• Xem thêm: Vệ tinh tự nhiên của Sao Mộc

Một số mô hình dự đoán rằng có thể đã có một vài thế hệ vệ tinh Galileo trong lịch sử thuở ban đầu của Sao Mộc. Mỗi thế hệ các vệ tinh được hình thành sẽ chuyển động xoắn ốc vào trong Sao Mộc và bị phá hủy, do tương tác thủy tĩnh với đĩa vệ tinh nguyên sinh của Sao Mộc các vệ tinh mới hình thành từ các mảnh vụn còn lại. Vào thời điểm thế hệ vệ tinh hiện tại hình thành, khí gas trong đĩa vệ tinh nguyên sinh đã mỏng đi đến mức nó không còn can thiệp chuyển động nhiều vào quỹ đạo của các vệ tinh.[17][18]

Các mô hình khác cho thấy các vệ tinh Galileo hình thành bên trong đĩa vệ tinh nguyên sinh, trong đó thời gian hình thành tương đương hoặc ngắn hơn thời gian di chuyển trên quỹ đạo.[19] Io là khan và có khả năng có một cấu trúc địa chất của đá và kim loại. Europa được cho là chứa 8% băng và nước trong toàn bộ khối lượng hiện tại của nó.[17] Những vệ tinh này, theo thứ tự tăng dần khoảng cách từ Sao Mộc:

Io

Io (Sao Mộc I) là vệ tinh nằm trong cùng của bốn vệ tinh Galileo quay quanh Sao Mộc, có đường kính 3.642 km, là vệ tinh tự nhiên lớn thứ tư trong Hệ Mặt trời. Nó được đặt theo tên của Io, một nữ tu sĩ của Hera, một trong những người yêu của Zeus. Tuy nhiên, nó được gọi đơn giản là "Sao Mộc I" hay "Vệ tinh đầu tiên của Sao Mộc", cho đến giữa thế kỷ 20.[14]

Với hơn 400 núi lửa đang hoạt động, Io là thiên thể có hoạt động địa chất mạnh nhất trong Hệ Mặt trời.[23] Bề mặt của nó rải rác hơn 100 ngọn núi, một số trong đó cao hơn đỉnh Everest của Trái đất.[24]

Mặc dù chưa được xác minh, dữ liệu gần đây từ quỹ đạo Galileo cho thấy Io có thể có từ trường riêng.[25] Io có một bầu không khí cực kỳ mỏng được tạo nên chủ yếu từ lưu huỳnh điôxít (SO2).[26] Nếu một dữ liệu bề mặt hay tàu thu thập đến được Io trong tương lai, đó sẽ là điều cực kỳ khó khăn (tương tự như các xe chuyên dụng từ tàu đổ bộ Venera của Liên Xô) để vận hành nguyên vẹn bởi bức xạ và từ trường bắt nguồn từ Sao Mộc.[27]

Europa

Europa (Sao Mộc II), vệ tinh thứ hai trong bốn vệ tinh của Galileo, nằm ở vị trí thứ hai gần nhất với Sao Mộc và nhỏ nhất với đường kính 3.121,6 km, nhỏ hơn Mặt trăng một chút. Tên gọi này xuất phát từ tên của một nữ quý tộc Phoenicia huyền thoại, Europa, nữ thần mà thần Zeus tán tỉnh và về sau trở thành nữ hoàng của đảo Crete, mặc dù tên này không được sử dụng rộng rãi cho đến giữa thế kỷ 20.[14]

Vệ tinh này có bề mặt nhẵn mịn và sáng,[28] với một lớp nước bao quanh bề mặt của hành tinh, được cho là dày 100 km.[29] Bề mặt nhẵn bao gồm một lớp băng, trong khi đáy băng theo lý thuyết là nước lỏng.[30] Tuổi bề mặt trẻ và sự mịn màng của nó đã dẫn đến giả thuyết rằng một đại dương nước lỏng tồn tại bên dưới nó, có thể hình dung đó như là một nơi có thể trú ngụ cho sự sống ngoài Trái Đất.[31] Năng lượng nhiệt từ uốn cong thủy triều đảm bảo rằng đại dương vẫn ở dạng lỏng và điều khiển hoạt động địa chất.[32] Sự sống được xem có thể tồn tại trong đại dương dưới băng của Europa. Nhưng cho đến nay, không có bằng chứng nào cho thấy sự sống tồn tại trên Europa, nhưng khả năng có sự hiện diện của nước lỏng đã thúc đẩy các cuộc nghiên cứu để gửi thăm dò đến đó.[33]

Các dấu hiệu nổi bật trên bề mặt vệ tinh dường như chủ yếu là địa hình albedo, trong đó phần nhiều là địa hình thấp. Có ít miệng hố trên Europa vì bề mặt của nó nhiều hoạt động kiến tạo và độ tuổi trẻ.[35] Một số giả thuyết cho rằng lực hấp dẫn của Sao Mộc đang gây ra những dấu hiệu này, vì một bên của Europa vĩnh viễn phải đối diện với Sao Mộc. Ngoài ra, các vụ phun trào nước núi lửa chia tách bề mặt của Europa và thậm chí các mạch nước phun đã được coi là một nguyên nhân. Các dấu vết địa hình có màu nâu đỏ, được cho là do lưu huỳnh gây ra, nhưng các nhà khoa học không thể xác nhận điều đó, bởi vì không có thiết bị thu thập dữ liệu nào được gửi đến Europa.[36] Europa chủ yếu là đá silicat và có lõi sắt. Nó có một bầu không khí mỏng với thành phần bao gồm chủ yếu là oxy.[37]

Ganymede

Ganymede (Jupiter III), là vệ tinh Galileo thứ ba, được đặt theo tên của vị thần Ganymede, cupbearer của các vị thần Hy Lạp và thần Zeus.[38] Ganymede là vệ tinh tự nhiên lớn nhất trong Hệ Mặt trời có đường kính 5.262,4 km, nó lớn hơn cả hành tinh Sao Thủy - mặc dù chỉ bằng một nửa khối lượng Sao Thủy[39] vì Ganymede là một thế giới băng giá. Đây là vệ tinh duy nhất trong Hệ Mặt trời được biết là sở hữu một từ quyển, có khả năng được tạo ra thông qua sự đối lưu bên trong lõi sắt lỏng.[40]

Ganymede được cấu tạo chủ yếu từ đá silicat và nước đá, và có một đại dương nước mặn được cho là tồn tại với độ dày gần 200 km dưới bề mặt của Ganymede, nằm kẹp giữa các lớp băng.[41] Lõi kim loại của Ganymede cho thấy sức nóng lớn hơn trong quá khứ đã được đề xuất. Bề mặt là sự pha trộn của hai loại địa hình, các khu vực tối tăm có nhiều miệng núi lửa cao và trẻ hơn, nhưng vẫn có địa hình cổ xưa, với mảng lớn các rãnh và rặng núi. Ganymede có số lượng miệng hố lớn, nhưng nhiều miệng đã biến mất hoặc hầu như không nhìn thấy do lớp băng giá của nó hình thành trên chúng. Vệ tinh này có bầu khí quyển oxy mỏng bao gồm O, O2 và có thể có O3 (ozone) và một số nguyên tử hiđro .[42][43]

Callisto

Callisto (Sao Mộc IV) là vệ tinh Galileo thứ tư và cuối cùng, và là vệ tinh lớn thứ hai trong bốn vệ tinh, có đường kính 4.820,6 km, đây là vệ tinh lớn thứ ba trong Hệ Mặt trời và chỉ nhỏ hơn Sao Thủy, mặc dù chỉ bằng một phần ba của khối lượng Sao Thủy. Nó được đặt theo tên của nữ thần Hy Lạp Callisto, người yêu của thần Zeus, con gái của Vua Arkadia Lykaon và là bạn đồng hành săn bắn của nữ thần Artemis. Vệ tinh này không tạo thành một phần của cộng hưởng quỹ đạo ảnh hưởng đến ba vệ tinh Galile bên trong và do đó không gặp phải sự nóng lên đáng kể của thủy triều.[44] Callisto có thành phần khối lượng xấp xỉ bằng nhau giữa đá và băng, khiến nó trở nên dày đặc nhất trong các vệ tinh Galileo. Đây là một trong những vệ tinh có miệng núi lửa lớn nhất trong Hệ Mặt trời, và một đặc điểm chính là một lưu vực rộng khoảng 3.000 km có tên Valhalla.[45]

Callisto được bao quanh bởi một bầu không khí cực kỳ mỏng bao gồm cacbon điôxít[46] và có lẽ là oxy.[47] Điều tra cho thấy Callisto có thể có một đại dương nước lỏng dưới bên dưới ở độ sâu khoảng 300 km.[48] Sự hiện diện của một đại dương trong Callisto cho thấy rằng nó có thể hoặc có thể chứa đựng sự sống. Tuy nhiên, điều này ít có khả năng hơn trên Europa gần đó.[49] Callisto từ lâu đã được coi là nơi thích hợp nhất cho một căn cứ của con người để khám phá hệ thống Sao Mộc trong tương lai vì nó nằm xa nhất từ bức xạ cực mạnh của Sao Mộc.[50]