檢驗相對論的星

太陽系有著許許多多的奧秘。如果你想要知道其中那些最大奧秘的答案，那么越接近太陽越好。建議你最好到水星去，它是太陽系中的一顆“謎星”，而且還是一顆能——

夜空中有一顆明亮的星，依偎在太陽的身旁。它在我們的眼前晃來晃去，我們用肉眼就可以看得見它，但卻很難見到它。對于我們來說，這顆星擁有太多的秘密：它離太陽不遠，位于太陽系最熱的一端，蘊藏著許多太陽系形成時期的古老信息；它是一顆地球型行星，和地球連理同根，“血緣”相近，擁有大量尚未知曉的地球型行星的秘聞；它最接近太陽，只要能精確地測量它的運動，它就可以被看作是檢驗愛因斯坦的廣義相對論的優質“桿秤”。如果我們把這顆星比作太陽系中的一只“麻雀”，那么解剖這只“麻雀”，對于天文學、地球科學和基礎物理學來說，都具有重要的意義。這顆星，西方人叫它“麥邱立”，而我們中國人則稱它為“水星”。

五個極端

水星是太陽系八大行星之一，同金星、地球和火星一道，屬于內行星。不過，與其他內行星相比，水星顯得很特殊，表現在它明顯存在五個“極端”： 離太陽極端近，溫差極端大，體積極端小，密度極端高，人類對它考察得極端少。

水星是太陽系中最接近太陽的大行星，到太陽的距離最近時只有4600萬公里，最遠時有7000萬公里，平均5800萬公里，約等于地球到太陽平均距離的1/3。由于接近太陽，受到強大的太陽引力吸引，水星時時都有被拉向太陽的危險。為了抵御強大的太陽吸引力而不至于落到日面，水星依照萬有引力定律在軌道上快速奔跑，利用奔跑產生的離心力平衡太陽的強大吸引力。據計算，水星的運行速度平均為每秒47.89公里，88天就繞太陽運行1圈。

由于接近太陽，水星深深地沐浴在太陽的光輝之下，還“游弋”在太陽強大的“引力海洋”之中。因此，無論是在地面還是在空間，我們都很難觀測水星。在地面看水星，它與太陽分開的最大角度是28.3度，只能在清晨太陽出山前或黃昏太陽落山后不久的時間段內看到它。所以，雖然人類早在公元前3000年就已知道水星的存在，但迄今為止，對于水星的地面觀測資料依然很少。而在空間探測水星，由于強烈的陽光照射和巨大的太陽引力，飛船很難進入環繞水星的觀測軌道，即使借助其他力量進入了觀測軌道，飛船及其上面的儀器設備也難以承受時而高溫、時而寒冷的巨大溫差變化。由于接近太陽，水星的表面溫度差異很大。在陽光照耀下，水星表面溫度能高到427℃；而在水星兩極常年照不到陽光的隕擊坑中，溫度卻低到零下183℃。因此，到目前為止，只有“水手10號”和“信使號”兩艘飛船考察過水星，其中“水手10號”只拍攝到44％的水星表面圖像，而“信使號”只探測過水星一回。此外，這兩艘飛船還都是在環繞太陽運行的軌道上接近水星的。因為被觀測得太少，難怪水星至今在許多方面都還是謎。

水星的直徑是4880公里，不到地球的2/5，僅比月球大一點，比太陽系里最大的兩顆衛星——木衛三和土衛六還小。以前說在太陽系九大行星中，水星僅比冥王星大，現在冥王星已被逐出“大行星”行列，水星便成為太陽系中體積最小的“大行星”。

別看水星體積小，它卻是太陽系里星體物質最稠密的天體。水星密度為每立方厘米5.43克，略小于地球。這里所說的密度不包含“引力壓縮效應”，也就是說，沒有考慮行星引力對行星密度的影響。如果考慮“引力壓縮效應”，水星密度為每立方厘米5.3克，地球為4.4克，水星密度比地球大。因此，可以說水星是太陽系天體中密度最大的天體。

鐵石“心腸”

假如我們像切西瓜一樣飛起一刀將行星切成兩瓣，那么在其剖面上，從里到外將分為核心、幔和殼層三部分。核心是行星最里面部分，因為那里溫度很高，所以核心常常是熔化的流體；殼層是行星的固體外殼，一般由巖石礦構成；幔位于核心與殼層之間，熔點比殼層低，幔里的物質推測也是熔化的。

據推算，水星的核心很大，其體積約占水星體積的40％以上，而地球核心則只占到17％。相比之下，水星核心在水星體積中所占比例比地球核心大1倍多。這個比例在其他大行星中也是最高的。有這樣高的密度，水星的核心就一定含有豐富的鐵。地質學家估計，水星組成中約70％是金屬，30％是硅酸鹽礦（巖石）。最近的研究表明，水星的核心是熔化的，在核心周圍是厚600公里的幔。

水星的巨大鐵核是怎么形成的呢？科學家提出了以下三種理論。

A.水星是由太陽周圍的熱氣體云形成的。在那里，高熔點金屬可以凝結成固體，而巖石物質卻因溫度高而濃縮不到一起，最終留下了金屬含量豐富的行星胚胎——原始水星。

B. 在太陽系形成初期，一顆質量為原始水星1/6的微行星穿過原始水星，將其殼層和幔撞碎，從而留下巨大的鐵質核心。

C.原始水星形成于太陽劇烈加熱以前。在年輕的太陽熱起來時，水星外層的巖石物質被蒸發。最近有科學家對水星的形成進行了計算機模擬，結果顯示，在早期的太陽系周圍，有巨大的小行星狀天體穿越、撞擊和聚集。科學家據此推測，或許有一顆從火星或火星軌道外來的天體非常猛烈地撞進水星，把許多水星外層物質撞到太空中，留下的行星只有原來的一半大小，后來就變成了今天的水星。

水星的巨大鐵核產生了磁場。“水手10號”觀測暗示，水星的磁場強度約為地球磁場強度的1/100。場強雖不大，但顯示為全球磁場，而且像地球磁場一樣是偶極場，磁傾角近似為零。前不久，射電望遠鏡測量出，水星幔內的物質處于熔化狀態并且在激烈地攪動。內部有運動的熔化導電金屬鐵，周圍有薄薄的絕緣巖石，這表明水星確有可能產生磁場。

什么是磁場？它具有吸引鐵的性質。我們都知道，吸鐵石能夠吸引含鐵物質，表明它有磁場。中學物理告訴我們，通電的螺線管也能吸引含鐵物質，所以通電的螺線管也有磁場。行星磁場產生原理與通電螺線管相同，都是電荷流動的結果。行星磁場通常產生于行星的核心，這里有導電區域，有熔化的金屬鐵，而且熔化的金屬鐵還在作環流運動。也就是說，這里有電荷流動，因此能產生磁場。

我們說水星有巨大的鐵核，是指它的鐵核相對于它的體積而言的。同地球核心相比，水星的鐵核依然很小，其直徑只有地球核心的一半。因此，在水星內部導電區域產生的磁場是比較弱的。

磁場是行星的保護傘，較強的行星磁場能夠在行星周圍形成磁層，保護行星不受太陽風粒子和宇宙線粒子的轟擊。地球上的生命能夠安然無恙地生活、活動和工作，全靠地球磁層的保護。“水手10號”的測量結果表明，水星磁場強度有足夠能力反射太陽風等離子體，在水星周圍形成磁層。

但是，也有人提出，水星的自轉很慢，59天才自轉1圈，幾乎只有地球自轉速度的1/60。這樣慢的自轉不太可能產生大的環流，因此難以在水星上產生較強的全球磁場。另外，至今我們還沒弄明白：究竟是什么東西使水星內部保持熔化狀態？因此，水星磁場仍是一個謎。

表面如月

太陽系的天體都是46億年前由一團原始星云演化而來的，因此它們連理同根，“血緣”相近，有許多相似之處。“水手10號”觀測表明，水星表面很像月面，有“月海”似的寬闊平原和嚴重撞擊產生的隕擊坑。但是，“水手10號”畢竟只探測到44％的水星表面，還有56％的水星表面隱匿在神秘的深空。因此，下面只能描述已得到探測的水星部分表面情況。

水星表面大部分為平原所覆蓋。大多數平原撞擊嚴重，是古老平原；也有一些年輕平原，它們很少遭到嚴重撞擊。水星平原可分為兩類：撞擊坑交錯的平原和光滑平原。前者的隕擊坑的直徑大多在15公里以上，表明它們是古老的；光滑平原則是年輕的，上面的隕擊坑很少，這種平原出現在卡洛斯盆地周圍。科學家在這一盆地的對面觀測到一種“古怪地形”——一大片多山地形，他們認為是由撞擊形成的。撞擊期間產生的沖擊波環繞水星傳播，然后聚集到一起并形成高壓，將水星表面撕破，最終形成了“古怪地形”。

“水手10號”的觀測資料還顯示，水星表面散布著許多撞擊形成的“麻點”，其中有巨大的多環盆地和許多熔巖流。撞擊坑的直徑在幾十公里到幾百公里之間，最大的撞擊坑是卡洛斯盆地和斯基納卡斯盆地。前者直徑1550公里，周圍有山環抱，中間類似月海，有平坦的黑色熔巖平原；后者是已知最大的水星盆地，直徑1600公里。這些撞擊坑是不同年代留下的，一些年輕撞擊坑有明顯的周圍地帶，有明亮的“射線”射出。另一些撞擊坑則已高度退化，流星轟擊點周圍地帶已變得光滑了。

在“信使號”之前，地面望遠鏡和“水手10號”在水星表面上觀測到6種特征，分別是：返照特征（標志反射率不同的區域）、山脈、平原、山脊、懸巖和山谷。2008年1月14日，“信使號”從水星附近經過，對水星表面再次進行了探測，目前觀測資料尚未全部公布。

水星表面的主要特征同撞擊有關，同太陽系其他行星一樣，水星所受的撞擊主要發生在兩個時期：一是在46億年前的行星形成時期，二是在38億年前開始的所謂“最近嚴重打擊時期”。在前一時期，整個水星表面都遭到撞擊并引發火山活動，從行星內部噴發出來的巖漿填進盆地，產生了“月海”般的光滑平原。

為了全面了解水星面貌，“信使號”已于2008年1月14日開始拍攝另一半水星表面圖像，還將于2008年 10月6日第二次接近水星，探測那些未被探測過的水星表面。

水星周圍沒有空氣，流星和小行星可以長驅直入撞擊水星表面，而這些撞擊痕跡完整地保留在水星表面。因此，只要畫出完整的水星表面圖，就能推斷自它誕生以來太陽附近碰撞的頻率和可怕程度，進而分析太陽系是如何形成的。

極地堅冰

由于水星距離太陽很近，所以光學望遠鏡在觀測水星方面作用不大。從1991年開始，天文學家用雷達測量水星，即先向水星發射雷達波，然后用接收機接收從水星反射回來的回波，分析這些回波以獲取水星知識。

在觀測中，天文學家發現，雷達波射向水星極區后，接收到很強的回波，而且是反射信號。這種信號與從火星極冠和木星的冰衛星上反射回來的波相似。這暗示水星反射物質很可能是冰。雷達回波還給出另一種信息：雷達屏幕上的亮點與在水星極區隕擊坑中見到的其他特征相同，這表明冰存在于水星極區隕擊坑內，這些隕擊坑是“寒冷的陷阱”。

你也許會覺得奇怪：在極強的陽光照耀下，水星表面熱得能將鉛都熔化掉，為何在水星極區還有冰沉積呢？原來，水星沒有大氣保溫，在太陽直射的地區，溫度很高，能熱到427℃，而在沒有太陽照耀的地區，溫度驟然降低到零下183℃。水星極區隕擊坑內長期處在陰影當中，所以溫度很低不足為怪。

水星上有水嗎？水星的名字很可能會讓人誤認為水星上也有水，但事實上水星是一個無水的世界。那么，水星上的冰又是從哪里來的呢？要弄清這個問題，就需要了解水星冰的組成。可惜的是，目前還不知道這些冰是由什么物質構成的，可能是水冰，也可能是其他物質，例如硫結成的冰。如果水星極區的沉積物是水冰，那一定是彗星撞擊留下的；如果是硫結成的冰，則可能來自水星內部，是火山活動的結果。由于雷達測量的精度較差，測不出細節，所以目前還無法對此下結論。

“信使號”飛船上裝有伽瑪射線和中子頻譜儀，能探測水星極區沉積的氫，從而確定極區可不可能有水。而這艘飛船上的紫外頻譜儀和高能粒子頻譜儀，則能直接測出沉積物蒸發的硫。換句話說，這些儀器有可能揭示水星極區冰的組成。

“信使號”于2008年1月14日接近水星時，飛船位于水星赤道區域上空，探測不到極區隕擊坑。為了探測極區隕擊坑里的冰，科學家將調整“信使號”的控制裝置，使它在接近水星時把探測器指向極區，以尋找冰上蒸發物的泄密信號。按照計劃，“信使號”將于2011年接近水星，對它作進一步探測。2013年，歐洲空間局和日本宇航局將聯合發射一艘專門探測水星的飛船——“畢匹科倫波”。利用這些飛行器，人類或許最終可以揭開水星極區冰體之謎。

檢驗相對論

在太陽系八大行星中，水星的軌道是最奇怪的，它不像其他大行星軌道那樣近似為圓形，而是扁扁的橢圓形，軌道周長很短，88天就繞太陽轉1圈。此外，其他大行星軌道都位于黃道面附近，而水星的軌道面則同黃道面交成7度角。更有趣的是，水星軌道面還在擺動：從太陽向右擺動4.6萬～7萬公里后，再往回擺。

古怪的水星軌道引起了許多科學家的關注，它是如何形成的呢？有人認為它是水星遭受撞擊的結果，但多數人認為它是引力造成的：引力輕輕一推，看似影響不大，但在太陽系形成時期，一顆行星體連續近距離通過另一顆行星體，就可能產生如此明顯的作用。水星的這種奇怪的軌道擺動現象被稱為“水星軌道進動”，而且還被科學家看作是檢驗廣義相對論的三大證據之一。

為什么研究水星軌道能夠檢驗相對論呢？愛因斯坦指出：廣義相對論效應總是要改變行星軌跡的。水星最接近太陽，在太陽質量造成的彎曲時-空內外遨游，對太陽引力最敏感，水星所處的這種特殊位置必然要改變水星自己的軌道。

歐洲空間局和日本宇航局計劃聯合發射新的水星探測器——“畢匹科倫波”，主要目的就是檢驗廣義相對論。

要檢驗廣義相對論，關鍵在于精確測量水星的運動，而這又主要取決于能否精確控制飛船的位置。按照計劃，利用飛船上的無線電裝置，“畢匹科倫波”能把自己的位置控制到精確度達到10厘米以下，而這樣推算出的行星運動可以精確到10米以內，比現在的精確度（精確到幾千米）提高幾百倍。因此，科學家熱切期望“畢匹科倫波”能夠成功。

屆時，“畢匹科倫波”不僅要檢驗廣義相對論，而且還要檢驗超越廣義相對論的新物理理論。目前，引力物理學家和宇宙學家越來越相信，測量精度一旦超過一定的水平，廣義相對論就可能被打破！新近提出的“新能場”就是一個例子。

“新能場”是在討論宇宙論時提出來的一個全新概念。宇宙論是由廣義相對論推斷出來的，它認為宇宙起源于一次大爆炸，爆炸后慢慢向外膨脹。隨著宇宙的擴大，膨脹速度逐漸減慢。也就是說，宇宙是減速膨漲的。這個結論早在1929年就被著名天文學家哈勃的觀測結果所證明。總結這些觀測結果，哈勃還建立了著名的哈勃定理。

然而，在20世紀90年代中期的超新星觀測中，科學家發現，宇宙不是減速膨脹，而是加速膨脹。這一結論得到了包括“威爾金森微波各向異性探測器”的探測結果在內的許多觀測結果的證實。

為了解釋宇宙加速膨脹的原因，一些科學家提出了“新能場”（例如暗能量）假設。可是，引進的每一個“新能場”都同廣義相對論預計的引力行為發生了微小偏離。如果“畢匹科倫波”能夠探測到這種偏離，就有可能為發現這些神秘的能場性質找到有力的線索。

水星殖民地

航天事業的發展向人類展示出美好前景，將來人類不僅可以環繞別的行星作軌道旅行，而且可以走出地球，到別的行星上安家落戶。地球人走向別的星球，猶如資本主義國家向外尋找殖民地。借用“殖民地”這個詞，西方學者把人類走出地球、在太空建設的生活區稱為“空間殖民地”。同火星、金星、月球和小行星一樣，水星也是內太陽系空間殖民地的目標之一。

乍看起來，極度高熱的水星根本不是適合人居之地，但開發水星殖民地其實有諸多有利條件。正因為水星很接近太陽，所以可從太陽獲取大量能源。據推算，太陽在1秒鐘內發射37億億億焦耳熱量，這么多熱量足以將太陽和地球之間一座長達3000米的冰橋融化成水！這些熱量散發到行星際空間和太陽系天體上，其中來到地球的約為其中的22億分之一，可就是這小小的22億分之一能量，就夠供地球上的汽車使用2萬年！水星比地球更接近太陽，水星上每平方米接收到的太陽能是9.13千瓦，相當于地球上接收到的6.5倍。相對來說，太陽能是一種取之不盡、用之不竭的天然資源，它將為開發水星提供可靠的能源保障。目前，科學家已在地球附近進行了“太陽帆”試驗。如果能將“太陽帆”發射到水星附近，一個水星“太陽帆”就能得到6.5個地球“太陽帆”的熱能。

有資料顯示，水星土壤里含有豐富的“氦-3”。這是重要的核聚變原料，開采它，利用它，對未來發展太陽系經濟有著不可估量的作用。

“阿波羅”飛船登月過程表明，人類上月球會遇到微重力難題。宇航員在月面走路只能像袋鼠那樣一跳一蹦地前進，原因是月球表面引力只有地球的1/6。宇航員在微重力下生活不僅不方便，而且長期處在微重力下還會導致骨質疏松，影響健康。而在水星上，這種情況有所改善。月球直徑只有3476公里，而水星直徑是4880公里，水星的體積比月球大得多，加上水星有巨大的鐵核和很高的密度，結果造成水星表面引力是月面的2倍多。

當然，作為太空殖民地的候選地之一，水星的缺點也顯而易見：缺乏明顯的大氣，過于接近太陽，自轉緩慢。這些都是在水星上建殖民地的不利因素。

能否成為太空殖民地，大氣是一個重要因素。它是行星的“保護傘”，不僅能為“殖民者”提供呼吸的氧氣，而且能散射陽光，調節溫度，保護行星表面不受外來宇宙線的襲擊。在一顆行星上能否建設殖民地，在很大程度上取決于它具不具備大氣。而一顆行星有沒有大氣，則同它自身的質量、表面溫度和大氣成分有關。只有具有強大吸引力的行星才有能力保存大氣。水星是太陽系內最小的大行星，沒有能力保存周圍的氣體，因此水星周圍的大氣在很久以前就逃進行星際空間去了。“水手10號”當初3次接近水星時，對它的大氣進行了多次檢測，結果發現水星大氣的氣壓只有地球表面氣壓的萬億分之一。如此稀薄的大氣沒有能力散射陽光，因此水星的天空是漆黑的，就像罩上了一層黑色的天鵝絨。在“天鵝絨”上群星璀璨，相互爭輝，但見不到星星“眨眼”，因為星星“眨眼”是大氣造成的。

水星很靠近太陽，這是建立水星殖民地的最致命弱點。在水星周圍飛行的飛行器將深深淹沒在強烈的太陽光輝里，“游弋”在浩瀚的太陽“引力海洋”中。在陽光照耀下，水星表面溫度高達427℃，而常年位于陰影中的水星極區隕擊坑內溫度卻低到零下183℃。環繞水星作軌道運行的飛行器時而處在高溫下，時而落入寒冷中。巨大的溫差將使飛行器上的儀器設備壽命變短，性能變壞，甚至無法工作。而飛行器處在巨大的太陽引力之下，將被拉向太陽，很難進入環繞水星的軌道。

有科學家說，在太陽引力作用下，航天器會發狂似的飛向太陽。因此，對于在軌道上環繞水星飛行的飛行器來說，沒有極為高超的控制技術是不行的，而這就要求有強大的控制火箭，這種火箭的體積不能小于發射飛船的火箭。要知道，美國在1973年發射的“水手10號”在飛向水星的途中，雖然借用了金星引力援助（關于“引力援助”這個問題，有興趣的讀者可參閱本刊2007年第9期文章《引力援助》），也未能進入環繞水星的軌道，只是環繞太陽飛行。

除了飛船難以環繞水星飛行外，人類移居水星還要受到溫度制約。在晝夜分明的水星赤道地區，表面溫差太大，顯然不適宜人類居住。因此，水星居民將只能生活在常年結冰的極區隕擊坑中，最多能偶爾到赤道區域作短期旅行。

（本文圖片由美國宇航局、歐洲空間局提供）

相關鏈接

“畢匹科倫波”飛船

雖然發射環繞水星飛行的飛行器在技術上有很多困難，歐洲空間局和日本宇航局還是聯手研制并準備在2013年發射環繞水星的“畢匹科倫波”飛船。這艘飛船將用高科技設備對水星進行最全面、精度最高的探測，包括拍攝水星表面像，測定水星表面成分和水星結構，探索水星大氣和磁場，進而考察內太陽系行星。

“畢匹科倫波”是以20世紀意大利著名科學家朱塞佩·科倫波的名字命名的，以彰顯他對水星所做的先驅性研究。“畢匹科倫波”由兩個獨立軌道站組成，一個是歐洲空間局研究水星的“水星行星軌道站”（MPO），另一個是日本宇航局研究水星磁層的“水星磁層軌道站”（MMO）。另外，“畢匹科倫波”還將攜帶一個轉移艙。

“畢匹科倫波”的飛行將采用兩種軌道。它將在日心軌道上飛行6年、行程70億千米，然后于2019年8月抵達水星。在飛往水星途中，它將利用月球、地球、金星以及水星本身的引力對軌道進行調整。在水星附近，飛船將運用太陽能推進力和化學能推進力抵消太陽的吸引力，降低飛行器速度，使之順利進入觀測狀態。在觀測期間，MPO和MMO兩個軌道站將分開飛行，在各自的極軌軌道上環繞水星飛行。MPO軌道的近星點（軌道上距離水星最近的一點）為400千米，遠星點（軌道上距離水星最遠的一點）為1500千米，2.3小時運行1圈。MMO的近星點為400千米，遠星點為12000千米，9.2小時運行1圈。

“畢匹科倫波”將力圖回答關于水星的以下12個問題：

1.為什么我們可以通過探測水星來了解太陽系原始星云成分和行星系統的形成？

2.為什么水星的無“引力壓縮密度”明顯高于其他所有類地行星和月球？

3.水星的核心是液體還是固體？

4.水星現在有板塊活動嗎？

5.為什么水星有磁場，而金星、火星和月球卻沒有？

6.為什么光譜儀的觀測沒有揭示水星上任何鐵的存在，而這種元素卻被想象為水星的主要成分？

7.水星極區長期有陰影的隕擊坑中的冰，是水冰還是硫結的冰？

8.尚未看到的水星那半個表面，跟“水手10號”拍攝的那半個表面明顯不同嗎？

9.水星外逸層的產生機制是什么？

10.在沒有電離層的情況下，磁場如何同太陽風作用？

11.水星磁環境是由極光暗示的特征來表征的嗎？

12.既然水星近日點進動可以用時-空彎曲來解釋，那么我們利用水星接近太陽的優勢就能提高檢驗廣義相對論的精度嗎？

這些探測意義重大，不僅有益于澄清水星謎題，而且有助于破解地球乃至太陽系所有內行星的奧秘。然而，要實現這項計劃是困難的，它面臨著許多重大的技術挑戰。最大的挑戰在于飛船要飛到太陽附近，要經受強大的太陽引力吸引和強烈的陽光照射。就算利用月球、地球、金星以及水星自己的引力，再加上太陽能和化學能，飛行器克服了太陽的強大吸引力，最終進入環繞水星的軌道，但飛行器也還需要戰勝極強烈陽光造成的高溫影響。在極強烈陽光暴曬下，探測器部分表面的溫度將達到350℃。要保障科學儀器和電子設備正常工作，就必須使用多層絕緣系統和高效率的散熱系統。然而，現有的太陽能電池板只能在250℃以下溫度正常工作，所以，必須引入新手段，保證太陽能電池板正常供電。