□ 佛羅里達大學　胡　曉

回望水星

□ 佛羅里達大學胡曉

水星差不多是幾個類地行星當中，最沒有存在感的了——既沒有金星的耀眼，也沒有火星的美麗傳說。作為離太陽最近的行星，這顆了無生氣的“小石球”每天幾乎和太陽同時東升西落，多數(shù)時間都淹沒在太陽的光芒里。只有在晨昏交界之際，人們才有可能避開地平線以下的太陽看到這顆小小的光點。

在很長一段時間里，人們對它的了解基本停留在“質(zhì)點”的水平上。水星運行在一個高離心率（0.2056）的橢圓軌道上，公轉(zhuǎn)周期只有88天，半長軸差不多是地球軌道的1/3(0.387AU)，平均半徑不到地球的40%，質(zhì)量則大約是地球的1/20。而且因為水星沒有衛(wèi)星，所以質(zhì)量只能由和鄰近行星的擾動估算出來。如果不考慮重力壓縮的效應(yīng)，這顆太陽系最小的行星有著最高的密度5.3克每立方厘米，相比之下地球的無壓縮密度只有4.4克每立方厘米。如此高的密度意味著水星必然有大量的鐵，大約會占到總質(zhì)量的70%。而其他方面，譬如最基本的自轉(zhuǎn)周期，人們一直沿用著錯誤的觀測結(jié)果。直到二戰(zhàn)之后，雷達技術(shù)的發(fā)展促進了射電天文學的興起，利用多普勒效應(yīng)，人們終于得到了水星自轉(zhuǎn)的正確周期：58.6天。

超薄的水星日歷

我們常說的自轉(zhuǎn)周期，指的是相對遙遠恒星組成的靜止參照系的旋轉(zhuǎn)周期，而一天的長度，對應(yīng)的則是相對中央天體的旋轉(zhuǎn)。由于公轉(zhuǎn)本身也包含了旋轉(zhuǎn)，在自轉(zhuǎn)方向和公轉(zhuǎn)方向相同的情況下，一天的時間會比自轉(zhuǎn)周期要長。稍加推算可知，1/一天=1/自轉(zhuǎn)周期-1/公轉(zhuǎn)周期。譬如月球，相對地球來說，由于自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)周期相等，一天的時間就是無限長，它的一面始終朝向地球。對于地球來講，由于公轉(zhuǎn)比自轉(zhuǎn)慢上三百多倍，這一區(qū)別并不明顯。而我們的水星，自轉(zhuǎn)周期達到了公轉(zhuǎn)的2/3，由上面的式子，很容易知道，水星上的一天相當于兩年！我們常說度日如年，在這兒變成了實實在在的事實，水星上的日歷兩年才撕一頁呀！

水星這種自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的周期成簡單整數(shù)比的現(xiàn)象，稱為軌旋共振。最常見的例子就是我們的地球-月球系統(tǒng)：月球的自轉(zhuǎn)周期恰好等于繞地球的公轉(zhuǎn)周期，所以我們總是只能看到月球的一個面（實際由于月球本身的“搖晃”，我們能看到的面積占月球表面積的59%）。

地球上的潮汐主要來自月球?qū)Φ厍虻某毕Γ涸谠虑虻淖饔孟拢厍虮砻娴暮Ｑ髸焕L成一個橢球，橢球的半長軸與月地連線呈相對固定的夾角，地殼相對這個“水球”的旋轉(zhuǎn)就導(dǎo)致了海水一天中的深淺變化，也就是漲潮和退潮。海水本身的流動阻力以及和地殼之間的摩擦就會消耗一小部分能量。對于月球來說，雖然它沒有海洋，但固體的月球并非理想的剛體（完全沒有形變），地球?qū)υ虑虻某毕屧虑虍a(chǎn)生“固體潮”——月球本身的形變。如果月球不是總把一個面對著地球的話，不斷變化的形變就會耗散能量，最終，月球被“鎖定”在自轉(zhuǎn)周期等于公轉(zhuǎn)周期的狀態(tài)。

但是水星并沒有處在一個潮汐鎖定的狀態(tài)，而是處于3：2（軌道周期：自轉(zhuǎn)周期）的共振態(tài)。最主要的原因來自于水星那高離心率的橢圓軌道。1966年，兩位天體力學專家從解析角度證明了，如果水星初始的自轉(zhuǎn)速度較高并有著和目前接近的軌道離心率，那么它穩(wěn)定在3：2的概率會超過70%。當然，在進入3：2狀態(tài)之前，由于自轉(zhuǎn)是逐漸放緩的，水星還會經(jīng)歷諸如2：1的共振態(tài)。這篇天體力學的經(jīng)典論文同樣指出，水星被更快自轉(zhuǎn)的共振態(tài)“俘獲”的概率要低得多，例如被2：1俘獲的概率只有15%。所以它維持在3：2的共振態(tài)，也就不足為奇了。

水星的磁場

1974年，美國航天局（NASA）發(fā)射了水手10號探測器。這艘無人飛船在靠近金星時利用金星的引力讓自己減速，從而接近水星軌道。這是人類歷史上第一顆接近水星的探測器，并在很長時間里是唯一的一顆。水手10號并沒有對水星進行跟蹤觀測，由于它有限的變軌能力，只是進行了三次飛掠水星的觀測。而且由于軌道周期恰好是水星自轉(zhuǎn)周期的三倍，這三次相會所拍攝的都是水星的同一面。但水手10號依然將人們對水星的認識推進了一大步：水星，這顆比月球大不了多少的小家伙，居然有一個類似地球的雙極磁場！這個磁場強度非常微弱，大約只有地球磁場的1%。此前，人們普遍認為，由于水星的自轉(zhuǎn)極其緩慢，將很難產(chǎn)生發(fā)電機效應(yīng)，因而也不會有內(nèi)部磁場。而且，由于水星質(zhì)量太小，“散熱”更快，星體早已整體冷卻，內(nèi)部也不會有維持發(fā)電機效應(yīng)的液態(tài)內(nèi)核。

超鏈接：

所謂發(fā)電機效應(yīng)，是目前用來解釋行星和恒星磁場的主流理論：以星體自轉(zhuǎn)，內(nèi)部對流等作為動力驅(qū)動導(dǎo)電流體（譬如地球的液態(tài)外核心）的運動，在很長時間里維持一個穩(wěn)定的自身磁場。

水星自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)示意圖。圖片來源：馬小虎

水星的磁場到底從何而來？有人認為，水星的地殼本身就是一塊巨大的磁鐵。水星的地殼跟地球不同，沒有復(fù)雜的板塊構(gòu)造，而是一個整體，自水星冷卻以來，這塊地殼就一直沒有移動過。這給“磁鐵說”提供了優(yōu)勢，因為如果有大規(guī)模板塊漂移的話，水星就不會呈現(xiàn)出簡潔的雙極磁場了。此外，我們的水星必須要有足夠厚實的地殼（大于100千米），地殼中還得含有非常豐富的鐵。這還不算，我們還需要一個足夠強的外部磁場來磁化水星。極早期的太陽是可能有很強的磁場的，但這個磁場的壽命一般只有100萬年，但那個時候的水星還沒有冷卻：鐵的居里點大約是1000K（開爾文），只有低于這個溫度才能磁化。不過，既然早期的水星很熾熱，那個時候應(yīng)該可能產(chǎn)生發(fā)電機效應(yīng)，有沒有可能是早期的水星內(nèi)核發(fā)電機把自己給磁化的呢？不過這要求這個發(fā)電機必須非常穩(wěn)定，不能出現(xiàn)“地磁反轉(zhuǎn)”——對于依賴發(fā)電機效應(yīng)的行星磁場，這件事似乎很難避免——至少對我們地球來說，地磁場南北極對調(diào)這種事，已經(jīng)發(fā)生了數(shù)萬次。

看來還是得回到發(fā)電機理論。為了維持一個液態(tài)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，水星需要降低核心物質(zhì)的熔點。早在1976年就有人提出如果水星的鐵質(zhì)內(nèi)核有足夠的雜質(zhì)，那么這個鐵合金的熔點就可以低到維持液態(tài)。后來的研究表明，這個雜質(zhì)應(yīng)當是大約6%的硫元素。熟悉宇宙中各種元素含量的讀者可能會問，為什么不是更常見的氧？原來水星的內(nèi)部壓強不夠高，導(dǎo)致氧在液態(tài)鐵中的溶解度太小，無法達到降低熔點所需要的百分比。除了核心本身儲存的熱量，人們還設(shè)想了一些別的熱量來源，譬如放射元素的衰變。還有所謂“潮汐加熱”——前面所說的在潮汐力作用下的能量耗散，就是把機械能轉(zhuǎn)化成了熱能。這個效應(yīng)在水星形成早期可能很顯著，但是目前水星自轉(zhuǎn)緩慢，一些計算顯示，潮汐力產(chǎn)生的熱量最多不超過放射衰變的1/10。

這是“信使號”眼中的水星表面——一幅由多波段窄帶相機數(shù)據(jù)合成的假彩色圖。安裝在水星雙重成像系統(tǒng)（Mercury Dual Imaging S ystem， MDIS）上的寬場相機（Wide Angle Camera， WAC）有多達11個窄帶濾光片，可以在大范圍內(nèi)快速分析水星表面的理化性質(zhì)。為了把多達11維的數(shù)據(jù)變成人眼可分辨的色彩，這幅照片采用了“主成分分析”找出那些變化最顯著的幾個特征波段，并映射到三原色中。比較年輕的撞擊坑顯出白色或淺藍色，較深的藍色是水星地殼中富含“低反射率物質(zhì)”的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，含有不少顏色較深的礦物。顯眼的金棕色區(qū)域則是曾被巖漿覆蓋的部分。圖片來源：APOD

圖a：由同步繞轉(zhuǎn)理論推測出的水星表面大型撞擊坑的相對概率分布，紅色代表顯著高于均值（最高超出80%以上），藍色代表低于均值，黃綠色在均值附近。圖b：直徑大于400千米的隕擊盆地分布圖。確定（紅色）、非常可能（橙色）以及有可能（藍色）表示與卡路里盆地年齡相仿或更老的隕擊盆地，以及不確定年齡（灰色）的隕擊盆地。其中白色實線內(nèi)的部分是水手10號拍攝過的區(qū)域，白色虛線圈出的位置是沒有隕擊盆地分布的區(qū)域。圖片來源：http://www.nature.com/ngeo/journal/v5/n1/fig_tab/ngeo1350_F3.html

2002年到2006年，由康奈爾大學牽頭，研究人員進行了一系列高精度的射電觀測。這次觀測動用了當時兩臺最大的射電望遠鏡：最大的固定天線望遠鏡——阿雷西沃射電望遠鏡，最大的可動天線望遠鏡——綠堤射電望遠鏡。這次觀測對水星運動的變化精確到了一分鐘以內(nèi)。就像我們用旋轉(zhuǎn)雞蛋來區(qū)分生雞蛋和熟雞蛋一樣，水星微弱的不規(guī)則運動基本確定了水星內(nèi)核至少是部分液態(tài)的。也就是說，跟地球的地核相似，水星很可能有著一個固態(tài)的內(nèi)核和液態(tài)的外核。

既然液態(tài)外核可以影響水星目前的運動狀態(tài)，那么這樣的結(jié)構(gòu)會不會影響水星早期的動力學演化？實際上，考慮到外核和水星地幔之間的摩擦，水星被3：2共振態(tài)俘獲的概率就小了很多，某些研究表明可能只有26%。于是有人提出了另一種理論：水星形成初期處于逆向自轉(zhuǎn)，由于逆向自轉(zhuǎn)時不太可能被1：1之外的共振態(tài)俘獲，水星會有一個時期停留在潮汐鎖定的狀態(tài)。這依然是太陽系形成的早期，水星在這段時期里遭遇了多次大型撞擊事件。如果某些撞擊可以把水星“加速”到略快于3：2的自轉(zhuǎn)，那么水星最終穩(wěn)定在3：2共振態(tài)的概率會高達96%。這個理論的有趣之處在于，它可以推測出水星表面大型撞擊坑的分布，并且跟觀測結(jié)果符合的不錯。

信使號再探水星

上面所說的觀測結(jié)果，除了水手10號傳回的照片以外，更多的來源于2004年發(fā)射的信使號水星探測器。它是人類目前唯一一枚成為水星人造衛(wèi)星的探測器。而且這個名字也頗具深意，在西方文化中，水星是用羅馬神話中為眾神傳遞信息的使者墨丘利命名的。我們知道，離引力源越近，引力隨距離的變化率就越快。如果我們畫出引力勢能隨距離的變化曲線，引力源周圍就是一個非常陡峭的勢阱。這意味著，航天器如果想從離太陽較遠的軌道（比如地球）變換到更近的軌道（比如水星）上，需要緊緊“抓住”路徑上的“把手”給自己減速。為了成功進入水星軌道，信使號先后近距離飛越地球一次，金星兩次，水星三次——靠著這些行星的引力，直到2011年才完成變軌，約7年的時間，只是為了縮短0.6個天文單位的軌道差距。

信使號不負眾望，給我們帶來了大量的新發(fā)現(xiàn)。2008年，信使號第一次飛越水星，當時的《科學》雜志在美國獨立日發(fā)行了信使號?？?，介紹語是“水星，我們又回來了”?？梢韵胂?，人類闊別水星34載，那些從水手10號就開始研究水星的科學家們看到這一天恐怕已是老淚縱橫。

這些早期發(fā)現(xiàn)中最有意思的一個莫過于發(fā)現(xiàn)水星大氣中居然存在水蒸氣。由于本身質(zhì)量低、引力小，再加上離太陽太近（水星向陽面的溫度高達700K），水星的大氣極其稀薄，表面也不太可能有任何形式的水。但信使號在水星大氣的外逸層（大氣的最外層）發(fā)現(xiàn)的水蒸氣表明水星表面依然有水源。在信使號進入水星軌道之后，發(fā)現(xiàn)水星的那些位于兩極的撞擊坑的確有水冰：由于水星的自轉(zhuǎn)軸和軌道平面幾乎垂直，這些坑的深處會永久處于陰影中，溫度會低到100K，即使考慮到揮發(fā)作用，這些冰依然可以存在數(shù)億年。

再探水星的信使號。圖片來源：ESA

對于讓人們苦思良久的水星磁場，信使號也有新的發(fā)現(xiàn)：雖然這是一個類似地球的雙極磁場，但兩極的磁場強度卻不怎么對稱：北極的磁場強度是南極的三倍！從近年的研究看，比較大的可能是水星和地球的“發(fā)電機”動力機制（對流機制）有所不同。對于地球來說，不斷冷卻的固態(tài)內(nèi)核就像一個爐子從底層加熱液態(tài)外核，同時還會不斷放出密度低的輕元素把熱量帶出來；而液態(tài)外核的外層則會有較低溫的重元素（鐵和鎳）不斷下沉——換言之，物態(tài)變化主要發(fā)生在液態(tài)外核的內(nèi)外邊界。而水星的液態(tài)外核可能處處發(fā)生著輕重元素的分離：低溫并結(jié)晶的鐵元素在外核的不同半徑處都可能出現(xiàn)，并下落到內(nèi)核上。整個外核如同冬天的積雨云，雪花在云中的不同高度都會產(chǎn)生，鐵晶體也是如此。把這種外核“下雪”的模型同流體動力學模型相結(jié)合，人們發(fā)現(xiàn)即使在南北對稱的溫度分布下也可以產(chǎn)生穩(wěn)定的不對稱磁場。同時，這種對流機制還可以很好地解釋水星的磁場強度——如果按照地球的對流機制的話，水星的磁場強度應(yīng)當比現(xiàn)在大很多。

圖中為水星的北極區(qū)。根據(jù)信使號發(fā)回的信息顯示，在水星北極分布的隕擊坑的暗影區(qū)中存在水冰。圖中標黃的部分，就是雷達高反射的區(qū)域，正好對應(yīng)了這些隕擊坑的坑底和側(cè)壁。圖片來源：APOD

除了拍照和測量磁場，信使號還有一個絕活：測量水星表面元素成分。不同的元素在衰變時會放出不同能量的伽馬射線，這樣它搭載的伽馬射線譜儀就可以由此得出那些不穩(wěn)定原子的比例。信使號再次顛覆了人們的預(yù)想：水星表面元素的比例跟其他幾個類地行星差不多。因此水星的表面應(yīng)當沒有經(jīng)歷過特別高的溫度——假如有過的話，易揮發(fā)的輕元素比例應(yīng)當很低才對。而人們?yōu)榱私忉屗菢O高的鐵含量，常常假設(shè)水星曾經(jīng)歷過某種高溫過程才導(dǎo)致輕元素的剝離和重元素的富集。一種假說認為，水星早期是個類似地球的行星，后來遭到了一個小行星的撞擊，大量的表面物質(zhì)被拋射出來，所以才剩下一個如此之大的鐵核。還有人覺得水星可能形成得極早。熟悉恒星演化的讀者可能知道，原始恒星為了點燃核聚變，需要從收縮過程中不斷升溫；這個時候的原始太陽雖然表面溫度比現(xiàn)在低一些，但由于體積大很多，亮度要高很多倍。如果水星在這個階段就已經(jīng)基本形成，表面溫度會高達數(shù)千度：水星的表層會升華掉。現(xiàn)在看來，信使號讓這兩種假說都很難站得住腳了。目前比較流行的觀點是，當時的太陽星云會對墜落到原始水星的物質(zhì)產(chǎn)生阻力，由于輕元素密度低，受到的阻力較大，相比重元素就比較不容易被水星吸收。

水星素描

寫到這里，我們似乎可以給水星畫一個還算靠譜的素描了。

水星應(yīng)當有一個巨大的鐵質(zhì)核心，大約占到了水星半徑的75%，總體積的42%（地核只占到地球體積的18%）。值得一提的是，早年人們并不清楚水星的鐵是如何分布的，但當時并不清晰的圖像觀測已經(jīng)能告訴人們水星的表面和月球很類似，反射率甚至更高一些，這說明水星表層的鐵含量非常低，后來的光譜分析進一步確認了這一點。

地球、水星結(jié)構(gòu)示意對比圖。圖片來源：http://www.nature.com/nature/journal/v485/n7396/fig_tab/485052a_F1.html

這個巨大的鐵核心有著跟地球差不多大的固態(tài)內(nèi)核，而液態(tài)外核的對流則驅(qū)動著水星微弱的磁場。這個高密度的核心上，浮著薄薄的地幔和地殼，兩者加起來僅約700千米厚，主要成分是密度較低的硅酸鹽。信使號的數(shù)據(jù)表明，相比之前推斷的模型，水星有更多的固態(tài)質(zhì)量集中在外層，因此在地幔和液態(tài)外核之間，很可能還有一個密度比較高的固態(tài)鐵-硫混合層。

前面說過，水星的地質(zhì)活動幾乎已經(jīng)完全停止，地殼是一個完整的球體。這個地殼大約在40億年之前成型，而在這漫長的地質(zhì)時間里，水星會因為溫度不斷降低而縮小，就像脫水的蘋果表皮會發(fā)皺一樣，地殼也會出現(xiàn)褶皺。以前，水手10號不完整的數(shù)據(jù)告訴我們，水星的半徑自形成地殼以來只收縮了不到3千米，這差不多比理論預(yù)言的數(shù)值小了一半?？恐攀固枌λ侨虻某上瘢藗兏鶕?jù)這些褶皺的分布和尺寸計算出水星的半徑平均收縮了大約7千米，總算讓那些研究水星模型的專家們舒了口氣。

即將起航的新使者

藝術(shù)家繪制的BepiColombo示意圖。圖片來源：ESA

作為研究早期太陽系的活化石，這顆數(shù)億年來一直隱藏在太陽光芒中的行星有太多值得我們?nèi)ヌ剿鞯牡胤健?015年4月30號，信使號用最后一點燃料完成了最后一次變軌，按計劃墜毀在水星表面。

意大利軌道動力學家朱塞佩·科倫坡。圖片來源：ESA

而到2017年，由歐洲空間局和日本航天局合作研制的貝比科隆博水星探測器（BepiColombo）將發(fā)射升空，預(yù)計2024年到達水星軌道。BepiColombo計劃以計算出水手10號軌道的意大利軌道動力學家朱塞佩·科倫坡（Giuseppe Colombo，昵稱Bepi）命名。該計劃將對水星進行全面觀測，主要探測水星的磁場和大氣，尋找水星上的撞擊坑，研究水星的起源和內(nèi)部物質(zhì)構(gòu)成，探測水星的稀薄大氣和水星磁場等。主體可分為用于推進的水星轉(zhuǎn)移模塊（Mercury Transfer Module, MTM）和兩個軌道探測器：水星行星軌道探測器（Mercury Planetary Orbiter，MPO）和水星磁層軌道探測器（Mercury Magnetosphere Orbiter，MMO）。MTM裝備了兩種火箭發(fā)動機，高推力的化學火箭幫助脫離地球軌道，低推力高效率（比沖）的離子推進器利用太陽能電池板的電力，為探測器做長期而緩慢的減速。在最終被水星引力俘獲時，MTM將把MPO和MMO送入水星的極軌道，其中MPO作為水星表面探測器，主要搭載成像和光譜儀器，運行在2.3小時周期的低軌道。MMO則運行在周期9.3小時的高軌道，主要負責磁場、離子、高能粒子和行星際塵埃的測量。兩臺探測器預(yù)計運行一地球年，并有可能延長至兩年。

對醉心于水星研究的人們來說，這又將是一個漫長的等待。祝BepiColombo即將迎來的7年太空之旅一帆風順，而等待終將是值得的。