水星故事 神奇篇章

水星 兩年才過了一天

水星是太陽系中最小和最靠近太陽的行星。水星的軌道周期（大約88個地球日）在太陽系行星中最短。水星沒有已知的天然衛(wèi)星。水星的英文名字是根據(jù)羅馬神靈墨丘利（它是神靈的信使）的名字來命名的。

部分原因是幾乎沒有大氣層來保存熱量，所以水星表面溫度變化在太陽系行星中最大，從夜間的-173℃變到白天的427℃。但水星兩極溫度總是低于-93℃。水星軸傾角僅為1/30°，在太陽系行星中最小。但水星的軌道偏心率在太陽系行星中最大。水星在遠日點與太陽的距離是在近日點的1.5倍。水星表面密布隕擊坑，與月球頗為相似，這表明水星地質(zhì)不活躍已有幾十億年。

水星通過引力，與太陽形成3比2共振。水星自旋方式在太陽系中獨一無二。水星繞太陽轉(zhuǎn)兩圈就正好自轉(zhuǎn)3圈。從太陽角度看去，每兩個水星年水星才自轉(zhuǎn)一圈。因此，水星上的觀測者每兩年才過了一天。

與金星一樣，水星也在地球軌道內(nèi)環(huán)繞太陽。由于此，水星只在早晨或晚上出現(xiàn)在地球天空中，但午夜不會出現(xiàn)。與金星和月球一樣，從地球上看去，水星也呈現(xiàn)全范圍的相位變化，即從月牙兒似的水星變化到完整的水星。盡管從地球上看去水星是一顆明亮天體，但由于水星太靠近太陽，使得它比金星還難看見。兩艘飛行器已經(jīng)造訪過水星：美國宇航局的“水手10號”在1974和1975年經(jīng)過水星；發(fā)射于2004年的“信使號”在4年里環(huán)繞水星超過4000次，在燃料耗盡后，它于2015年4月30日撞毀在水星表面。

水星核成分之謎

水星核的鐵含量在太陽系行星中最高，科學家對此提出了多種解釋。其中，接受度最高的一種理論是：水星原本擁有與球粒狀隕石相似的金屬-硅酸鹽比例，也是太陽系巖石材料的這一典型比例。水星原來的質(zhì)量是現(xiàn)在的大約2.25倍。在太陽系初期，一顆質(zhì)量為原始水星的1/6、直徑數(shù)千千米的原行星撞擊水星，撞掉了水星的大部分地核和地幔，留下的星核成為水星的主要部分。一個相似的過程——巨型撞擊假設(shè)，被用來解釋月球的形成。

第二種理論認為，水星可能形成于太陽的能量輸出穩(wěn)定之前的太陽星云。水星起初質(zhì)量是現(xiàn)在的兩倍，但隨著原始太陽的收縮，水星周圍溫度猛升，導致水星表面氣化，形成的“巖石蒸汽”大氣層被太陽風帶走。第三種假設(shè)是，太陽星云拖曳水星正在吸積的微粒，這意味著較輕的微粒被吸走。

上述每種假設(shè)都預測了不同的水星表面構(gòu)成?！靶攀固枴卑l(fā)現(xiàn)水星表面的鉀和硫含量高于預測值，表明巨型撞擊假說和地殼地幔氣化都不可能發(fā)生，因為鉀和硫在這些情況下都會被趕走。如此看來，第三種假設(shè)才可能是合理的。然而，這方面還需要更多數(shù)據(jù)和進一步分析。

水星隕擊坑 直徑可達1500千米

水星隕擊坑直徑從小碗大小到上千千米都有。它們都出現(xiàn)了不同程度的退化。水星隕擊坑與月球隕擊坑的不同在于，前者被噴射物覆蓋的面積小得多，這是因為水星的表面引力比月球強得多。

水星上已知最大的隕擊坑是卡洛里斯盆地，其直徑達1500千米。創(chuàng)生該盆地的撞擊力度是如此之大，以至于引發(fā)熔巖噴發(fā)，留下一個高度超過2千米的同心環(huán)圍繞隕擊坑。在卡洛里斯盆地的對極（180°以外），是一大片不同尋常的多山地帶——“奇異地形”。一種假說認為，“奇異地形”的起源是：卡洛里斯撞擊期間產(chǎn)生的沖擊波傳遍水星，并且匯聚于卡洛里斯盆地的對極。由此產(chǎn)生的高應(yīng)力導致水星表面裂化。另一種假說則認為，“奇異地形”的形成是噴射物匯聚于卡洛里斯盆地對極的結(jié)果。

迄今為止，在被拍攝的水星表面已經(jīng)辨認出大約15個撞擊盆地。其中著名的一個，是直徑400千米且多環(huán)的托爾斯泰盆地，其噴射物覆蓋層從其邊緣延伸出去，最多達500千米。貝多芬盆地有相似規(guī)模的噴射物覆蓋層。（讀到這里，你也許會問：這些盆地的名字怎么會這么有意思？根據(jù)國際天文學聯(lián)合會的規(guī)則，每一個新隕擊坑都必須根據(jù)知名超過50年、并且在這個隕擊坑被命名至少3年前死亡的藝術(shù)家的名字來命名）與月球一樣，水星表面可能也引發(fā)了太空風華過程，包括太陽風和微隕星撞擊。

水星觀測 艱難曲折

已知最早對水星的觀測，可追溯到公元前14世紀的亞述人。17世紀初，伽利略對水星進行了有史以來首次望遠鏡觀測。雖然他觀測到了金星的相位，但他的望遠鏡不足以觀測水星的相位。1631年，法國天文學家伽桑狄首次用望遠鏡觀測到了水星凌日，而他的觀測是依據(jù)德國天文學家開普勒的預測。1639年，意大利天文學家祖皮運用望遠鏡發(fā)現(xiàn)，水星的軌道相位變化與金星和月球的相似。這一觀測確鑿地證明，水星是繞著太陽轉(zhuǎn)的。

天文學中的一種罕有事件，是從地球上看去，一顆行星正好處在另一顆行星前方，這叫掩星。每過幾個世紀，水星和金星都會相互掩星。1737年5月28日發(fā)生的金星掩蓋水星的事件，是有史以來首次得到觀測的這類事件，其觀測者是英國天文學家貝偉思。下一次這樣的事件，將出現(xiàn)在2133年12月3日。

觀測水星有一些固有的難點，難怪與其他行星相比，水星得到的研究最少。1800年，德國天文學家施羅德觀測了水星表面，聲稱自己看到了20千米高的山脈。另一名德國人貝塞爾運用施羅德畫的水星，錯誤估計水星的自轉(zhuǎn)周期是24小時，軸傾角為70°。19世紀80年代，意大利天文學家斯齊亞帕雷利更精確地繪制了水星圖，并提出水星的自轉(zhuǎn)周期是88個地球日，與水星的軌道周期是一樣的，原因是潮汐鎖定。這一現(xiàn)象被稱為同步自轉(zhuǎn)。意大利天文學家安東尼亞第繼續(xù)繪制水星表面地圖，并且在1934年發(fā)表了這些地圖和他自己對水星的觀測結(jié)果。水星表面的許多地貌，其命名都是根據(jù)安東尼亞第的水星地圖。

1962年，蘇聯(lián)科學家率先從水星反射雷達信號并接收這一信號，從而開啟了對水星的射電觀測序幕。3年后，美國科學家運用300米阿雷西博射電望遠鏡，確鑿無疑地證實水星的自轉(zhuǎn)周期大約為59個地球日。因為水星的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)同步的觀點當時很流行，所以這一觀測結(jié)果的宣布讓天文學界大吃一驚——水星的自傳與公轉(zhuǎn)原來并非同步。如果水星真的被潮汐鎖定，那么它的背光面會極度寒冷，但射電觀測發(fā)現(xiàn)水星背光面比預計的要熾熱得多。天文學家們不愿放棄同步自轉(zhuǎn)理論，并且提出了一些替代機制（例如強力熱傳播風）來解釋讓他們驚訝的觀測結(jié)果。

意大利天文學家科倫坡注意到，水星的自轉(zhuǎn)周期約為軌道周期（公轉(zhuǎn)周期）的2/3。他提出，水星的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)周期被鎖定成3比2而非1比1共振。來自“水手10號”的觀測數(shù)據(jù)后來證實了這個觀點。這意味著，斯齊亞帕雷利和安東尼亞第繪制的水星地圖并沒有錯，但水星并非在同步自轉(zhuǎn)。

以往基于地面的光學觀測，沒能夠更多揭示水星。射電天文學家在微波波長運用干涉法剔除太陽輻射，辨識了水星地面下好幾米的物理化學特性。直到第一部水星探測器到達水星之后，水星的許多最基本形態(tài)學特性才被知曉。此外，地面觀測技術(shù)近年來進步較快。2000年，高像素成像觀測解析了一些就連“水手10號”也沒有拍攝到的水星表面特征。采用阿雷西博射電望遠鏡，水星的大部分表面都已被繪制地圖，其中包括極地隕擊坑中可能儲藏的水冰。

前往水星 挑戰(zhàn)多多

從地球前往水星有不少技術(shù)上的挑戰(zhàn)，原因是水星軌道比地球軌道靠近太陽得多。從地球發(fā)射的前往水星的飛船，必須旅行超過9100萬千米，以進入太陽的重力勢阱。水星的軌道速度為48千米/秒，地球的這一速度為30千米/秒。因此，水星飛船為進入經(jīng)過水星附近的轉(zhuǎn)移軌道，就必須做出速度的大改變。在太陽勢阱中下沉所釋放的勢能變成動能，這需要另一次很大的速度改變。為安全著陸或進入一個環(huán)繞水星的穩(wěn)定軌道，完全依賴火箭發(fā)動機。由于水星大氣太稀薄，因此空氣制動是不可能的。前往水星之旅所需的火箭燃料比徹底逃出太陽系所需的燃料數(shù)量還要多。因此，迄今為止只有兩艘飛船造訪過水星。有科學家建議，采用太陽帆讓飛船進入環(huán)繞太陽的水星同步軌道。然而，目前這只是紙上談兵。

“水手10號”率先造訪水星

美國宇航局的“水手10號”是造訪水星的第一艘探測器（1974～1975）。它利用金星引力調(diào)整自己的軌道速度，以便讓自己接近水星。這讓“水手10號”成為第一艘使用引力“彈弓”效應(yīng)的飛行器，也是美國宇航局第一次造訪多顆行星的任務(wù)?！八?0號”提供了第一批水星表面近距離照片，它們揭示水星上密布隕擊坑，還有許多其他類型的地質(zhì)特征，例如巨大的峭壁。后來，科學家把這些峭壁（遠看就像水星表面的皺褶）歸因為：隨著水星鐵核冷卻，水星個頭也縮小了一點。

不幸的是，由于“水手10號”的軌道周期長度因素，每一次當“水手10號”近距離接近水星時，總是同樣的水星半面被照亮。這導致無法對水星的兩個半面都進行觀測。最終，“水手10號”只繪制了水星表面的不到45%。

“水手10號”一共3次近距離靠近水星，其中最近距離是327千米以內(nèi)。在第一次近距離靠近時，機載儀器探測到了一個磁場。這讓行星地質(zhì)學家們很驚奇——水星的自轉(zhuǎn)速度很慢，不足以產(chǎn)生明顯的發(fā)電機效應(yīng)。第二次近距離接近的主要目的是拍照。在第三次近距離接近時，獲得了廣泛的磁場數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)顯示，水星磁場與地球磁場很相似，它讓水星周圍的太陽風轉(zhuǎn)向。水星磁場來源依然不明，但科學家對此提出了多種理論。

1975年3月24日，在最后一次近距離靠近水星之后第8天，“水手10號”的燃料耗盡。由于它的軌道不再能被精確控制，地面控制人員指令“水手10號”關(guān)閉?？茖W家推測，“水手10號”至今依然在環(huán)繞太陽，每幾個月就靠近水星一次。

“信使號”在水星表面撞出大坑

“信使號”是美國宇航局的第二艘水星飛船，其英文名是“水星表面、太空環(huán)境、地質(zhì)化學和測距”的縮寫。“信使號”于2004年8月3日發(fā)射升空。2005年8月，它飛近地球借助引力。2006年10月和2007年6月，它飛近金星借助引力，把自己放進前往環(huán)水星軌道的正確路徑。2008年1月14日，“信使號”第一次飛近水星。2008年10月6日，第二次飛近。2009年9月29日，第三次飛近。“水手10號”未能拍攝的水星半球的大部分，在這三次飛近過程中得到了拍攝、繪圖。2011年3月18日，“信使號”成功進入一條環(huán)繞水星的橢圓形軌道。2011年3月29日，“信使號”在這條軌道中首次對水星拍照。“信使號”完成了為期1年的繪圖任務(wù)后，接著進入為期1年的延長任務(wù)期，至2013年。

“信使號”任務(wù)的目的包括澄清6個重要問題：水星的高密度、水星地質(zhì)歷史、水星磁場本質(zhì)、水星核結(jié)構(gòu)、水星兩極是否有冰、水星的稀薄大氣層從何而來。為了達到這個目的，“信使號”搭載的成像裝置能對幾乎水星全球?qū)嵤┍取八?0號”像素高得多的拍照，搭載的多部光譜儀能測量水星地殼中多種元素的豐度，搭載的磁強計和相關(guān)裝置能測量帶電粒子的速度。對“信使號”軌道速度改變的測量，預計將被用來推斷水星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細節(jié)?！靶攀固枴钡淖詈笠淮尾僮魇窃?015年4月24日。2015年4月30日，“信使號”墜毀于水星表面，留下一個直徑估計為16米的撞擊坑。

“貝皮·科倫布號”

“貝皮·科倫布號”將采用兩部探測器環(huán)繞水星：其中一部為水星繪制地圖，第二部則研究水星磁層。如果在2017年發(fā)射，“貝皮·科倫布號”將于2024年到達水星。它將把磁層探測器釋放到一個橢圓軌道。接著，化學火箭點火，把繪圖探測器送入一個圓形軌道。這兩部探測器都將運作1個地球年。其中，繪圖探測器搭載的光譜儀與“信使號”上的光譜儀相似，將在許多不同波長探索水星。