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星。水星的英文名字是根據羅馬神靈墨丘利（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。水星繞太陽轉兩圈就正好自轉3圈。從太陽角度看去，每兩個水星年水星才自轉一圈。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環繞太陽。由于此，水星只在早晨或晚上出現在地球天空中，但午夜不會出現。與金星和月球一樣，從地球上看去，水星也呈現全范圍的相位變化，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。兩艘飛行器已經造訪過水星：美國宇航局的“水手10號”在1974和1975年經過水星；發射于2004年的“信使號”在4年里環繞水星超過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。水星原來的質量是現在的大約2.25倍。在太陽系初期，一顆質量為原始水星的1/6、直徑數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，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定之前的太陽星云。水星起初質量是現在的兩倍，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。

上述每種假設都預測了不同的水星表面構成。“信使號”發現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，第三種假設才可能是合理的。然而，這方面還需要更多數據和進一步分析。

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。創生該盆地的撞擊力度是如此之大，以至于引發熔巖噴發，留下一個高度超過2千米的同心環圍繞隕擊坑。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。由此產生的高應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果。

迄今為止，在被拍攝的水星表面已經辨認出大約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？根據國際天文學聯合會的規則，每一個新隕擊坑都必須根據知名超過50年、并且在這個隕擊坑被命名至少3年前死亡的藝術家的名字來命名）與月球一樣，水星表面可能也引發了太空風華過程，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現，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。這一現象被稱為同步自轉。意大利天文學家安東尼亞第繼續繪制水星表面地圖，并且在1934年發表了這些地圖和他自己對水星的觀測結果。水星表面的許多地貌，其命名都是根據安東尼亞第的水星地圖。

1962年，蘇聯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周期大約為59個地球日。因為水星的自轉與公轉同步的觀點當時很流行，所以這一觀測結果的宣布讓天文學界大吃一驚——水星的自傳與公轉原來并非同步。如果水星真的被潮汐鎖定，那么它的背光面會極度寒冷，但射電觀測發現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果。

意大利天文學家科倫坡注意到，水星的自轉周期約為軌道周期（公轉周期）的2/3。他提出，水星的公轉和自轉周期被鎖定成3比2而非1比1共振。來自“水手10號”的觀測數據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。

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學特性才被知曉。此外，地面觀測技術近年來進步較快。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 挑戰多多

從地球前往水星有不少技術上的挑戰，原因是水星軌道比地球軌道靠近太陽得多。從地球發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，水星飛船為進入經過水星附近的轉移軌道，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繞水星的穩定軌道，完全依賴火箭發動機。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”效應的飛行器，也是美國宇航局第一次造訪多顆行星的任務。“水手10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。在第一次近距離靠近時，機載儀器探測到了一個磁場。這讓行星地質學家們很驚奇——水星的自轉速度很慢，不足以產生明顯的發電機效應。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據。這些數據顯示，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”關閉。科學家推測，“水手10號”至今依然在環繞太陽，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、太空環境、地質化學和測距”的縮寫。“信使號”于2004年8月3日發射升空。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年的繪圖任務后，接著進入為期1年的延長任務期，至2013年。

“信使號”任務的目的包括澄清6個重要問題：水星的高密度、水星地質歷史、水星磁場本質、水星核結構、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實施比“水手10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部結構的細節。“信使號”的最后一次操作是在2015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。