木卫四（Callisto或Jupiter Ⅳ），又名卡里斯托或卡利斯托，是最早被观测到的木星卫星之一，与木卫一、木卫二和木卫三一起被称为美第奇星或伽利略卫星。木卫四是环绕木星的卫星群中第二大卫星，也是太阳系中的第三大卫星，仅次于木卫三和土卫六。1610年1月7日，天文学家伽利略·伽利莱（Galileo Galilei）使用早期望远镜观测到环绕木星运行的4颗卫星，木卫四就是其中之一。

木卫四赤道直径4806千米，与水星的直径4879千米很接近，但其质量为1.0759x10²³ kg，只有水星质量（3.3×1023kg）的三分之一不到。木卫四的自转受木星引力影响潮汐锁定，因此它的一面始终面对木星方向。木卫四是四颗伽利略卫星中最外面的一颗，绕木星运行的平均距离1883000千米，大约是木卫三的1.8倍，是木卫二的2.8倍，因为距离远而没有参与其他3个伽利略卫星的轨道共振，因此没有明显的潮汐加热。与其他伽利略卫星相比，木卫四受木星磁层的影响较小，因为它的轨道更远，位于木星主辐射带之外。

木卫四是太阳系中最古老、表面陨石坑最多的天体。伽利略号飞船拍摄的照片显示，木卫四上的大型地质构造有撞击坑平原，较明亮的平原（包括明亮的撞击坑、变余结构和多环结构的中央部分），明亮而平缓的平原（沃尔哈拉撞击坑和阿斯加德撞击坑的山脊和槽沟地带）以及由多环结构和撞击坑组成的多类地形单元。根据红外光谱显示，木卫四上存在大量水冰与水合矿物质，在地表中存在二氧化碳、氮与硫化合物等，其中的二氧化碳可能是夹杂在冰粒子中或是辐射对地表的损害产生的气泡。木卫四被认为是由木星形成后周围的气体和尘埃盘缓慢吸积形成的，由于木卫四形成过程缓慢且缺乏潮汐热效应，所以内部结构并无完全明确的分层，其由水冰、岩石和金属组成，它的地表深处可能存在着一个巨大的咸水海洋。

木星系统的空间探测起始于20世纪70年代，先驱者10号（Pioneer 10）、旅行者1号探测器（Voyager 1）、伽利略号木星探测器（伽利略·伽利莱）和卡西尼号（Cassini）等曾多次飞越木星系统并对木卫四进行探测与拍摄。根据伽利略号航天器收集的数据和科学家创建的模型表明，木卫四内部可能蕴藏着一片海洋，咸海洋与地表以下约155英里（250公里）的岩石层相互作用，这就意味着其存在孕育生命的可能性。

已知人类首次观测到木星存在卫星的记录是在2000多年前的古代中国战国时期。唐朝《开元占经》中引战国时期天文学家甘德所著《岁星占》载：“岁星（木星）在子······若有小赤星附于其侧，是谓同盟”，意为木星旁边有红色小星与其组成系统。

1610年1月7日，意大利天文学家伽利略·伽利莱（Galileo Galilei）用他新改进的20倍自制望远镜观察木星，经过多天的观察，他发现木星附近还有4个光点，起初他以为这是更遥远的恒星，但是它们的移动方向并不符合常理。直到1月15日，伽利略得出结论，认为这4颗星是围绕木星运转的卫星。

另外，德国天文学家西蒙·马吕斯（Simon Marius）宣称，他在伽利略之前发现了这些卫星，并用希腊神话中的名字命名为艾奥、木卫二、木卫三和卡利斯托。最终天文学界将伽利略·伽利莱和马吕斯共同列为木星卫星的独立发现者。

1610年3月，伽利略在《星际信使》（Siderius Nuncius）一书中发表了他对木星卫星的发现，并提议以他的赞助者柯西莫·德·美第奇二世的姓氏为它们命名，根据与木星的距离用罗马数字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ区分。因此在17世纪的大部分时间，天文学家称呼它们为美第奇星。不过为了纪念这一重大发现和它的发现者，后世也有天文学家以“伽利略”之名称呼这4颗卫星。

另一位发现者西蒙·马吕斯则认为应该用与木星（Jupiter）有关的神话人物来命名这些卫星，同时期的德国天文学家约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler）也认同此命名方式，如艾奥（Io），木卫二（Europa），木卫三（Ganymede）和卡里斯托（Callisto）。其中木卫四的名字“卡里斯托”来自希腊神话神王宙斯（Jupiter）的情人，是国王吕卡翁（Lycaon）的女儿、月神阿尔忒弥斯的侍女，被神后赫拉变成了一只熊。

直到200多年后，美国天文学家爱德华·巴纳德（E.E. Barnard）发现第5颗木星卫星阿马尔塞（Amalthea）之后，天文学家才陆续发现了木星周围的小卫星，为了防止命名混乱，马吕斯和约翰尼斯·开普勒提倡的命名方式开始流行。

包括木卫四在内的伽利略卫星形成于环绕木星的环形卫星盘（气态盘状亚星云）的吸积作用。在太阳系形成的早期，年轻的太阳周围环绕着原行星盘（太阳星云），其主要由高密度的气体和尘埃构成，围绕太阳旋转，是行星形成的摇篮——气态巨行星木星就形成于此。在木星形成的晚期，其周围环绕着剩余的气体和尘埃组成的吸积盘，逐渐形成了木星最大的4颗卫星，即伽利略卫星。伽利略卫星的主要构成成分皆为水冰和岩石金属，含有水合硅酸盐，也表明了各个伽利略卫星的起源形成有很大的相似性与相关性。木卫四等4颗伽利略卫星之间的引力作用会不断地拉扯它们各自的轨道，阻止它们形成与木星之间的潮汐锁定，但潮汐作用仍然会轻微地改变它们的内部结构。木卫四等4颗卫星会受到撕扯和挤压，因而产生内热。卫星轨道离木星越近，产生的潮汐热就越多，卫星上的冰块融化或者部分融化成液态海洋的可能性就越高。伽利略卫星中木卫四轨道距离木星最远，接收到的潮汐热最少，且并不参与其余3颗伽利略卫星的轨道共振。木卫四在形成过程中很可能连内部物质分层分化都没完全完成，内部混杂着水冰、岩石和金属。

学界提出的包括木卫四在内的伽利略卫星的吸积卫星盘模型有多种，在吸积盘模型中，卫星形成盘直接来自进入行星周围区域的太阳星云气体。根据气体的太阳成分假设，最初圆盘的质量必须等于 0.1-0.2 Mj（Mj是如今的木星的质量）。当太阳星云中的成分在行星的引力影响范围内发生碰撞时，会形成一个圆盘。

1998年美国学者莫斯奎拉（Mosqueira Ignacio）提出的模型中，木星亚星云由一个光学厚度较大的内部区域和一个光学薄、扩展的外部盘组成（内部盘是原行星吸积的气体遗留；外盘可能是在气态巨行星间隙打开或气体吸积停止期间星云气体流入原行星的结果），木卫四位于外部盘，开尔文为130开尔文（K），其形成的时间尺度为106年。木卫四的形成时间远比与其相似的木卫三要长得多，因为木卫四的形成物质来自行星盘面延伸的低密度部分，它的吸积时间尺度是由距离约100 RJ的300-500 km小卫星向内漂移的时间确定的。此模型的木卫四吸积时间与美国学者安德森等提出的内部结构部分分化的木卫四所需要的形成时间一致。

2002年天文学家鲁道夫·卡尔纳普（Robin M. Canup）和瓦德（William R. Ward）提出的模型在动力学的角度较为详细可信。该模型中伽利略卫星是由“最小质量亚星云”圆盘形成的，推测在木星上气体吸积的最后阶段形成环行星吸积盘，该圆盘具有约2%木星质量的质量。该吸积圆盘产生于气体和固体缓慢流入（如每年2×10-7木星质量），并且圆盘温度低到足以形成冰层，卫星吸积时间也至少超过105年。这种“缺气”的圆盘的气体表面密度比最小质量的亚星云低几个数量级。输送到圆盘的固体在许多圆盘粘性循环中积聚，导致卫星吸积的最后阶段气固比大大降低。如此条件下的吸积卫星盘使伽利略·伽利莱大小的卫星能够在各种合理的条件下抵抗圆盘扭矩。

木卫四赤道半径2410km，与水星相差无几，是木星的卫星群中第二大的卫星，也是太阳系第三大卫星。其平均密度为1.83g/cm³，是木卫三中数值最低的，意味着它比木卫一、木卫二、木卫三的含水冰量更高。木卫四轨道距离1.88×10⁶km，是伽利略卫星中距离木星最远的，受到的木星引力产生的潮汐热能也最小。它的近心点为1870×103km，远心点1896×103km。

木卫四是一颗由水冰、岩石和金属结合而成的冰质行星，其冰含量占整体的超过40％。木卫四的反照率仅有0.19，表明它的表面存在大量非冰物质。木卫四没有自己的磁场，但可以从木星获得磁力，木卫四受木星引力影响出现潮汐锁定现象，其同一面一直面对木星。木卫四表面有一层稀薄的大气层，其中含有二氧化碳、氧气和氢气成分。木卫四大气层中二氧化碳的垂直柱密度为8×1014 cm−2；氢气的表面密度范围是4×107cm−3；在木卫四面向木星的那一面半球上，大气层氧气柱密度为4×1015 cm−2。木卫四是太阳系陨石坑痕迹最密集明显的天体，由于木卫四上没有板块运动、活火山等地质活动，这些陨石撞击痕迹得以长久保留下来。

木卫四是太阳系著名的冰卫星，主要成分是冰、岩石和金属，它由52：48到58：42的水冰和岩石混合物组成。根据红外光谱显示，木卫四表面存在大量水冰与水合矿物质，在地表中存在二氧化碳（CO2）、二氧化硫（SO2）冰、氧（O2）冰和臭氧（O3）冰，其中的二氧化碳可能是夹杂在冰粒子中或是辐射对地表的损害产生的气泡。木卫四地表还发现有硫和碳-氮键复合有机化合物，这些也同样是早期石陨石和彗星中常见的物质。

木卫四的光学表面由水冰、各种不明水合物质/矿物以及微量二氧化碳（可能是流体或气态包裹体）和二氧化硫组成。水合非冰物质通常是暗色的，表现出弱的紫外Fe3+ 吸收和正的可见近红外斜率，类似于一些含碳球粒陨石。

木卫四的内部结构较单一且可能没有明确分层。根据伽利略号木星探测器飞船与木卫四的一次相遇所获得的无线电多普勒数据表明，木卫四内部很可能是未分化的。美国学者安德森（J.D. Anderson）根据木卫四的半径、密度和惯性矩给定约束条件建立了木卫四内部结构模型，该模型表明卡利斯托不可能完全分化，必须存在一个混合冰和岩石金属区域，可能延伸到卫星的中心。如果假定一个三层结构模型，木卫四可以被划分为半径小于25%的岩石金属（硅酸盐为主要成分）核心、混合岩石和冰的中间层，以及厚度小于350公里的冰散逸层。

木卫四的磁场干扰现象是由伽利略号木星探测器飞船中的磁力计发现的，研究人员推测木卫四表层的岩石、冰和电离层的粒子形成了导电壳体，而木卫四内部（地表以下250公里）存在着巨大的咸水海洋。不过美国国家航天局（美国航空航天局）的新研究表明，这片海洋可能比以前认为的更深，或者可能根本不存在。

旅行者号探测器的图像显示，木卫四是一个陨石坑遍布的天体，天文学家推测其大部分表面是在早期的木星系统积聚过程中形成的。木卫四的地形起伏通常不超过2公里，主要由撞击坑形成。主要地形的地图显示出一个相对均匀、低反照率的表面，其中点缀着大型多环撞击结构和明亮的圆形斑点，表明那里有明亮的撞击坑。

木卫四主要的地质特征包括多环状结构、撞击坑、撞击坑链、峭壁、山脊与沉积地形。木卫四表面的地质年龄十分古老，它同时也是太阳系中遭受过最猛烈轰击的天体之一，其撞击坑密度已经接近于饱和：任何新的撞击坑均可能覆盖于旧的撞击坑之上。根据伽利略号木星探测器飞船拍摄的照片显示，木卫四上的大型地质构造有撞击坑平原，较明亮的平原（包括明亮的撞击坑、变余结构和多环结构的中央部分），明亮而平缓的平原（沃尔哈拉撞击坑和阿斯加德撞击坑的山脊和槽沟地带）以及由多环结构和撞击坑组成的多类地形单元，其中明亮的白点被认为是被水冰覆盖的陨石坑山峰。一些大陨石坑周围有同心圆状的山脊，显示曾发生过巨大撞击事件。科学家推断木卫四地表撞击坑形成可以追溯到40亿年前的太阳系早期历史上的“晚期重轰炸”石陨石与彗星雨。科学家分析，木卫四表层缺少地质活动，如活火山活动或板块构造移动等，是这些陨石坑得以保存至今的主要原因。

撞击坑

撞击坑是宇宙中小天体以超高速度撞击固态天体表面形成的构造结构，撞击作用是天体演化最重要的驱动力。根据撞击坑的大小形态可以分为微型撞击坑（micro-crater）、简单撞击坑（simple crater）、复杂撞击坑（complex crater）和撞击盆地（impact basin）等。

当快速移动的弹丸（projectiles）触及天体时，会在极短的时间内通过冲击波压缩前方的物质，随后，冲击波会传播到弹丸尾部和目标天体表面。当冲击波的压力远远大于目标物质的强度，会导致弹丸和目标物质破裂甚至气化；当快速移动的冲击波接近弹丸后部时，会自表面反射回稀疏波。在稀疏波和冲击波的共同作用下，目标表面物质被挖出并喷射到外部，形成碗状的瞬态撞击坑。对于微型撞击坑来说，之后不会有任何变化，其内壁非常光滑；对于简单撞击坑来说，瞬态撞击坑在重力作用下是不稳定的，撞击坑壁的一部分会向下倾斜，在坑底形成透镜状堆积。简单撞击坑一般呈碗状，最终撞击坑与瞬态撞击坑的直径比约为 1.25。1979年美国学者梅洛什（H. J.Melosh）提出如果撞击坑直径足够大，撞击过程可能导致碎片振动以减少摩擦，从而使目标物质流化造成撞击坑中心隆起，形成中央峰坑（central peak crater）乃至峰环撞击坑（peak 圆环 crater）。

撞击坑链

撞击坑链即链状排列的撞击坑。旅行者号探测器探测器飞掠木卫三、木卫四时曾拍摄到呈线性均匀分布的链坑，且这些撞击坑链类似次生撞击坑。对于这类撞击坑链形成原因的推测，由科学家梅洛什（H. J.Melosh）和 申克（P.M.Schenk）提出的最佳解释是：这是一种与前彗星肖梅克-列维9号（P/Shoemaker-Levy 9）类似的现象：短周期的木星家族彗星和小行星在靠近木星的地方发生潮汐（或其他）碎裂，然后碎片在轨道上逐渐分离，并在轨迹的外侧与一颗伽利略卫星相撞产生撞击坑链。

多环结构

天体地表的多环结构由大型撞击体产生，直径通常超过100km，其特征包括多个同心环状地层、中央隆起地形、向外扩散的射线状地形以及环状断层等，多环结构撞击坑也可称为多环盆地（Multi-圆环 basin）。

木卫四的多环撞击结构的特征是一个或多个同心环状陡崖，它们的形成可能是由于瞬时撞击坑的塌，当时的碰撞深度与行星岩石圈的厚度相当：当岩石圈较薄较弱时，塌陷是由软流圈中诱导的流动调节的。岩石圈以多重同心的模式破碎，例如瓦尔哈拉撞击坑、阿斯加德撞击坑等；随着地幔的冷却，行星岩石圈的厚度和粘度随着时间的推移而增加，较厚的岩石圈形成一个（或极少数）不规则的正断层，与陨石坑同心，由撞击液态地幔引起的重力波或海啸将导致同心和径向扩展特征。

木卫四地表上著名多环结构撞击坑有瓦尔哈拉（Valhalla）、阿斯加德（Asgard）和阿德琳达（Adlinda）等，以及疑似大撞击坑痕迹的乌特加德（Utgard）和海姆达尔（Heimdall）。瓦尔哈拉撞击坑是木卫四上最大的撞击结构，直径达4000千米，由一个直径约600千米的明亮内部区域为中心，外环由可能是撞击导致的地壳裂缝的槽组成，是太阳系中最大的撞击结构之一。

悬崖与沟槽

在旅行者号探测器拍摄到的木卫四影像中，一些学者（Wagner 和 Neukum等）发现了线状构造（Lineaments）特征，其被初步解释为伸展性的线状特征，类似于木卫三的主沟槽系统。1985年，托马斯（Thomas）和马森（Masson）绘制了瓦尔哈拉撞击坑的悬崖、沟槽和线状地形图，除了同心或放射状的悬崖或沟槽外，他们还注意到西北偏西和东北地区偏西的线状走向。关于这些构造的研究可以为木卫四的热历史以及早期全球膨胀提供重要线索。

1995年Schenk在木卫四北极附近发现了一个由至少10个径向双壁沟槽组成的异常庞大的系统，它们连续分布在几百公里的范围内，平均宽度为2-4公里，因为它们穿过了其路径上的所有环形山，判断它们形成于较晚时期的撞击作用。

山脊或者说圆锥状突出物（Knobs）是木卫四非常常见的地形地貌，其轮廓呈圆锥形，山顶通常呈圆形，坡脚交界处很尖锐，没有渐变过渡，坡面陡度在17-56°之间变化，平均值为31.4°+7.9°。通过比较与木卫三上新鲜撞击特征相关的喷出物和撞击熔融物与木卫四上类似大小的退化撞击特征，推测其来源于最初连续沉积物的演变。

退化特征

在重力作用下，撞击坑的形态会发生缓慢的退化改变，其退化速率取决于天体的材料强度和温度。对于一些冰卫星而言，退化速率相对较大，因此其中的陨石坑在形成后会变得扁平，难以从地形上识别。

在几公里的级别上，较之其他伽利略卫星的表面，木卫四的撞击坑表面地形现出了更多的退化特征。例如相比较与其他卫星，如木卫三的暗区，木卫四的表面即缺乏直径小于1公里的撞击坑，取而代之的是无处不在的小型瘤状地形和陷坑。瘤状地形被认为是撞击坑经历了迄今为止还不为人知的退化过程而形成的坑缘残迹，这种退化很可能是冰体的缓慢升华造成的——当木卫四运行至日下点时，其向阳面温度会达到165K以上，此时冰体即会出现升华现象：基岩引起其上的脏冰分解，从而使得其中的冰体水和其他易挥发物质升华。而残骸中的非冰质残余物则发生崩塌，从撞击坑坑缘的坡上下落。这种崩塌经常在撞击坑附近和撞击坑内部出现，被称为“周边碎片”（debris aprons）。

此外，太阳风和微陨石轰击的长期交替作用会不断改变撞击坑的形态，直至它们最终消失。

伽利略号木星探测器的近红外测绘学分光仪在4.2微米段勘查到该大气层的吸收特征，从而证实了木卫四大气层的存在。木卫四表层有非常稀薄的大气层，其主要成分为二氧化碳（CO2）、氧气（O2），并含有氢气（H2）等成分。根据伽利略号航天器的近红外绘图分光光度计的测量结果显示，木卫四大气层中二氧化碳的垂直柱密度为8×1014 cm−2；哈勃空间望远镜（HST）探测到木卫四的一些微弱的氧气辐射，分析在木卫四面向木星的那一面半球上，其大气层氧气柱密度为4×1015 cm−2；哈勃太空望远镜（HST）观测到的升华的H2O和辐射产生的H2对木卫四H日冕的参数分析，木卫四大气层氢气的表面密度是4×107cm−3。

1999年科学家卡尔森（R.W. Carlson）表示伽利略号木星探测器航天器上搭载的近红外绘图分光仪（NIMS）在卡利斯托上观测到了微弱的二氧化碳大气层：从海拔约300公里到地表扫描赤道正午区域时，来自海拔约100公里处的气辉显示出与等温的二氧化碳大气相一致，其近正午温度约为150±50K，压力约为7.5百帕，密度约为4±2.4×108CO2/cm3。根据光电离和磁层扫描，该大气层的寿命约为4年。这一次观测没有确定大气层的范围，但根据二氧化碳的流动性和挥发性表明观测到的木卫四二氧化碳大气层大气是全球性的。科学家推测该大气层的二氧化碳来源有多种可能性，木卫四内部含二氧化碳物质的升华作用产生二氧化碳气体、紫外线和带电粒子的相互作用使内生或外生的含碳表面物质产生并释放出二氧化碳等。

伽利略号木星探测器飞船上的无线电掩星探测仪表明木卫四存在一个短暂但实质性的电离层，其被认为是由氧气碰撞大气而产生的，其高电子密度为7-17×10⁴cm⁻³，此数值与大气中二氧化碳的光电离作用的效果不相符合，比观测到的二氧化碳高2个数量级。因此，有学者推测木卫四的大气层氧气成分比预想的更高（含量比二氧化碳高1-2个数量级）。

2015年康宁汉姆（Nathaniel J. Cunningham）利用哈勃空间望远镜（HST）-宇宙起源摄谱仪探测（COS）探测到了氧（O）的排放，找到了木卫四上以氧气为主的大气层的证据（在直径为2.5弧秒的COS光圈中，OI1304Å三联体的亮度可达4.7 ± 0.7 Rayleighs，OI1356Å双联体的亮度可达1.9 ± 0.4 Rayleighs）。在木卫四的前半球（面向木星的半球）上，氧气（O2）柱密度为4×1015cm-2，而根据木卫四电离层电子的纵向变化表明，未被观测到的后半球的氧气密度可能要高出一个数量级。2017年天文学家哈特科恩（Hartkorn）建立了O2、CO2、H2O大气的三维电离层模型，假定二氧化碳是全球均匀的，但根据影响 H2O 蒸汽压的表面温度以及磁层离子诱导的溅射和光化学反应产生的O2，估计O2和H2O部分存在强烈的昼夜不对称。

作为木星第二大卫星，木卫四绕行距离达188万公里，是距离木星最远的一颗，并不像内圈的三颗木卫三（木卫一、木卫二和木卫三）那般处于轨道共振状态，所以受到的潮汐热效应影响最小。由于公转轨道距离木星较远，木卫四表面受到木星磁场的影响也小于其他伽利略卫星。

与大多数规则卫星一样，木卫四自转同步于其公转周期，永远以同一个面朝向木星，自转一周约需16.7天。它的轨道稍有偏心和转轴倾角，但这两个参数会在数世纪的时间尺度内准周期波动，分别在0.0072-0.0076和0.20-0.60°的范围内变化。而这种轨道变化反过来又会引起其自传轴倾角在0.4°到1.6°之间浮动变化。

木星系统的空间探测起始于20世纪70年代，主要参与者包括美国航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）等机构。先驱者10号（Pioneer 10）、先驱者11号（Pioneer 11）、旅行者1号探测器（Voyager 1）、旅行者2号探测器（Voyager 2）、伽利略号木星探测器（伽利略·伽利莱）、卡西尼号（Cassini）和新地平线号探测器（New Horizons）等曾多次飞越木星系统并对木卫四进行探测与拍摄。

先驱者号

先驱者号（Pioneer）探测器是美国航空航天局（NASA）设计发射的星际系列探测器，截止1978年8月共发13颗，其中最重要的是先驱者10号（Pioneer 10）和先驱者11号（Pioneer 11）探测器，它们探测器配备了包括磁强计、红外摄谱仪、照相机、无线电发射机等十多种探测仪器。1972年3月2日，先驱者11号在美国佛罗里达州发射升空，次年11月接近木星并开始对木星系统的拍摄、观测任务，它是第一颗成功穿过小行星带接近木星，并对木星系统进行近距离观察的太空观测器。1973年4月5日，先驱者11号探测器发射升空，它在次年传回了木星及其卫星的更详细数据和图片。

旅行者号

旅行者号（Voyager）探测器是美国航空航天局（NASA）研发的第二代星际探测器，本系列只有2颗，但是比先驱者号（Pioneer）系列先进得多。1977年8月20日，旅行者2号探测器（Voyager 2）发射升空，次月5日旅行者1号探测器（Voyager 1）成功发射，皆为环状十边形结构，安装有直径3.7米的大型增益天线，主要任务是探索木星、木星卫星、土星、土星卫星、土星环和地外文明。1979年3月至7月，旅行者1号和旅行者2号先后接近木星，在飞跃木星系统时拍摄了大量包括木卫四在内的木星卫星的高分辨率照片，发现了木星卫星的火山活动、3颗新木星卫星及光环。再之后，它们先后借用了木星的“引力弹弓”效应飞跃了土星。

伽利略号

伽利略号（Galileo）太空探测任务开始于1989年10月18日，该探测器是美国航空航天局（NASA）第一个绕木星运行的探测器，它从亚特兰蒂斯号航天飞机发射到地球轨道，与1995年12月进入木星轨道后绕木星运行34次，期间飞越木卫四8次，完成了对木星和以伽利略卫星为主的木星卫星的近距离观测和拍摄。

伽利略空间探测器得到的磁性数据显示木卫四虽无自己的磁场，但其周围存在感应磁场，并根据分析模拟提供了木卫四地表冰壳深处具有液态盐水层的证据；伽利略探测器验证了木卫四散逸层有一层“地表外逸层”即稀薄大气层的理论，并确定大气的主要成分为二氧化碳，且含有一定量的氧和氢。伽利略号木星探测器的发现推翻了从前学界对于木卫四荒凉死寂的认知，木卫四从此被加入疑似生命存在和宜居星球观测名单。

卡西尼号（Cassini）即惠更斯号（Cassini-Huygens）是美国航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）和意大利航天局（ASI）的一个对土星系进行空间探测的合作项目。该探测器发射于1997年10月15日，2000年，在前往土星途中经过木星系统，并在数周内对包括木卫四在内的四颗伽利略卫星进行了高精度红外光谱探测。

2007年2月至3月，由美国国家航空航天局（NASA）发射的新视野号（New Horizons）冥王星探测器在前往冥王星的路上途经木星系统。新视野号探测器便在距离木星230万公里的位置对木星系统进行了观测。在这个过程中，新视野号探测器对木星系统前后捕获了近700次的观测图像，其中对木卫三、木卫一、木卫二和木卫四这4颗伽略卫星都进行了图像拍摄。

“人类外行星探索”（Human Outer Planet Exploration）研究项目是由美国航空航天局（NASA）发起主持的一项革命性的深空探索项目，简称“HOPE”。木卫四（Callisto）被选为HOPE研究的目的地， 任务设想是于2045年（或之后）发射一艘能够在不到五年内将人类运送到木卫四的宇宙飞船，该飞船能够支持3名人类在木卫四地表停留30天，并最后能将乘员安全带回地球。

该计划仍在前期准备阶段，NASA下属的兰利研究中心（Langley Research 内角）详细描写了为支持HOPE项目的前期准备，包括确定先行科学和技术示范任务，并开发用于运送乘组人员和物资的飞行器概念。

木卫四作为伽利略卫星中距离木星最远的卫星，受到的木星及其他卫星的引力作用相对最小，因引力撕扯挤压产生的潮汐热能也最小，导致其内部因缺乏热能并未完全分化，一些科学家甚至曾经认为木卫四是冰冷的岩石星球。显而易见，伽利略卫星中潮汐热能最小的木卫四与潮汐热能最大导致火山活动太过活跃的木卫一类似，不在木星卫星的宜居带中，相对而言并不宜居。

木卫四大气层稀薄，大气成分虽然含有氧气、氢气、二氧化碳成分，但密度较低；木卫四位于“霜冻线”之外，昼夜平均温度约-155℃，宜居价值不高。但木卫四地表基本没有板块运动、火山活动等地质活动，地形起伏相对不大（通常不超过2公里）；而且地表富含水冰和水合矿物质，具备一定的有利于建设人类居住基地的条件。

人们通常认为，有水的地方就有可能存在生命。但是科学家推测，木卫四的内部海洋深处充满了密集冰块和岩石，这阻止了热能的流动，所以木卫四上存在生命的可能性十分渺茫。