjente måner i solsystemet som er mindre enn den. Tettheten antyder en sammensetning som minner om de terrestriske planetene, primært bestående av silikatbergarter.

Indre struktur

Det antas at et ytre lag av vann har en tykkelse på ca. 100 km; noe som en øvre skorpe av frossen is og noe som et flytende hav under isen. Data fra Galileo-sonden viste at Europas magnetfelt blir fremkalt gjennom vekselvirkning med Jupiters magnetfelt, og antyder et konduktivt underjordisk lag som sannsynligvis er et flytende hav av saltvann. Skorpen antas å ha blitt forskjøvet 80°, noe som er usannsynlig hvis isen satt fast i mantelen. Europa har sannsynligvis en metallisk jernkjerne.

Overflateformasjoner

Europa er et av de jevneste objektene i solsystemet. De dominerende markeringene på kryss og tvers av månen ser ut til å være hovedsakelig albedoformasjoner, som understreker en lav topografi. Overflaten er tektonisk aktiv, med få nedslagskratere. Basert på estimert frekvens av sannsynlige kometbombardementer, er den 20–180 millioner år gammel.  Den isete overflaten gir Europa en albedo (lysreflektivitet) på 0.64, en av de høyeste blant alle månene. Det er foreløpig ingen konsensus omkring de noen ganger motstridende forklaringene på overflateformasjonene.
Strålingsnivået på overflaten tilsvarer ca. 540 rem (5 400 mSv) per dag, som er helseskadelig eller dødelig for mennesker.

Lineae

Lineae (latin for linjer), eller lineamentene, er mørke streker som går på kryss og tvers av hele Europa. De utgjør sprekker, rygger eller belter i isen. Spektroskopiske målinger og romlige analyser foretatt av Galileos instrumenter viser at kantene på hver side av disse lineae har forflyttet seg relativt til hverandre over tid. Lineamentene finnes i fire forskjellige klasser eller utviklingsstadier, der morfologi, spektrale egenskaper og retninger endres med alderen.
De yngste er sprekkene eller sprekkdannelsene. De er under 1,6 km brede, er generelt fargeløse frakturer med grovkornet ren is, og har en tendens til å krysse andre lineae. Den andre gruppen er ryggene. De er 3–6 km brede, har et hevet terreng eller relieff langs kantene, og har en annen farge enn isen de passerer gjennom. Trippelbeltene er 8–12 km brede, og har mørke striper i midten med omtrent samme farger som ryggene. Kantene er rødbrune på grunn av forurensing. Den fjerde gruppen eller båndene er den eldste. De kan bli mer enn 20 km på tvers, har ofte en mørk, diffus ytre kant, regelmessige striasjoner og en sentral stripe med lysere materialer. Deres farge ligger mellom trippel-båndene og isen omkring. I det synlige spektrum er de bare litt mørkere enn isen, og på Voyagerprogrammets bilder ble de bare sett ved infrarøde bølgelengder.
Dannelsen er neppe avsluttet; spesielt synes det brede beltet Agenor Lineae å fremdeles være i aktivitet.
Den mest aksepterte hypotesen er at lineamentene skyldes utbrudd av vann i varmere tilstander, hvor skorpen åpnet seg og blottla varmere lag under. Noe lignende kan sees på jordens midthavsrygger. Bruddene antas i stor grad å skyldes tidevannspåkjenningene fra Jupiter. Fordi Europa alltid vender samme side mot Jupiter, burde påkjenningen danne forutsigbare mønstre.
Bare de yngste lineamentene følger dette mønsteret; de andre finnes i stadig forskjellige retninger desto eldre de er. Dette kan skyldes at overflaten roterer raskere enn det indre, fordi det underjordiske havet frikobler overflaten fra steinmantelen, og fordi Jupiters gravitasjon trekker på den ytre isskorpen. Sammenligninger av bilder fra Voyager og Galileo-sondene gir en øvre grense på denne hypotetiske glidningen. Den fulle rotasjonen til det ytre stive skallet i forhold til Europas indre skjer over minimum 12 000 år.

Andre geologiske formasjoner

Andre formasjoner er sirkulære og elliptiske lenticulae (latin for «fregner»). Noen er kupler, noen er groper og noen er glatte, mørke flekker. Andre har en usammenhengende og grov tekstur. Kuplene ser ut som deler av de gamle slettene rundt dem, og ble trolig dannet da slettene ble presset opp nedenfra.
En av hypotesene hevder at disse lenticulaene ble dannet av diapirer av varm is som steg opp gjennom den kalde isen i den ytre skorpen, mye lik magmakammerene i jordskorpen. De jevne, mørke flekkene kan ha blitt dannet av smeltevann som ble frigjort da den varme isen brøt gjennom overflaten. De grove, rotete lenticulaene (kalt «kaosregioner»; for eksempel Conamara Chaos) ville så bli dannet fra små fragmenter av skorpen innebygd i haugete, mørkt materiale og vises som isfjell i et frossent hav.
En alternativ hypotese foreslår at lenticulaene er små områder med kaos, og at gropene, flekkene og kuplene er artefakter som følge av overtolkning av tidlige Galileo-bilder med lav oppløsning. Antydningen er at isen er for tynn til å støtte den konvektive diapir-modellen som formasjonsdannelse.
I november 2011 presenterte et lag av forskere fra University of Texas i Austin og andre steder bevis i publikasjonen Nature som antydet at mange «kaosterreng»-formasjoner på Europa sitter på toppen av store innsjøer av flytende vann. Disse innsjøene ville være helt innkapslet i månens isete ytre skall og tydelig fra et flytende hav antatt å eksistere lengre ned under isskallet. Endelige beviser vil kreve en romferd som undersøker isskallet direkte eller indirekte, for eksempel ved bruk av radar.

Underjordiske hav

De fleste planetologer tror det finnes flytende vann under overflaten som varmes av tidevannskreftene. Den radioaktive nedbrytingen, som er nesten den samme som i jorden (per kg bergarter), tilfører ikke tilstrekkelig varme til dette. Volum-til-overflate-forholdet er nemlig mye lavere fordi månen er mindre enn jorden. Overflatetemperaturen ligger i snitt rundt 110 Kelvin (K) ved ekvator og 50 K ved polene, og isskorpen er hard som granitt. De første hintene om et underjordisk hav kom fra teoretiske betraktninger av tidevannsoppvarmingene som skyldes Europas noe eksentriske bane og baneresonans med andre galileiske måner.
Medlemmer av bildegruppen til Galileo argumenterer for at Europa har underjordiske hav på grunnlag av analyser av bilder fra Voyager og Galileo. «Kaosterreng» er blitt foreslått som regioner hvor underjordiske hav har smeltet seg gjennom isskorpen, men dette er kontroversielt. De fleste geologer støtter «tykk is»-modellen, hvor havene sjelden eller aldri har vekselvirket direkte med overflaten. Ulike modeller for beregning av isskallets tykkelse gir verdier på mellom to og flere titalls kilometer.
«Tykk is»-modellen støtter seg til studier av Europas store kratre. De største nedslagsformasjonene er omgitt av konsentriske ringer og ser ut til å fylles med relativt flat, ny is; basert på dette og den beregnede mengden varme som genereres av tidevannet er det forutsagt at den ytre skorpen av fast is er 10–30 km tykk, inkludert et lag av seig «varm is», mens det flytende havet under kan være ca. 100 km dypt. Dette gir et volum på 3×10¹⁸ m³ for Europas hav, litt over to ganger det samlede volumet til havene på jorden.
«Tynn is»-modellen antyder at isen er et par kilometer tykk. De fleste planetologer konkluderer imidlertid med at denne modellen bare omfatter de øverste lagene av skorpen som kan bli elastiske av Jupiters tidevannskrefter. Et eksempel er analyser av fleksibiliteten hvor månens skorpe blir modellert som et plan eller sfære som blir belastet og bøyd med tunge laster. Slike modeller antyder at den ytre elastiske delen av isskorpen kan være så tynn som 200 m, og at kontakt mellom det flytende indre og overflaten kan oppstå gjennom åpne rygger og forårsake dannelsen av kaosterreng.
I desember 2008 ble det foreslått at Jupiter oppvarmer Europas hav ved å generere store tidevannsbølger på grunn av Europas lille, men eksisterende aksehelning. Rossbybølger fra denne typen tidevannskrefter ferdes kun et par kilometer per dag, men kan generere betydelig kinetisk energi. For aksehelningen på 0,1 grader vil resonansen for Rossbybølger lagre 7,3×10¹⁷ J med kinetisk energi, eller to hundre ganger mer enn strømmen eksitert fra tidevannskreftene. Dissipasjon av denne energien kan være hovedvarmekilden til Europas hav.
Galileo-sonden fant at et svakt magnetisk moment er indusert av den varierende delen av det jovianske magnetfeltet. Feltstyrken ved den magnetiske ekvator (ca. 120 nT) er om lag en sjettedel av styrken til Ganymedes' felt og seks ganger verdien til Callistos. Det induserte momentet krever et indre lag av svært elektrisk ledende materialer, mest sannsynlig et stort underjordisk hav av flytende saltvann. Spektrografiske bevis tyder på at de mørke, rødlige stripene og formasjonene er rike på svovelsyrehydrater eller på salter som magnesiumsulfat innkapslet i fordampet vann. Begge deler er fargeløse eller hvite når de er rene; rødfargen skyldes muligens svovelforbindelser.

Atmosfære

Observasjoner med Goddard High Resolution Spectrograph på Hubble-teleskopet, først beskrevet i 1995, avslørte en tynn atmosfære av primært molekylært oksygen (O₂) Overflatetrykket er 0,1 μPa, eller 10⁻¹² ganger jordens. I 1997 bekreftet Galileo-sonden eksistensen av en tynn ionosfære, et øvre atmosfærisk lag med ladde partikler. 
Atmosfæren er ikke av biologisk opprinnelse, men dannes gjennom radiolyse – dissosiasjonen av molekyler gjennom stråling. Ultrafiolett stråling fra solen og ladde partikler (ioner og elektroner) fra Jupiters magnetosfære kolliderer med den isete overflaten og splitter vann i oksygen og hydrogen, som absorberes av atmosfæren. Strålingen skaper også kollisjonsrester av elementene fra overflaten, og balansen mellom disse to prosessene danner en atmosfære. Molekylært oksygen er den tetteste komponenten fordi det har en lang livslengde; når det returnerer til overflaten fester (fryser) det seg ikke i vann eller hydrogenperoksidmolekyler, men desorpterer fra overflaten og starter en annen ballistisk bue. Molekylært hydrogen når aldri overflaten; det er så lett at det unngår overflategravitasjonen.
Observasjoner viser at deler av det molekylære oksygenet ikke skytes ut fra overflaten. Kanskje finner det veien ned til underjordiske hav, og utgjør en del av en biologisk prosess. Gitt utskiftningsfarten avledet av isskorpens maksimale alder på 500 millioner år, kan subduksjonssoner med oksiderende stoffer føre til oksygenfrie ansamlinger av hav som ligner de jordiske dyphavene.
Det molekylære hydrogenet som unnslipper gravitasjonen, danner en torus (ring) av gass sammen med atomisk og molekylært oksygen i nærheten av Europas bane rundt Jupiter. Denne «nøytrale skyen»  ble oppdaget av Cassini og Galileo og har et høyere innhold (antall atomer og molekyler) enn den nøytrale skyen som omgir månen Io. Modeller forutsier at nesten hvert atom eller molekyl i torusen til slutt blir ionisert, og blir en kilde til plasmaen i Jupiters magnetosfære.

Jordbasert forskning

Den første rapporterte observasjonen av Europa ble gjort av Galileo Galilei 7. januar 1610 ved bruk av refraktorteleskop med 20× forstørrelse ved Universitetet i Padova. Han kunne ikke skille Io fra Europa på grunn av den lave kraften i teleskopet, og registrerte dem som ett enkelt lyspunkt. Io og Europa ble observert som to separate punkter da Galilei observerte det jovianske systemet neste dag, 8. januar 1610. Datoen regnes som observasjonsdato for Europa av IAU. Oppdagelsen av de galileiske månene ble publisert i Galileos Sidereus Nuncius i mars 1610. I Mundus Jovialis (1614) hevdet Simon Marius å ha oppdaget månene i 1609, én uke før Galilei. Dette var likevel 29. desember 1609 i den julianske kalenderen, og 8. januar 1610 i den gregorianske kalenderen som Galilei brukte. Galilei publiserte arbeidene først, og er kreditert for oppdagelsene.
På 1800-tallet ble de galileiske månene brukt til bestemmelsen av lengdegrad, validering av Keplers lover for planetenes bevegelser og bestemmelsen av tiden som kreves for lyset å ferdes mellom Jupiter og jorden. Basert på efemeridene produsert av astronomen Giovanni Cassini og andre, utarbeidet Pierre-Simon Laplace en matematisk teori om de resonante banene til Io, Europa og Ganymedes. Man fant senere ut at resonansen har en betydelig effekt på månenes geologi.

Forskning med romsonder

Så langt har syv romsonder utforsket Europa, mens én er på vei.

Pioneer

Søstersondene Pioneer 10 og Pioneer 11 var de første til å besøke Jupiter i henholdsvis 1973 og 1974. Bildene de tok av Jupiters største måner var uklare og svake sammenlignet med senere oppdrag. Pioneer 10s minste avstand fra månen var 321 000 km den 3. desember 1973.

Voyager

De to Voyager-sondene passerte gjennom det jovianske systemet i 1979. Voyager 1 passerte Europa 5. mars 1979 i en avstand av 733 760 km. Voyager 2 passerte Europa 9. juli 1979 i en avstand av 205 720 km. Sondene ga mer detaljerte bilder av overflaten, og førte til spekulasjoner om muligheten for flytende hav under overflaten.

Galileo

Fra 1995 til 2003 gikk Galileo-sonden i bane rundt Jupiter, og ga de hittil mest detaljerte undersøkelsene av de galileiske månene. Galileo Europa Mission pågikk fra 1996 til 1999 og innbefattet hele ti nærpasseringer av Europa: 19. desember 1996 i en avstand av 695 km, 20. februar 1997 i en avstand av 588 km, 6. november 1997 i en avstand av 1 119 km, 10. februar 1998, 29. mars 1998 i en avstand av 1 645 km, 31. mai 1998, 21. juli 1998, 26. september 1998, 22. november 1998 og 1. februar 1999.
Oppdraget ble utvidet med Galileo Millennium Mission fra oktober 1999 til mars 2001, hvor Galileo fortsatte undersøkelsene i samarbeid med romsonden Cassini. En siste forbiflyvning fant sted 21. september 2003.

New Horizons

På vei mot Pluto passerte New Horizons månen 28. februar 2007 i en avstand av 2 964 860 km.

Juno

Romsonden Juno ble skutt opp 5. august 2011, og ankom Jupiter 5. juli 2016.

Fremtidige oppdrag

Ulike oppdrag har blitt foreslått, fra å undersøke kjemisk sammensetning til å søke etter utenomjordisk liv i undergrunnshavene. Ethvert oppdrag vil trenge beskyttelse mot det høye strålingsnivået fra Jupiter; Europa mottar ca. 540 rem (5 400 mSv) med stråling hver dag.
Europa Jupiter System Mission (EJSM) ble foreslått oppskutt i 2020 som et fellesprosjekt mellom NASA og ESA for utforskning av mange av Jupiters måner. I februar 2009 ga ESA og NASA dette oppdraget prioritet foran Titan Saturn System Mission. EJSM bestod av den NASA-ledete Jupiter Europa Orbiter (JEO), den ESA-ledede Jupiter Ganymede Orbiter (JGO) og muligens den JAXA-ledede Jupiter Magnetospheric Orbiter. ESAs bidrag konkurrerte med andre ESA-prosjekter, men i april 2011 uttalte ESA at et amerikansk-europeisk oppdrag var usannsynlig i begynnelsen av 2020-årene, gitt NASAs budsjett. ESA vil derfor undersøke muligheten for å fortsette med et europeisk-ledet oppdrag, kalt JUICE (JUpiter ICy moon Explorer) som vil være basert på JGO-designet. Russland har også uttrykt interesse i å sende et landingsfartøy til Europa som en del av et internasjonalt oppdrag.

Foreslåtte og avbrutte romsonder

Planer om å sende en sonde for å studere tegnene på flytende vann og mulig liv på Europa har vært preget av utsatte prosjekter og budsjettkutt.
Banesonden Europa Orbiter fikk startordre av NASA i 1999, men ble stanset i 2002. Dens spesielle radar ville ha gjort det mulig å se under overflaten. Planene for Jupiter Icy Moons Orbiter ble stanset i 2005.
Jovian Europa Orbiter var «Cosmic Vision»-konseptstudie fra 2007 av ESA. Ice Clipper-oppdraget skulle bruke en nedslagssonde tilsvarende Deep Impact-oppdraget – den skulle utføre en kontrollert kollisjon med Europa og lage en sky av rester som så skulle samles av mindre sonder som fløy gjennom skyen.
Mer ambisiøse ideer innbefatter en nedslagssonde med en termisk drill for å søke etter biosignaturer som kan være frosset fast i det grunne underlaget.
I 2001 ble det foreslått å la en atomdreven kryobot smelte seg gjennom isen til havet under, og sende ut et automatisk undervannsfartøy (hydrobot) som ville innhente informasjon. Kryoboten og hydroboten ville måtte gjennomgå en ekstrem sterilisering for å unngå at jordiske organismer forveksles med organismer fra Europa, og for å unngå forurensing av havet. Forslaget har ikke kommet til et seriøst planleggingsstadium.