木卫三是木星最大的卫星，也是太阳系中最大的卫星，直径约为 5260 千米。这个数字是它的平均直径，也就是平均宽度。木卫三比行星水星还宽，也是目前已知唯一拥有自身磁场的卫星。

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NASA 给出的木卫三平均半径为 2631.2 千米，据此计算，它的直径为 5262 千米。NASA 喷气推进实验室给出的半径与此相同，误差为 1.7 千米。

木卫三的密度略低于水的两倍。科学家认为它有三个主要分层：中心是金属铁核，外面包裹着一层岩石壳，再外面是一层主要由冰构成的厚壳，其表面就是木卫三的地表。

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木卫三的冰壳之下可能存在一个咸水海洋。NASA 估计这个海洋的深度约为 100 千米，是地球海洋深度的 10 倍，位于一层厚约 150 千米、主要由冰构成的地壳之下。这个海洋所含的水量可能比地球表面所有水加起来还要多。

最有力的证据来自哈勃空间望远镜。木卫三南北两极附近有极光，也就是环绕两极发光的气体带。随着木星磁场的变化，这些极光会来回摆动，摆动的幅度暗示，木卫三地表之下存在一个咸水海洋。

木卫三是目前已知唯一能产生自身磁场的卫星。NASA 的“伽利略号”探测器于 1996 年发现了这个磁场。这个磁场来自木卫三的金属铁核，正是它造成了极光。由于木卫三的轨道离木星很近，它的磁场处于木星磁场的内部。

伽利略·伽利莱于 1610 年 1 月 7 日发现了木卫三。连同他发现的另外三颗木星大卫星，木卫三是最早被确认环绕地球以外行星运行的卫星之一。木卫三绕木星运行一周约需 7.2 天，平均距离约为 107 万千米。

NASA 的“朱诺号”探测器于 2021 年 6 月近距离拍摄了木卫三。欧洲航天局的“木星冰卫星探测器”（JUICE）已于 2023 年 4 月发射升空。截至 2026 年，它预计将于 2031 年 7 月抵达木星，并最终进入环绕木卫三的轨道，完成任务。这将是首个环绕外太阳系卫星运行的探测器。