太阳系新知 12 | 水星身世之谜

上一集，我给你讲述了这个发现在当时非常的轰动，例如著名的《赫芬顿邮报》的新闻标题是《2012 科学年：鼓舞人心的重大发现》 。《国际商业时报》上的标题是《2012 年最伟大的太空故事》 。不过，今天我们知道，信使号的精彩故事其实只是刚刚开始。

对于大多数普通人来说，水星上有没有水这个问题是最吸引人的，简单直白好懂。但是，对于大多数资深的天文爱好者来说，信使号的另外一项使命更值得关注，那就是：探究水星的身世之谜，通俗点说，就是水星这颗星球到底是怎么形成的，在它形成的过程中都发生了一些什么样的大事件。

图：水星

为了能够让你更好地理解信使号的任务和新发现，我要带你简要回顾一下水星身世谜题的历史，接下来，让我们进入“世界未解之谜”时间。

在金木水火土这五大行星中，绝大多数人的一生可能都没有看到过水星。这是因为水星是内太阳系距离太阳最近的一颗行星。或许你一下子还没反应过来，为啥距离太阳近就不容易被观测到。

我想请你在脑子中复现一个太阳系的模型，想一下，所有外太阳系的行星因为在地球公转轨道的外侧，所以，他们都可以在晚上被我们看见。而内太阳系的两颗行星，金星和水星，它们永远不可能转到地球的背阳面去，它们一定是和太阳同升同落的。所以，想要看到它们，只能在清晨和傍晚的时候，利用一点点的时间差看到它们。而距离太阳越近，与太阳同升同落的时间差就越小。水星离太阳不到 0.4 天文单位，可以说是非常近了，因此，它只能在凌晨和傍晚的时候出现非常短暂的时间，稍不留意就错过了。

在人类历史上，有很长的一段时期，我们以为早上和晚上出现的水星是两颗不同的行星。在中西方的星象学中，水星倒是被重点照顾的对象，因为它相对来说最“神出鬼没”。

按理说，作为内太阳系的水星，距离地球是很近的，我们应该对水星有着较深的了解才对，然而事实却正好相反，在太阳系中，我们了解水平最低的行星就是水星了。在信使号到达水星之前，我们对水星的了解，甚至还不如距离最远的海王星多。

图：太阳系模型

比如说行星的质量，这是最基础的数据之一，但是天文学家对水星的质量测定一直就不满意。我们只知道水星的个头虽然很小，但相对质量确很大，它的密度明显高于太阳系的其他行星。

根据行星形成的经典理论，行星是尘埃云在万有引力的作用下逐渐坍缩形成的，那么理论上，大家的密度都应该差不多。假如经典理论是正确的，那么该如何解释水星明显偏高的密度呢？

有很多假说，其中接受度最高的假说就是：水星其实是一颗行星的内核，它的外层由于某些原因被剥离了。那么，到底是什么原因把水星的外壳剥离了？或者说这个外壳剥离假说是否靠谱，这是天文学家们想解开的谜题之一。

但这还不是最大的谜题。1974 年，飞掠水星的探测器水手 10 号发现，水星上存在着微弱的磁场，尽管只有地球磁场的百分之一，但这个发现当时非常轰动，因为它又牵出了水星的另一个谜题：水星的磁场是怎么产生的？

关于天体磁场的产生，最主流的理论，就是行星发电机理论。这个理论要求行星内部必须存在一个持续旋转或者对流着的导电流体。地球的磁场，就来自于不断对流着的炽热的外核。但是，按照水星的体积来计算，水星的内核应该早就已经冷却了。而一个冷却凝固的行星，就应该像是一块大石头一样，是没理由产生磁场的。

科学家们认为，唯一合理的解释，只能是水星的内核没有凝固，现在仍然处于熔融状态。但这个解释同样令科学家们感到费解，这么小的体积怎么几十亿年都不冷却呢？其实，想要确定一颗行星的地壳下面是否存在液态物质，有一个比较简单的测定方法，就是：测定水星自转的稳定性。

这是为什么呢？你可以自己回家做一个实验，分别转起一个生鸡蛋和熟鸡蛋。你会发现煮熟的鸡蛋会旋转得很快，而且转速均匀。而生鸡蛋因为受到里面蛋液的影响，旋转起来会比较困难，自转轴不稳，转速也不均匀。

所以，要想确定水星的内核到底是不是液态的，我们只要能精确测量水星的自转速度。如果它的自转速度是绝对均匀的，那么就可以认为水星是一个固体的石头球。反之，它的地壳下面，就一定藏着一些液态物质。

行星科学家们当然都明白这个道理，可是，真正的问题是，如何才能精确的测量到水星的自转速度变化呢？在很长的一段时间里，大家都没能找到合适的技术方案。

2002 年，康奈尔大学的行星科学家马格特想出了一个绝妙的主意。他让位于加利福尼亚的远镜向水星发射一个强信号，然后让位于西弗吉尼亚州的罗伯特博德射电望远镜与哥德斯通一起接收从水星反射回来的雷达波。通过接收到的时间差，就能计算水星的自转速度。这两台望远镜刚好位于美国的最东边和最西边。这样的设计极大的提升了测量精度。 

图：哥德斯通射电望

不过，即便如此，测量的精度依然不太理想。马格特领导的雷达小组足足用了 5 年的时间，才拿到了足够的数据，证明水星确实是一颗“生鸡蛋”。马格特在宣布最终结论时说：

我们有超过 95% 的置信度相信，水星必定拥有一个熔化或者部分熔化的内核。

科学的特点是刨根问底。既然知道了水星有一个液态内核，那么科学家们自然就要继续追问，这个液态内核到底是如何形成的呢？马格特的研究小组认为，一个最有可能的结果，就是水星的内核中很可能混合着一些类似于硫的轻元素。比如说，硫化铁的熔点就要比铁低 300 多度，如果水星的核心中含有丰富的硫元素，那么确实有可能现在仍然保持着液态。

图：马格特（Jean-Luc Margot）

但是，这个假说也同样面临挑战。因为水星的轨道距离太阳太近了，大量的轻元素都会在太阳形成之初就气化并向外逃逸。在水星的当前位置，是不可能有那么多的硫元素存在的。而且，这个假说与经典的行星诞生理论是格格不入的，甚至可以称得上是背道而驰了。

经典的行星形成理论认为：行星的原始核心，是由环绕在恒星周围的漩涡盘中的气体和尘埃在引力的作用下逐渐聚合而成的。在距离太阳较近的水星轨道上，到处都是铁、镍、硅之类的重元素，而硫这样的容易挥发的轻元素，必须要到火星轨道以外的地方才会聚集和凝固起来，因为那里才比较凉爽。

不管怎么说，肯定有什么事情被搞错了。要么水星的内核中根本没有那么多的硫元素。要么水星就不是在现在的轨道上形成的。反正在科学面前，真相只能有一个。

水星的绕日轨道似乎也说明水星并不是在原地形成的。水星的公转轨道是一个偏心率很高的椭圆。水星距离太阳最远的时候，距离是近日点的 1.5 倍。这样奇怪的轨道，一个比较方便的解释是：在水星形成初期，遭到过其他行星的撞击，把它的轨道给撞扁了。

但是，反对这一假说的科学家们认为，能够形成偏心率如此大的椭圆轨道，撞击的剧烈程度可想而知，水星是如何在剧烈的撞击中全身而退的，而撞击形成的碎块又去了哪里呢？他们认为，水星确实有可能遭到过撞击，但撞击的发生地点并不在水星的轨道上。水星很可能在距离太阳更远的位置，比如说火星的轨道附近发生了撞击，而水星则在撞击中被推离了自己的轨道，向着太阳飞去。

图：迷人的水星

这个假说很好的解释了水星的轨道偏心率问题，确实很迷人。但是，非同寻常的主张，需要非同寻常的证据。

在科学研究中，证明或者证伪一个假说，往往是难度最高的一类研究。像寻找水冰这类研究，只要搜集到足够多的数据，就可以形成实锤的铁证。但想要研究水星的起源，却要困难得多。每一个新的证据，都有可能对已有的假说提出新的挑战。科学家们必须不断的修正他们的猜想，并且设计新的探测任务来获取更多的数据才行。

这项艰巨的任务，自然也就落在了信使号的肩膀上了。那么，信使号能否为我们揭开水星身世之谜呢？

2011 年 3 月 18 日，是信使号正式泊入水星轨道的日子。从这一天开始，水星就是一颗拥有卫星的行星了。信使号会利用自身的轨道和速度变化来推算水星的质量。

经过精细的测量，我们得到了水星的精确质量，33000 亿亿吨。水星的直径也被刷新了测量精度，为 4879.4 公里。

图：信使号探测器

通过质量和密度的测量值，我们就可以算出，水星的平均密度是 5.4 克/厘米³，远高于地球的 4.2 克/厘米³的平均密度。水星的身世的确不寻常。

信使号的一项重要任务就是探测水星上的硫元素。我们知道信使号是一个轨道探测器，它不可能真的去铲一勺水星上的土样去分析，只能依靠随身携带的中子谱仪，在高空检测那些从水星表面逃逸出来的原子和离子。

2014 年 4 月 20 日，信使号探测器完成了环绕水星的第 3000 圈绕转。此时的信使号，已经完成了基础任务以及两次延长任务中的绝大部分工作。但是，科学家们对水星地壳元素丰度的数据精度依然不太满意。别忘了，这些可是关系到水星磁场之谜的重要数据，也是信使号此行的重要目的之一。

不入虎穴，焉得虎子。只有进一步的接近水星，才有可能让所有遥感仪器的性能发挥到极致，获得更高精度的观测数据。

信使号首席科学家肖恩·所罗门对于信使号的低轨道任务表现得相当兴奋。他说：

这是信使号最后的任务，也是一个全新的挑战。我们将会对水星的磁场、重力场以及水星表面辐射出的粒子环境进行新一轮的高精度观测。我们相信，水星一直以来隐藏的那些秘密，最终都会被信使号揭开。

图：肖恩·所罗门（Sean Solomon）

信使号飞行的高度越低，对于水星上挥发出来的元素，检测的敏感度就越高。信使号发现，水星是一颗正在烈日下快速挥发着的行星。当信使号飞过阳光炙烤着的水星表面时，携带的中子谱仪检测到大量的挥发性元素从水星表面逃逸出来，正是这些挥发出来的物质，构成了水星上极其稀薄的大气层。

探测结果显示，水星上确实存在着极其丰富的硫、氯、钾、钠等元素。科学家推测，水星诞生的位置，很可能是一个更加远离太阳的地方。通过计算，科学家们认为，水星极有可能诞生在距离太阳 1.7 亿公里的地方。这个位置，位于地球与火星的轨道之间。

信使号的这些新发现，就为水星是一颗被剥去外壳的行星核心的猜想提供了更有力的证据。比较重的元素——铁，在水星生成之初就沉入了水星的最深处，形成了一个固态的内核，而一些不太容易凝固的铁的硫化物则形成了水星的外核。最外层的较轻的物质，则在一次行星大冲撞中被剥离了。这就是水星的平均密度偏大的原因。

要想进一步证实这个猜想，我们必须要把水星的内部构造搞清楚才行。大家可以想一想，如何能够在不触碰一颗星球前提下，来探索它的内部结构呢？我估计收听过的听众已经猜到了方法。没错，答案就是：利用信使号的飞行速度和轨道变化来实施探测。

我们知道，一颗星球的地壳、地幔和地核都有着不同的密度。如果我们让信使号绕着水星飞行的轨道越来越低，我们就能够检测到不断变化的水星引力。引力的变化反过来还会影响信使号的轨道高度和速度。凭借这些变化的数据，科学家就有办法知道水星的内部结构了。

2015 年 3 月 25 日，已经在水星轨道上服役了整整 4 年的信使号 完成了它对水星的第 4000 圈环绕飞行。不过，信使号每环绕水星一圈，就要完成一次远离太阳的飞行。在太阳引力的反复扰动下，信使号的绕转速度也在逐渐变慢。信使号，正在加速坠向水星。

负责水星结构探测任务的科学家热诺瓦和他的团队将信使号返回的数据带入到一个复杂的数学模型当中。通过反复调整模型的各项参数，他们尝试着将模型与信使号绕水星旋转的加速度数据匹配起来。信使号提供的数据越丰富，这个模型的准确度就会越高。

图：热诺瓦（Antonio Genova）

2015 年 4 月 6 日，信使号点燃了发动机，开始了第 15 次机动变轨。但是，任务才刚刚开始，意外就突然的降临了。信使号反馈：用于变轨的肼推进剂提前耗尽，无法完成变轨任务。好在设计信使号的时候，设计人员就留了个心眼儿，当肼推进剂耗尽后，用来给推进剂加压的氦气会自动从喷口喷出。在氦气的辅助下，信使号勉强完成了变轨动作，但实际的飞行高度却只达到了 28 公里，比预期少了 10 公里。这个意外，让信使号很可能会在 10 天以内在水星上坠毁。

于是，信使号的运营团队经理惠滕堡紧急召开会议，会议的目的，就是重新安排信使号后续的飞行计划，希望能够尽可能的延长信使号的服役时间。

信使号越是接近水星，它收集到的信息就越宝贵。在燃料彻底耗尽后，信使号的运营团队又利用仅存的一点点氮气，又完成了 5 次动作较小的机动变轨。一次次的推迟着信使号坠毁的最终日期。而命中注定要陨落的信使号，也在争分夺秒的将珍贵的数据发回地球。

信使号最后几个星期的超低空飞行，为研究团队提供了完美的数据，让科学家有机会对水星的内部结构进行最精确的计算和匹配。

最终的研究结果表明，水星的内部，有一个直径 2000 公里的固态内核，在固态内核的外围，包裹着厚度约为 1000 公里的液态外核。水星的微弱磁场，就是这个液态外核所产生的。直径 4800 公里的水星，却拥有着一个 4000 公里的超大核心，这实在让人惊讶。要知道，地球的核心只占地球体积的 15% 而已。

这个超大水星内核的发现，为前面提到的撞击假说提供了有力的佐证。科学家们根据模拟计算推测，这个与水星相撞的天体很可能是另一个正在形成的行星胚胎，它的质量大约是水星碰撞前质量的六分之一。碰撞过程就有点儿像是在剥鸡蛋壳。我们用不大不小的力量从各个角度把鸡蛋壳敲碎，然后再把鸡蛋壳剥落下来。

温和且连续的撞击方式很重要。因为如果这个撞击过于激烈，就会产生太多的热量，这些热量会导致硫、钾、钠等轻元素受热挥发而向外太阳系逃逸。如果撞击太轻，则无法剥离水星的外壳，甚至连撞击者都有可能被水星俘获。

在早期的太阳系中，同一条行星轨道附近，很可能会同时形成很多个行星核心。这些行星核心不可避免的发生着碰撞。水星，也有可能是多个行星胚胎互相碰撞的结果。在碰撞中，水星剥离了大量的表层物质后，改变了自身的轨道，向着太阳飞去，并在距离太阳最近的地方稳定了下来。

由于距离太阳太近，水星注定不可能永久性的拥有一颗自己的卫星。水星的卫星要么落入太阳焚烧成灰烬，要么则会投向水星的怀抱。

从信使号出发的那一天起，它的命运就是注定的。这是一次必然以自杀而终结的冒险旅程。2015 年 4 月 30 日，水星表面坐标，东经 210° 北纬 54° 的地方，一股巨大的烟尘无声的腾起，然后又缓缓的四散落下。尘埃落定之后，那里出现了一个新的陨石坑。信使号终于完成了自己的使命，把自己葬在了母星的怀抱，这恐怕是它最好的归宿地。

信使号的努力，终于把我们对水星的了解，提高到与金星和火星相同的水平线上。水星，在我们眼里，不再是一块冷冰冰的球形岩石，它有大气、有火山、有磁场、还有水冰。更重要的是，水星，等着我们继续抽丝剥茧，探寻它谜一样的身世。

参考文献：

1.https://www.huffpost.com/entry/year-in-science-2012-discoveries-events-photos_n_2302389#slide=1870101 

2.https://www.ibtimes.com/curiosity-mars-sugar-space-ice-mercury-biggest-space-stories-2012-971748 

3.https://en.wikipedia.org/wiki/Goldstone_Deep_Space_Communications_Complex

https://www.space.com/3756-surprise-slosh-mercury-core-liquid.html

4.https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/mercurys-spin-and-gravity-reveals-the-planets-inner-solid-core

5.http://messenger.jhuapl.edu/Resources/Articles.html#2012

6.https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/mercurys-spin-and-gravity-reveals-the-planets-inner-solid-core

更多推荐

全民需知：QWERTY 键盘为何沿用至今
与拉玛相会（第一季压轴大戏）
美剧《切尔诺贝利》的遗憾和不足

福 利 时 间

ps：附赠 30 节免费视频课

+ 定制版科学思维手册

点击即可购买

科学有故事

汪诘微信小号

106113408

--------

微信商务联系

40000959

End