水星：冰與火的行星

□ 謝 懿/編譯

“信使”在環(huán)繞水星的軌道上所拍攝的相對(duì)于黑色太空背景的水星南半球邊緣

“信使”水星探測(cè)器最新發(fā)現(xiàn)水星包含有意料之外的成分和“歪斜”的磁場(chǎng)，而其環(huán)形山的永久陰影區(qū)中可能還蘊(yùn)藏著水冰。

2011年3月17日行星科學(xué)家們都長(zhǎng)舒了一口氣。經(jīng)過(guò)15分鐘的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，美國(guó)航宇局的“信使”號(hào)水星探測(cè)器終于減速并被水星的引力束縛住。這標(biāo)志著它97億千米的旅程宣告結(jié)束，而與此同時(shí)它對(duì)水星為期至少1年的在軌探測(cè)任務(wù)正式開(kāi)始。

不久，來(lái)自“信使”的圖像和其他觀測(cè)結(jié)果便源源不斷地傳回了地球。到2011年9月初，它已經(jīng)發(fā)回了超過(guò)40,000幅的圖像，對(duì)火星的地形和組成進(jìn)行了數(shù)百萬(wàn)次的測(cè)量。

這些如洪水般的數(shù)據(jù)帶給我們兩個(gè)大意外：水星表面的成分與科學(xué)家預(yù)期的有顯著差異，它的磁場(chǎng)和它的赤道間也存在著“錯(cuò)位”。

新的觀測(cè)還給予了天文學(xué)家第一次近距離窺視水星南、北兩極區(qū)域的機(jī)會(huì)。在之前的6次飛掠（20世紀(jì)70年代中“水手”10號(hào)3次，2008年到2009年“信使”3次）中，探測(cè)器都從水星的赤道上空飛過(guò)，只拍攝了它兩極少量的低分辨率照片。“信使”在軌的初步結(jié)果支持了在某些極地環(huán)形山的深層底部可能存在水冰的觀點(diǎn)。

居高臨下

“信使”在一個(gè)大橢圓軌道上以12小時(shí)為周期繞水星轉(zhuǎn)動(dòng)，距離水星表面最近時(shí)距離為200千米，最遠(yuǎn)則可達(dá)15,193千米。它軌道的最低點(diǎn)位于水星北緯60度的上空，之所以這樣選擇部分是為了能詳細(xì)地研究巨大的卡路里斯撞擊盆地。這個(gè)盆地直徑1,550千米，是水星最大的表面特征。在“信使”軌道任務(wù)初期，卡路里斯盆地位于水星的黑夜區(qū)（水星自轉(zhuǎn)一周需要58天）。由于太陽(yáng)的引力會(huì)緩慢地改變它的軌道，因此“信使”必須偶爾開(kāi)動(dòng)引擎來(lái)維持軌道。

飛掠和軌道圖像的比較。上圖是“信使”在第二次飛掠水星時(shí)所拍攝的北半球高緯度地區(qū)，下圖則為進(jìn)入環(huán)水星軌道后所拍攝的同一區(qū)域

在不同濾光片下拍攝的水星表面。上圖使用了3種，下圖使用了8種。黃橙色的區(qū)域是相對(duì)較年輕的火山平原

水星北極地區(qū)的新影像讓這個(gè)先前只是黑白模糊色塊的區(qū)域變得清晰。它們揭示出了一個(gè)水星上最大的火山平原開(kāi)闊區(qū)之一，覆蓋面積約400萬(wàn)平方千米，深度幾千米。它幫助確認(rèn)了火山活動(dòng)在水星歷史的大多數(shù)時(shí)間里對(duì)于塑造其地殼起到了關(guān)鍵作用。

不過(guò)，行星科學(xué)家們更感興趣的是“信使”的照相機(jī)無(wú)法揭示出的東西。20年前，地球上的雷達(dá)觀測(cè)在水星的兩極發(fā)現(xiàn)了一些神秘的地點(diǎn)。這些在雷達(dá)上的亮點(diǎn)和外太陽(yáng)系中的冰質(zhì)衛(wèi)星相似，許多科學(xué)家認(rèn)為它們是位于太陽(yáng)永遠(yuǎn)無(wú)法照到的環(huán)形山底部的水冰。然而，有一些科學(xué)家則懷疑它們是其他的冰或者是也能產(chǎn)生這一雷達(dá)信號(hào)的硫元素。

其實(shí)，天文學(xué)家們?cè)跒椤八沁@顆最靠近太陽(yáng)的行星上是否存在冰”爭(zhēng)論不休本身就說(shuō)明了水星的特異。畢竟，水星正午時(shí)的溫度可以達(dá)到427℃。不過(guò)，它的自轉(zhuǎn)軸卻幾乎與它繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道面垂直，因此其兩極環(huán)形山深邃的底部可能永遠(yuǎn)也不會(huì)照進(jìn)陽(yáng)光。由彗星帶來(lái)的任何一種冰興許都能在那里保存數(shù)億年。

使用“信使”上的激光測(cè)高儀，天文學(xué)家已經(jīng)開(kāi)始測(cè)量水星北極附近一些環(huán)形山的深度。到目前為止，那些在雷達(dá)上顯得明亮的地點(diǎn)全具有足夠的深度，其底部都沉浸在無(wú)盡的黑暗中。由此，水星上的水冰至少過(guò)了第一道關(guān)。

未來(lái)還應(yīng)該進(jìn)行其他的探測(cè)，包括確定這些沉積物的成分。如果最終確定這些物質(zhì)確實(shí)是水冰的話，那么水星的含量會(huì)比月球更多。

疑洞重重

在為期1年的任務(wù)中，“信使”的照相機(jī)會(huì)拍攝水星的絕大部分區(qū)域。它的大視場(chǎng)相機(jī)會(huì)以每個(gè)像素250米的分辨率拍攝水星表面的黑白照片。同時(shí)它還可以在11種顏色的濾光片下來(lái)審視水星，每一種濾光片能揭示出特定的成分。這些觀測(cè)將會(huì)拼接出一幅彩色的水星全球圖，其每個(gè)像素的分辨率約為1千米。

“信使”的小視場(chǎng)照相機(jī)則會(huì)拍攝范圍小得多的區(qū)域的黑白照片，分辨率接近每個(gè)像素10米。

科學(xué)家們會(huì)對(duì)他們感興趣的地點(diǎn)進(jìn)行高分辨率觀測(cè)。其中之一便是在之前的飛掠過(guò)程中在一些環(huán)形山底部發(fā)現(xiàn)的明亮、片狀區(qū)域?！靶攀埂卑l(fā)現(xiàn)它們是直徑從幾十米到幾千米不等、沒(méi)有邊緣的不規(guī)則坑洞，聚集在環(huán)形山的中央峰和山壁附近。在其四周甚至還分布有更為明亮的物質(zhì)。

這些地貌看上去相對(duì)年輕，與之前在太陽(yáng)系中其他地方看到的都不太一樣。有人懷疑它們是火山口，暗示水星的火山活動(dòng)并沒(méi)有在太陽(yáng)系的早期就偃旗息鼓。目前，有關(guān)它們的起源仍在爭(zhēng)論中。

出位磁場(chǎng)

一顆行星表面過(guò)去有火山活動(dòng)說(shuō)明其內(nèi)部曾經(jīng)處于熔融狀態(tài)。但是水星目前卻有強(qiáng)烈的證據(jù)表明，其部分的核心仍然是液態(tài)的。在太陽(yáng)系的內(nèi)行星中，只有水星和地球擁有全球性的磁場(chǎng)。天文學(xué)家認(rèn)為它們是由水星和地球核心外層中的電流所產(chǎn)生。在“信使”之前，行星科學(xué)家就預(yù)計(jì)水星的磁場(chǎng)會(huì)是地球的縮小版。

但事實(shí)卻絕非如此。地球磁場(chǎng)的赤道和地球的赤道非常接近。但“信使”卻發(fā)現(xiàn)水星的磁場(chǎng)往北偏了480千米，相當(dāng)于它半徑的20%。在這個(gè)方面，水星和土星很相近，不過(guò)后者的偏移只有其半徑的6%。這說(shuō)明，水星核心中產(chǎn)生磁場(chǎng)的區(qū)域必定也發(fā)生了位移。然而，是什么造成了這一現(xiàn)象仍是個(gè)謎。

這個(gè)怪異的磁場(chǎng)也影響到了水星會(huì)如何與太陽(yáng)風(fēng)中的帶電粒子相互作用。相對(duì)于北極，水星南極附近的磁力線對(duì)行星際空間張得更開(kāi)，這使得太陽(yáng)風(fēng)粒子可以更為頻繁地轟擊南極地區(qū)。它們會(huì)摻入水星稀薄的大氣并且會(huì)使得水星表面物質(zhì)的顏色變深，“信使”最終將會(huì)探測(cè)到這一南北差異。

上圖顯示的是水星北極的雷達(dá)圖像，其中的亮斑可能是環(huán)形山永久陰影區(qū)中的水冰。中圖顯示的是“信使”所拍攝的同一區(qū)域和雷達(dá)圖像的合成結(jié)果，上圖中的亮斑與環(huán)形山底部吻合。下圖顯示的是對(duì)中圖里紅色圓圈中的環(huán)形山進(jìn)行深度測(cè)量的結(jié)果，其最南側(cè)的底部可能存在永久陰影區(qū)

內(nèi)太陽(yáng)系中鉀和釷的豐度之比，水星的值要高于其他天體

水星的磁場(chǎng)起源自它不可思議的核心。地球核心的質(zhì)量大約占了地球的三分之一，其半徑只比地球半徑一半多了一點(diǎn)。但水星富鐵的核心卻占據(jù)了其總質(zhì)量的至少60%，它的半徑更是達(dá)到了水星半徑的四分之三。探究“為什么水星會(huì)具有這么大的一個(gè)核心”是“信使”的核心任務(wù)之一。

成分謎案

“信使”所帶來(lái)的另一個(gè)大意外是水星表面的成分出乎了天文學(xué)家的意料?！靶攀埂鄙蠑y帶了兩臺(tái)可以用來(lái)測(cè)量水星上化學(xué)元素豐度的儀器。X射線分光儀可以測(cè)量水星表面的原子在陽(yáng)光的照射下所發(fā)出的X射線。2011年太陽(yáng)的活動(dòng)比較活躍，因此科學(xué)家獲得了大量的數(shù)據(jù)。

γ射線和中子譜儀則可以測(cè)量高能γ射線。當(dāng)來(lái)自太陽(yáng)系之外的宇宙線轟擊水星表面時(shí)，它們會(huì)釋放出高能中子。后者會(huì)撞擊附近的原子，使之發(fā)出γ射線。γ射線的譜就像指紋可以識(shí)別出不同的元素。γ射線和中子譜儀已經(jīng)探測(cè)到了水星上的鉀、釷和鈾。

“信使”的分光儀測(cè)量了水星的組成，發(fā)現(xiàn)比起地球或者月球表面的巖石水星所含的鎂要多得多，而鋁則少得多。在月球上，在其歷史早期大部分尚處于熔融狀態(tài)時(shí)，鋁便上浮到了它的表面。當(dāng)巖石在地幔中部分熔融的時(shí)候，地球也經(jīng)歷了一個(gè)相對(duì)較小的鋁增豐過(guò)程。水星早期必定也經(jīng)歷了大范圍的熔融過(guò)程，但它所呈現(xiàn)出的鋁卻很少。

水星的平原也包含了意料之外的大量鈉和硫，但只有少量的鐵和鈦。水星上硫的豐度是地球或者月球的10倍，可能與火星歷史上的火山活動(dòng)有關(guān)。這些初步的結(jié)果雖然讓人困惑，但它們也說(shuō)明形成水星的原始物質(zhì)與地球以及月球的并不相同。

不過(guò)，“信使”迄今最讓人瞠目結(jié)舌的元素豐度測(cè)量結(jié)果來(lái)自鉀和釷。水星上鉀和釷的豐度之比要高于其他任何的內(nèi)行星。鉀是在相對(duì)低溫下就會(huì)蒸發(fā)的揮發(fā)性元素，而釷則正好相反。由于水星是最靠近太陽(yáng)的行星，因此天文學(xué)家之前預(yù)期它所含鉀的比例會(huì)比較低。

起源未知

這些發(fā)現(xiàn)也使人對(duì)一些試圖解釋水星起源的理論產(chǎn)生了懷疑。鑒于水星有一個(gè)格外大的鐵核，一些科學(xué)家提出這是由于水星的位置所決定的。在這個(gè)理論中，水星和地球一樣吸積太陽(yáng)星云中的物質(zhì)，發(fā)育形成一個(gè)鐵核。但年輕的太陽(yáng)之后發(fā)生了猛烈的爆發(fā)，吹散了水星的外層物質(zhì)。但新的發(fā)現(xiàn)排除了這種可能性。

第二種觀點(diǎn)是，水星和地球本來(lái)就大相徑庭。這兩顆行星形成于太陽(yáng)星云的不同地方，更靠近太陽(yáng)的行星會(huì)通過(guò)吸積物質(zhì)而長(zhǎng)大，擁有更多的金屬。但“信使”的結(jié)果并不與之相符。

這就只剩下了一個(gè)仍然安全的理論。也許水星開(kāi)始時(shí)具有更多的物質(zhì)，但之后和其自身大小相當(dāng)?shù)奶祗w發(fā)生了碰撞，致使地殼和外部地幔被剝離，僅留下了特大的鐵核。有意思的時(shí)，這個(gè)理論和月球的撞擊形成理論極為相似。

這個(gè)觀點(diǎn)至少和分光儀的部分發(fā)現(xiàn)相符，不過(guò)科學(xué)家們還需要更多的數(shù)據(jù)來(lái)證明它能適用于所有的探測(cè)結(jié)果。無(wú)論撞擊假說(shuō)是否能笑到最后，行星科學(xué)家都會(huì)發(fā)展出新的理論來(lái)解釋這些觀測(cè)。

到2011年9月，“信使”已經(jīng)完成了其既定1年任務(wù)的一半。然而完全分析它所傳回來(lái)的數(shù)據(jù)則需要更多的時(shí)間。這個(gè)過(guò)程就像是拼圖。其中的每一塊拼板都會(huì)帶領(lǐng)行星科學(xué)家更接近真相、更深入了解我們所處的太陽(yáng)系。

“信使”的觀測(cè)顯示之前照片中一些環(huán)形山底部發(fā)現(xiàn)的明亮、片狀區(qū)域其實(shí)是直徑從幾十米到幾千米不等、沒(méi)有邊緣的不規(guī)則坑洞