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较于木卫四的10万年短得多。当伽利略卫星开始形成之际，木星次星云中所含的气体成分已经相对较少；这导致了木卫四较长的吸积时间。相反，由于木卫三是紧接木星之后形成的，这时的次星云还比较浓密，所以其吸积作用所耗时间较短。
相对较短的形成时间使得吸积过程中产生的热量较少逃逸，这些未逃逸的热量导致了冰体的融化和木卫三内部结构的分化：即岩石和冰体相互分开，岩石沉入星体中心形成内核。在这方面，木卫三与木卫四不同，后者由于其较长的形成时间而导致吸积热逃逸殆尽，从而无法在初期融化冰体以及分化内部结构。这一假说揭示了为何质量和构成物质如此接近的两颗卫星看起来却如此得不同。
在其形成之后，木卫三的内核还保存了大部分在吸积过程和分化过程中形成的热量，它只是缓慢的将少量热量释放至冰质地幔层中，就如同热电池的运作一般。接着，地幔又通过对流作用将热量传导至星体表面。不久岩石中蕴含的放射性元素开始衰变，产生的热量进一步加热了内核，从而加剧了其内部结构的分化，最终形成了一个铁-硫化亚铁内核和一个硅酸盐地幔。至此，木卫三内部结构彻底分化。
与之相比较，未经内部结构分化的木卫四所产生的放射性热能只能导致其冰质内部的对流，这种对流有效地冷却了星体，并阻止了大规模的冰体融化和内部结构的快速分化，同时其最多只能引起冰体与岩石的部分分化。现今，木卫三的冷却过程仍十分缓慢。从起内核和硅酸盐地幔所释放出的热量使得木卫三上的地下海洋得以存在，同时只是缓慢冷却的流动的铁-硫化亚铁内核仍在推动星体内的热对流，并维持着磁圈的存在。木卫三的对外热通量很可能高于木卫四。
木卫三的轨道距离木星107万400千米，是伽利略卫星中距离木星第三近的，其公转周期为7天3小时。和大部分已知的木星卫星一样，木卫三也为木星所锁定，永远都以同一面面向木星，木卫一、木卫二和木卫三三者之间的拉普拉斯共振状态。
它的轨道离心率很小，轨道倾角也很小，接近于木星赤道，同时在数百年的周期里，轨道的离心率和倾角还会以周期函数的形式受到太阳和木星引力摄动的影响。变化范围分别为0.0009-0.0022和0.05-0.32°这种轨道的变化使得其转轴倾角在0-0.33°之间变化。
木卫三和木卫二、木卫一保持着轨道共振关系：即木卫三每公转一周，木卫二即公转两周、木卫一公转四周当木卫二位于近拱点、木卫一位于远拱点时，两者之间会出现上合现象；而当木卫二位于近拱点时，它和木卫三之间也会出现上合现象。
木卫一和木卫二，木卫三的上合位置会以相同速率移动，遂三者之间有可能出现三星合现象。这种复杂的轨道共振被称为拉普拉斯共振。现今的拉普拉斯共振并无法将木卫三的轨道离心率提升到一个更高的值。
0.0013的离心率值可能是早期残留下来的——当时轨道离心率的提升是有可能的。但是木卫三的轨道离心率仍然让人困惑：如果在现阶段其离心率值无法提升，则必然得表明在其内部的潮汐耗散作用下，它的离心率值正在逐渐损耗。
这意味着离心率值的最后一次损耗就发生在数亿年之前。由于现今木卫三轨道的离心率相对较低——平均只有0.0015，所以现今木卫三的潮汐热也应该相应的十分微弱。但是在过去，木卫三可能已经经历过了一种或多种类拉普拉斯共振，从而使得其轨道离心率能达到0.01-0.02的高值。
这可能在木卫三内部引起了显著的潮汐热效应；而这种多阶段的内部加热最终造成了现今木卫三表面的槽沟地形人们还无法确切知晓木卫一、木卫二和木卫三之间的拉普拉斯共振是如何形成的。现今存在两种假说：一种认为这种状态在太阳系形成之初即已存在；另一种认为这种状态是在太阳系形成之后才发展出来的。
一种可能的形成过程如下：首先是由于木星的潮汐效应，致使木卫一的轨道向外推移，直至某一点与木卫二发生2:1的轨道共振；之后其轨道继续向外推移，同时将部分的旋转力矩转移给木卫二，从而也引起了后者的轨道向外推移；这个过程持续进行直到木卫二到达某一点与木卫三形成2:1的轨道共振。最终三者之间的两对上合现象的位置移动速率保持一致形成拉普拉斯共振，
第一批是先驱者10号和先驱者11号，两者传回的关于木卫三的信息较少。之后旅行者1号和旅行者2号于1979年飞掠过木卫三。它们精确测定了它的大小，最终证明它的体积要大于土卫六，后者曾被认为大于前者。此外，这两艘飞船还发现了木卫三上的槽沟地形。
1995年，伽利略号进入环木星轨道。在1996年至2000年间，它共6次近距离飞掠过木卫三。这6次飞掠被命名为G1，G2，G7，G8，G28，G29。在最接近的一次飞掠——G2——中，伽利略号距离木卫三表面仅264千米。在1996年的G1飞掠中，它发现了木卫三的磁场。后来又发现了木卫三的地下海洋，并于2001年对外公布。
伽利略号传回了大量的光谱图像，并在木卫三表面发现了数种非冰化合物。前往近距离探测木卫三的探测器是新视野号，它于2007年在前往冥王星的途中飞掠过了木卫三，并在加速过程中拍摄了木卫三的地形图和构成图。
2009年2月，美国航空航天局和欧洲空间局确认该计划将优先于“土卫六-土星计划”得以实施。木卫二-木星计划”包括美国航空航天局主持的“木星-木卫二轨道飞行器”和欧洲空间局主持的“木星-木卫三轨道飞行器”，可能还包括日本宇宙航空研究开发机构主持的“木星磁场探测器”。
已被取消的环木卫三轨道探测计划是木星冰月轨道器。原计划使用核裂变反应堆作为其动力来源，这将使其能够对木卫三进行详细勘查。但是由于预算裁剪，该计划于2005年被取消。另外还有一个被取消的计划被称为“宏伟的木卫三”（The G
a
deu
of Ga
ymede）。
2015年03月12日，美国国家航空航天局(NASA)宣布，美国宇航局哈勃太空望远镜近日观测到木卫三磁场产生的极光现象，并测量出木卫三冰层下方存在具有一定盐度的咸水海洋。
根据测算，这片地下海洋深度约为10万米，相当于地球上最深海洋的10倍多。它存在于150千米厚、主要由冰层组成的地表下。
木星最大的卫星----木卫三也是它拥有的唯一一颗有强磁场的卫星。科学家利用哈勃太空望远镜获得的数千张图片，发现在木星极区看到的非常壮观的极光，是在木卫三的磁气圈产生的引力影响下形成的，
木卫三和非常活跃的木卫一在围绕木星运行时，会与这颗行星的等离子体相互作用，在木星极区产生明亮的斑点这些亮斑被称作“极光足印(au
o
al footp
i
ts)”。然而，直到现在也没有人知道木卫三的足迹到底有多大以及为什么木卫三会导致木星极区产生美丽壮观的极光。
研究人员通过分析哈勃太空望远镜拍摄的图片，测量出木卫三脚印的确切大小他们认为这些斑点的面积太大根本不是卫星在这颗行星上的投影，而且它的直径跟木卫三的保护性磁场的直径非常相符。科学家还测量了木卫一极光足印的大小及形状这是由木卫一上活跃的火山喷发出来的带电粒子造成的
比利时列日大学(U
ive
sity of Liege)的天体物理学家丹尼斯·格伦顿特(De
is G
ode
t)说：“这些极光结构中的每一个都在告诉我们一个正在进行中的故事——在遥远的木星上正进行着大规模能量传输。
通过分析这些极光的确切位置，以及木卫一和木卫三围绕木星运行时，它们的形状及亮度发生的改变，我们已经制作出迄今为止最为详细的模拟图模仿木星与这些卫星之间的电磁作用。”格伦顿特在德国举行的欧洲行星科学大会上详细介绍了这项研究结果，
格伦顿特和他的科研组除了把木卫三的极光足印与它的磁场结合在一起外还意外在这颗卫星极光的亮度方面发现周期性变化，这些变化发生在三个不同时刻。研究人员认为，每次变化都反映了木星的等离子体与木卫三的磁场之间发生了相互作用，但是至今他们也不清楚是什么引起这种相互作用的。
研究负责人、约翰-霍普金斯大学应用物理实验室的韦斯-帕特森表示：“通过绘制木卫三表面图，我们可更准确地解答这颗真正独一无二卫星的形成和演变等科学问题。”
这张地图由美国地质调查局公布，从技术上阐述了木卫三表面各种各样的地质特征，是第一张完整的冰冷的外行星卫星地图。帕特森、柯林斯和同事们用美国宇航局旅行者和伽利略太空探测器捕捉到的图像制作出这张地图。
从1610年1月木卫三被发现以来，它就成为反复观测的焦点。科学家用地球望远镜第一次观测木卫三，然后用飞近探测和环绕木星飞行的航天器进行观测。这些研究发现了一个复杂的冰冷世界。
它的表面以两个主要地形类型间的鲜明对比为特征。这两种地形是又黑又冷的多陨石坑地区和更亮更年轻(但依然十分古老)的地区，后者以大量沟槽和山脊为特征。
木卫三直径3280英里(约合5262公里)，比行星水星和矮行星冥王星都大。它还是已知太阳系中唯一一颗拥有自己磁层的卫星。这张地图详细阐述了木卫三形成和在太阳系大部分历史中演变的地质特征。这些地质特征记录下木卫三内部演变、木卫三动力学和其他伽利略卫星间相互作用以及撞击木卫三表面小天体演变的证据。
这张新地图是研究人员比较其他冰冷卫星地质特征的重要工具，因为在其他冰冷卫星上发现的任何特征类型都和木卫三某个地方的特征相似。木卫三表面是地球所有陆地面积的一半以上。
这颗卫星为科学家提供各种各样的观测地点。柯林斯说：“木卫三表现出古老和最近形成的地质特征。
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