回望水星

□ 佛罗里达大学　胡　晓

回望水星

□ 佛罗里达大学胡晓

水星差不多是几个类地行星当中，最没有存在感的了——既没有金星的耀眼，也没有火星的美丽传说。作为离太阳最近的行星，这颗了无生气的“小石球”每天几乎和太阳同时东升西落，多数时间都淹没在太阳的光芒里。只有在晨昏交界之际，人们才有可能避开地平线以下的太阳看到这颗小小的光点。

在很长一段时间里，人们对它的了解基本停留在“质点”的水平上。水星运行在一个高离心率（0.2056）的椭圆轨道上，公转周期只有88天，半长轴差不多是地球轨道的1/3(0.387AU)，平均半径不到地球的40%，质量则大约是地球的1/20。而且因为水星没有卫星，所以质量只能由和邻近行星的扰动估算出来。如果不考虑重力压缩的效应，这颗太阳系最小的行星有着最高的密度5.3克每立方厘米，相比之下地球的无压缩密度只有4.4克每立方厘米。如此高的密度意味着水星必然有大量的铁，大约会占到总质量的70%。而其他方面，譬如最基本的自转周期，人们一直沿用着错误的观测结果。直到二战之后，雷达技术的发展促进了射电天文学的兴起，利用多普勒效应，人们终于得到了水星自转的正确周期：58.6天。

超薄的水星日历

我们常说的自转周期，指的是相对遥远恒星组成的静止参照系的旋转周期，而一天的长度，对应的则是相对中央天体的旋转。由于公转本身也包含了旋转，在自转方向和公转方向相同的情况下，一天的时间会比自转周期要长。稍加推算可知，1/一天=1/自转周期-1/公转周期。譬如月球，相对地球来说，由于自转和公转周期相等，一天的时间就是无限长，它的一面始终朝向地球。对于地球来讲，由于公转比自转慢上三百多倍，这一区别并不明显。而我们的水星，自转周期达到了公转的2/3，由上面的式子，很容易知道，水星上的一天相当于两年！我们常说度日如年，在这儿变成了实实在在的事实，水星上的日历两年才撕一页呀！

水星这种自转和公转的周期成简单整数比的现象，称为轨旋共振。最常见的例子就是我们的地球-月球系统：月球的自转周期恰好等于绕地球的公转周期，所以我们总是只能看到月球的一个面（实际由于月球本身的“摇晃”，我们能看到的面积占月球表面积的59%）。

地球上的潮汐主要来自月球对地球的潮汐力：在月球的作用下，地球表面的海洋会被拉长成一个椭球，椭球的半长轴与月地连线呈相对固定的夹角，地壳相对这个“水球”的旋转就导致了海水一天中的深浅变化，也就是涨潮和退潮。海水本身的流动阻力以及和地壳之间的摩擦就会消耗一小部分能量。对于月球来说，虽然它没有海洋，但固体的月球并非理想的刚体（完全没有形变），地球对月球的潮汐力会让月球产生“固体潮”——月球本身的形变。如果月球不是总把一个面对着地球的话，不断变化的形变就会耗散能量，最终，月球被“锁定”在自转周期等于公转周期的状态。

但是水星并没有处在一个潮汐锁定的状态，而是处于3：2（轨道周期：自转周期）的共振态。最主要的原因来自于水星那高离心率的椭圆轨道。1966年，两位天体力学专家从解析角度证明了，如果水星初始的自转速度较高并有着和目前接近的轨道离心率，那么它稳定在3：2的概率会超过70%。当然，在进入3：2状态之前，由于自转是逐渐放缓的，水星还会经历诸如2：1的共振态。这篇天体力学的经典论文同样指出，水星被更快自转的共振态“俘获”的概率要低得多，例如被2：1俘获的概率只有15%。所以它维持在3：2的共振态，也就不足为奇了。

水星的磁场

1974年，美国航天局（NASA）发射了水手10号探测器。这艘无人飞船在靠近金星时利用金星的引力让自己减速，从而接近水星轨道。这是人类历史上第一颗接近水星的探测器，并在很长时间里是唯一的一颗。水手10号并没有对水星进行跟踪观测，由于它有限的变轨能力，只是进行了三次飞掠水星的观测。而且由于轨道周期恰好是水星自转周期的三倍，这三次相会所拍摄的都是水星的同一面。但水手10号依然将人们对水星的认识推进了一大步：水星，这颗比月球大不了多少的小家伙，居然有一个类似地球的双极磁场！这个磁场强度非常微弱，大约只有地球磁场的1%。此前，人们普遍认为，由于水星的自转极其缓慢，将很难产生发电机效应，因而也不会有内部磁场。而且，由于水星质量太小，“散热”更快，星体早已整体冷却，内部也不会有维持发电机效应的液态内核。

超链接：

所谓发电机效应，是目前用来解释行星和恒星磁场的主流理论：以星体自转，内部对流等作为动力驱动导电流体（譬如地球的液态外核心）的运动，在很长时间里维持一个稳定的自身磁场。

水星自转、公转示意图。图片来源：马小虎

水星的磁场到底从何而来？有人认为，水星的地壳本身就是一块巨大的磁铁。水星的地壳跟地球不同，没有复杂的板块构造，而是一个整体，自水星冷却以来，这块地壳就一直没有移动过。这给“磁铁说”提供了优势，因为如果有大规模板块漂移的话，水星就不会呈现出简洁的双极磁场了。此外，我们的水星必须要有足够厚实的地壳（大于100千米），地壳中还得含有非常丰富的铁。这还不算，我们还需要一个足够强的外部磁场来磁化水星。极早期的太阳是可能有很强的磁场的，但这个磁场的寿命一般只有100万年，但那个时候的水星还没有冷却：铁的居里点大约是1000K（开尔文），只有低于这个温度才能磁化。不过，既然早期的水星很炽热，那个时候应该可能产生发电机效应，有没有可能是早期的水星内核发电机把自己给磁化的呢？不过这要求这个发电机必须非常稳定，不能出现“地磁反转”——对于依赖发电机效应的行星磁场，这件事似乎很难避免——至少对我们地球来说，地磁场南北极对调这种事，已经发生了数万次。

看来还是得回到发电机理论。为了维持一个液态的内部结构，水星需要降低核心物质的熔点。早在1976年就有人提出如果水星的铁质内核有足够的杂质，那么这个铁合金的熔点就可以低到维持液态。后来的研究表明，这个杂质应当是大约6%的硫元素。熟悉宇宙中各种元素含量的读者可能会问，为什么不是更常见的氧？原来水星的内部压强不够高，导致氧在液态铁中的溶解度太小，无法达到降低熔点所需要的百分比。除了核心本身储存的热量，人们还设想了一些别的热量来源，譬如放射元素的衰变。还有所谓“潮汐加热”——前面所说的在潮汐力作用下的能量耗散，就是把机械能转化成了热能。这个效应在水星形成早期可能很显著，但是目前水星自转缓慢，一些计算显示，潮汐力产生的热量最多不超过放射衰变的1/10。

这是“信使号”眼中的水星表面——一幅由多波段窄带相机数据合成的假彩色图。安装在水星双重成像系统（Mercury Dual Imaging S ystem， MDIS）上的宽场相机（Wide Angle Camera， WAC）有多达11个窄带滤光片，可以在大范围内快速分析水星表面的理化性质。为了把多达11维的数据变成人眼可分辨的色彩，这幅照片采用了“主成分分析”找出那些变化最显著的几个特征波段，并映射到三原色中。比较年轻的撞击坑显出白色或浅蓝色，较深的蓝色是水星地壳中富含“低反射率物质”的地质结构，含有不少颜色较深的矿物。显眼的金棕色区域则是曾被岩浆覆盖的部分。图片来源：APOD

图a：由同步绕转理论推测出的水星表面大型撞击坑的相对概率分布，红色代表显著高于均值（最高超出80%以上），蓝色代表低于均值，黄绿色在均值附近。图b：直径大于400千米的陨击盆地分布图。确定（红色）、非常可能（橙色）以及有可能（蓝色）表示与卡路里盆地年龄相仿或更老的陨击盆地，以及不确定年龄（灰色）的陨击盆地。其中白色实线内的部分是水手10号拍摄过的区域，白色虚线圈出的位置是没有陨击盆地分布的区域。图片来源：http://www.nature.com/ngeo/journal/v5/n1/fig_tab/ngeo1350_F3.html

2002年到2006年，由康奈尔大学牵头，研究人员进行了一系列高精度的射电观测。这次观测动用了当时两台最大的射电望远镜：最大的固定天线望远镜——阿雷西沃射电望远镜，最大的可动天线望远镜——绿堤射电望远镜。这次观测对水星运动的变化精确到了一分钟以内。就像我们用旋转鸡蛋来区分生鸡蛋和熟鸡蛋一样，水星微弱的不规则运动基本确定了水星内核至少是部分液态的。也就是说，跟地球的地核相似，水星很可能有着一个固态的内核和液态的外核。

既然液态外核可以影响水星目前的运动状态，那么这样的结构会不会影响水星早期的动力学演化？实际上，考虑到外核和水星地幔之间的摩擦，水星被3：2共振态俘获的概率就小了很多，某些研究表明可能只有26%。于是有人提出了另一种理论：水星形成初期处于逆向自转，由于逆向自转时不太可能被1：1之外的共振态俘获，水星会有一个时期停留在潮汐锁定的状态。这依然是太阳系形成的早期，水星在这段时期里遭遇了多次大型撞击事件。如果某些撞击可以把水星“加速”到略快于3：2的自转，那么水星最终稳定在3：2共振态的概率会高达96%。这个理论的有趣之处在于，它可以推测出水星表面大型撞击坑的分布，并且跟观测结果符合的不错。

信使号再探水星

上面所说的观测结果，除了水手10号传回的照片以外，更多的来源于2004年发射的信使号水星探测器。它是人类目前唯一一枚成为水星人造卫星的探测器。而且这个名字也颇具深意，在西方文化中，水星是用罗马神话中为众神传递信息的使者墨丘利命名的。我们知道，离引力源越近，引力随距离的变化率就越快。如果我们画出引力势能随距离的变化曲线，引力源周围就是一个非常陡峭的势阱。这意味着，航天器如果想从离太阳较远的轨道（比如地球）变换到更近的轨道（比如水星）上，需要紧紧“抓住”路径上的“把手”给自己减速。为了成功进入水星轨道，信使号先后近距离飞越地球一次，金星两次，水星三次——靠着这些行星的引力，直到2011年才完成变轨，约7年的时间，只是为了缩短0.6个天文单位的轨道差距。

信使号不负众望，给我们带来了大量的新发现。2008年，信使号第一次飞越水星，当时的《科学》杂志在美国独立日发行了信使号专刊，介绍语是“水星，我们又回来了”。可以想象，人类阔别水星34载，那些从水手10号就开始研究水星的科学家们看到这一天恐怕已是老泪纵横。

这些早期发现中最有意思的一个莫过于发现水星大气中居然存在水蒸气。由于本身质量低、引力小，再加上离太阳太近（水星向阳面的温度高达700K），水星的大气极其稀薄，表面也不太可能有任何形式的水。但信使号在水星大气的外逸层（大气的最外层）发现的水蒸气表明水星表面依然有水源。在信使号进入水星轨道之后，发现水星的那些位于两极的撞击坑的确有水冰：由于水星的自转轴和轨道平面几乎垂直，这些坑的深处会永久处于阴影中，温度会低到100K，即使考虑到挥发作用，这些冰依然可以存在数亿年。

再探水星的信使号。图片来源：ESA

对于让人们苦思良久的水星磁场，信使号也有新的发现：虽然这是一个类似地球的双极磁场，但两极的磁场强度却不怎么对称：北极的磁场强度是南极的三倍！从近年的研究看，比较大的可能是水星和地球的“发电机”动力机制（对流机制）有所不同。对于地球来说，不断冷却的固态内核就像一个炉子从底层加热液态外核，同时还会不断放出密度低的轻元素把热量带出来；而液态外核的外层则会有较低温的重元素（铁和镍）不断下沉——换言之，物态变化主要发生在液态外核的内外边界。而水星的液态外核可能处处发生着轻重元素的分离：低温并结晶的铁元素在外核的不同半径处都可能出现，并下落到内核上。整个外核如同冬天的积雨云，雪花在云中的不同高度都会产生，铁晶体也是如此。把这种外核“下雪”的模型同流体动力学模型相结合，人们发现即使在南北对称的温度分布下也可以产生稳定的不对称磁场。同时，这种对流机制还可以很好地解释水星的磁场强度——如果按照地球的对流机制的话，水星的磁场强度应当比现在大很多。

图中为水星的北极区。根据信使号发回的信息显示，在水星北极分布的陨击坑的暗影区中存在水冰。图中标黄的部分，就是雷达高反射的区域，正好对应了这些陨击坑的坑底和侧壁。图片来源：APOD

除了拍照和测量磁场，信使号还有一个绝活：测量水星表面元素成分。不同的元素在衰变时会放出不同能量的伽马射线，这样它搭载的伽马射线谱仪就可以由此得出那些不稳定原子的比例。信使号再次颠覆了人们的预想：水星表面元素的比例跟其他几个类地行星差不多。因此水星的表面应当没有经历过特别高的温度——假如有过的话，易挥发的轻元素比例应当很低才对。而人们为了解释水星极高的铁含量，常常假设水星曾经历过某种高温过程才导致轻元素的剥离和重元素的富集。一种假说认为，水星早期是个类似地球的行星，后来遭到了一个小行星的撞击，大量的表面物质被抛射出来，所以才剩下一个如此之大的铁核。还有人觉得水星可能形成得极早。熟悉恒星演化的读者可能知道，原始恒星为了点燃核聚变，需要从收缩过程中不断升温；这个时候的原始太阳虽然表面温度比现在低一些，但由于体积大很多，亮度要高很多倍。如果水星在这个阶段就已经基本形成，表面温度会高达数千度：水星的表层会升华掉。现在看来，信使号让这两种假说都很难站得住脚了。目前比较流行的观点是，当时的太阳星云会对坠落到原始水星的物质产生阻力，由于轻元素密度低，受到的阻力较大，相比重元素就比较不容易被水星吸收。

水星素描

写到这里，我们似乎可以给水星画一个还算靠谱的素描了。

水星应当有一个巨大的铁质核心，大约占到了水星半径的75%，总体积的42%（地核只占到地球体积的18%）。值得一提的是，早年人们并不清楚水星的铁是如何分布的，但当时并不清晰的图像观测已经能告诉人们水星的表面和月球很类似，反射率甚至更高一些，这说明水星表层的铁含量非常低，后来的光谱分析进一步确认了这一点。

地球、水星结构示意对比图。图片来源：http://www.nature.com/nature/journal/v485/n7396/fig_tab/485052a_F1.html

这个巨大的铁核心有着跟地球差不多大的固态内核，而液态外核的对流则驱动着水星微弱的磁场。这个高密度的核心上，浮着薄薄的地幔和地壳，两者加起来仅约700千米厚，主要成分是密度较低的硅酸盐。信使号的数据表明，相比之前推断的模型，水星有更多的固态质量集中在外层，因此在地幔和液态外核之间，很可能还有一个密度比较高的固态铁-硫混合层。

前面说过，水星的地质活动几乎已经完全停止，地壳是一个完整的球体。这个地壳大约在40亿年之前成型，而在这漫长的地质时间里，水星会因为温度不断降低而缩小，就像脱水的苹果表皮会发皱一样，地壳也会出现褶皱。以前，水手10号不完整的数据告诉我们，水星的半径自形成地壳以来只收缩了不到3千米，这差不多比理论预言的数值小了一半。靠着信使号对水星全球的成像，人们根据这些褶皱的分布和尺寸计算出水星的半径平均收缩了大约7千米，总算让那些研究水星模型的专家们舒了口气。

即将起航的新使者

艺术家绘制的BepiColombo示意图。图片来源：ESA

作为研究早期太阳系的活化石，这颗数亿年来一直隐藏在太阳光芒中的行星有太多值得我们去探索的地方。2015年4月30号，信使号用最后一点燃料完成了最后一次变轨，按计划坠毁在水星表面。

意大利轨道动力学家朱塞佩·科伦坡。图片来源：ESA

而到2017年，由欧洲空间局和日本航天局合作研制的贝比科隆博水星探测器（BepiColombo）将发射升空，预计2024年到达水星轨道。BepiColombo计划以计算出水手10号轨道的意大利轨道动力学家朱塞佩·科伦坡（Giuseppe Colombo，昵称Bepi）命名。该计划将对水星进行全面观测，主要探测水星的磁场和大气，寻找水星上的撞击坑，研究水星的起源和内部物质构成，探测水星的稀薄大气和水星磁场等。主体可分为用于推进的水星转移模块（Mercury Transfer Module, MTM）和两个轨道探测器：水星行星轨道探测器（Mercury Planetary Orbiter，MPO）和水星磁层轨道探测器（Mercury Magnetosphere Orbiter，MMO）。MTM装备了两种火箭发动机，高推力的化学火箭帮助脱离地球轨道，低推力高效率（比冲）的离子推进器利用太阳能电池板的电力，为探测器做长期而缓慢的减速。在最终被水星引力俘获时，MTM将把MPO和MMO送入水星的极轨道，其中MPO作为水星表面探测器，主要搭载成像和光谱仪器，运行在2.3小时周期的低轨道。MMO则运行在周期9.3小时的高轨道，主要负责磁场、离子、高能粒子和行星际尘埃的测量。两台探测器预计运行一地球年，并有可能延长至两年。

对醉心于水星研究的人们来说，这又将是一个漫长的等待。祝BepiColombo即将迎来的7年太空之旅一帆风顺，而等待终将是值得的。