谜题榜前五来了！不了解水星？贝皮可伦坡号带你解密

欧洲与日本的联合计划——贝尔科隆博（BepiColombo）水星探测器——在行经了地球，并驶向太阳系的最深处。它将为我们解答关于水星，这个位于太阳系最深处行星的疑惑。

图片来自美国宇航局（NAS）A/约翰霍普金斯应用物理学实验室（JHAPL）/美国华盛顿卡耐基研究所(Carnegie Institution of Washington）/维基百科（Wikimedia Commons）

水星的表面充满陨石坑和尘埃，与月球看上去非常相似。这张照片起初是由NASA的信使号（Messenger）于2008年拍摄的。这张照片揭示了许多以前从未被知晓的水星特点。

欧空局最初在2020年4月发布此文章。

欧日合作的贝尔科隆博探测器就在昨晚成功地完成了她的首次、也是唯一一次越地。该探测器于2018年启动，预计将于2025年12月抵达位于太阳系最深处的水星。她利用地球的重力稍稍改变轨道，便义无反顾地奔向了太阳系深处。在贝尔科隆博发射之前，唯二拜访过水星的只有NASA的“水手号10(Mariner 10)”与“信使号(MESSENGER)”。这两个计划透露给我们关于小巧且隐秘的水星的消息远远多于我们所见。尽管表面温度高达450摄氏度（850华氏度），水星上似乎有固态水存在的痕迹。水星也拥有着与她娇小体型毫不相称的巨大内核以及无比丰富的化学组成。请继续向下阅读了解水星的五个秘密。

四颗类地行星的对比图，从左向右分别为水星，金星，地球，和火星（图源：欧空局（ESA））

1.水星起源于哪里？

水星只比月球稍大一些，绕日公转周期是88天。它离太阳最近的时候只有地日距离的三分之一。水星难道一直都是在那个地方的吗？科学家表示他们并不能确定。

NASA的信使号自2011年到2015年围绕水星进行观测，从它收集到的数据来看，水星的表面有稳定的放射性元素，钍。并且拥有更多的可挥发化学元素，钾。欧洲航天局贝尔科隆博计划的科学家约翰尼斯·本霍夫说：“钾在高温环境下会快速蒸发，而钍可以在非常高温的环境下稳定存在。所以靠近太阳形成的行星一般而言拥有更多钍，而不是钾。钾与钍的含量比例在地球，火星，月球和金星上都与这些星球所形成的地方的温度有一定相关性。但是我们在水星上所测量到的钾要比我们预计的要多。”

事实上，水星上钾和钍的比例与离太阳远的多的火星上相当。约翰尼斯承认，现有的行星形成模型无法合理的解释其中的偏差，科学家因此开始研究水星起源于大约是火地距离的遥远位置的可能，并且它在一次与一个大天体撞击的过程中靠近太阳。一次强烈的撞击也可以解释她超乎寻常的巨大内核和相对薄的外层。

水星的内核与她的体型不太相称（图源：欧空局（ESA））

水星内核的直径大约3，600千米（2250英里），它在直径小于5，000千米（3，100英里）的水星内，占据了其体积的40% 。相比之下，地球的直径约12，700千米 (7，900英里），但地核只有2，400千米（1490英里）。

本霍夫 解释道：一个理论提出，这个巨大撞击在过去意外的将水星撞到现在的位置，同时撞碎了大部分行星的外层物质并留下仅有一个薄外层的极大密度的内核。

有些人甚至猜测水星是45亿年前撞击地球的神秘天体，根据部分理论，在那场撞击后的残骸导致了月球的形成。

贝尔科隆博能揭示多少水星的神秘面纱？约翰纳斯说，诸如梅迪斯辐射计和热红外光谱仪、MIXS水星成像X射线光谱仪、MGNS伽马射线和中子星光谱仪等仪器都将为了解水星表面的矿物质和元素提供一个新的水平。欧洲航天局的水星行星轨道器（MPO）是组成贝尔科隆博的两个轨道器之一，与其前身信使号相比，它环绕行星更近，将以更高的分辨率拍摄水星表面，并提供比信使号更全面的水星南半球的覆盖范围。

“信使号”探测器于2011年至2015年间绕水星轨道运行，在水星两极的环形山中发现了形似水冰的物质。（图源：欧空局（ESA））

2.水星上真的有水吗？

水星表面的温度高达450°C(840华氏度)，人们不可能在水星上找到水，更不用说冰了。令人惊讶的是，当“信使号”探测到水星两极附近的一些陨石坑时，它看到了似乎是由大量水冰反射而来的光。本霍夫解释道:

“我们有强烈的迹象表明这些陨石坑里可能有水冰，但还未直接探测到。有了MPO上的仪器，我们希望不仅能够直接测量水的含量，确认是否真的有水，而且还能尝试找出有多少水。

本霍夫补充说，在这个被烧焦的星球上发现水冰的想法并不荒谬。水星绕着与轨道平面垂直的轴旋转。因此，地球不像地球那样倾斜。于是，比地球强三倍的太阳光线，永远无法到达极地环形山内部，使它们始终保持冰冷。

约翰内斯希望MPO的仪器能够识别水星表面的精确元素组成，这样科学家们甚至可以知道这些冰的真正来源。科学家认为冰可能不是直接来自水星。然而，它的起源是另一个谜。彗星是地球上最有可能的水源，但据信过去撞击过水星的并不多。本霍夫说:

该地区的彗星非常罕见，由于其强大的引力，通常以太阳为终结。这些冰可能来自于在整个演化过程中与水星相撞的小行星。由于阴暗处火山口的低温，冰可能在那里存在了数千万年。

虽然贝尔科隆博不能提供一个明确的答案，但它对极地地区的全面的观测可以提供一些关于水星上冰的起源的线索。

水星上的柯特兹(Kertes)陨石坑上的小凹痕或凹洞。NASA的"信使号"发现了这些以前不为人知的地质特征。它们的起源仍然是个谜。图源：欧空局（ESA）。

3.水星是死气沉沉还是生机勃勃？

由于水星焦干且死气沉沉表面，她一直以来都不被看好会孕育生物。然而当“信使者”飞船在水星表面细细观察之后，它发现水星或许超出了我们的期待。

此次任务发现了一些无法从其他行星得知的奇怪的地质特征，它们散布在水星的一些陨石坑内部和周围。这些表面上的凹痕，抑或是科学家们所说的凹洞，好像是水星内部物质的蒸发造成的。本霍夫说：有趣的是，这些凹洞似乎是最近才出现的。好像有一些挥发性物质在从水星的外层上升，并升华到周围的空间，留下了这些奇怪的地质特征。

由于贝尔科隆博将在信使号结束任务十年后开始对水星的调查，科学家们希望他们能找到这些凹洞变化的证据，要么变大，要么变小。这将意味着水星依然是一个活跃的，有生命力的星球，而不是一个像月球一样的死星球。本霍夫解释道：如果我们可以证明这些空洞是变化的，那将是我们用贝尔科隆博能得到的最神奇的结果之一。驱使这些凹洞产生的过程是完全未知的。它可能是由高温或太阳粒子冲击水星表面造成的。这是一个全新的发现，每个人都期待可以了解更多。

4.为什么水星如此黯淡？

月球那陨坑遍布满脸疮痍的灰暗表面，使她看起来与地球的伴侣月球十分相像。至少，乍一看是如此。可再近一点，出于连科学家都还不知晓的原因，水星的表面却要比月球暗的多。这颗行星只反射了月亮反射光的三分之二。

MPO搭载的MERTIS热红外成像仪将绘制一张水星表面矿物分布的详细地图。并提供比MESSENGER更高的精确度和元素组成的分辨率。MERTIS和其他MPO设备会协助回答水星黯淡的原因，本克霍夫说：

现在对于这个问题有很多种解释。其中一种解释阐述道水星表面发暗很可能是即便水星表面物质分布和其他行星十分相似，但是其上的高温使得水星上的那些物质变得灰暗。还有种可能是我们看到的其实是水星表面的石墨，而石墨本身就很黑。当星球冷却下来，石墨层也就随之形成，而一些石墨在水星后续的演化中浮到了表层。

水星与太阳风相互作用下形成的强不对称磁场的示意图。图源：欧空局.（ESA）/ResearchGate

5.水星为什么有磁场？

具有磁场的行星并不多。在内太阳系的岩石行星中，只有水星和地球有磁场。火星过去曾经有磁场，但后来消失了。从大小上看，水星应该没有磁场，它太小了。事实情况是，水星拥有磁场，只是比地磁场弱一百倍。科学家们想知道，在众多不利因素下，该磁场是如何维持下去的。

地磁场是通过液态铁质内核的快速旋转产生的。至于水星，科学家曾经认为，由于它很小，它的核心一定已经冷却并凝固了。真的是这样吗？约翰尼斯·本霍夫解释说：水星的核心必须部分熔化才能解释这种磁性。我们可以通过测量水星表面的潮汐来证明行星内部一定有液体存在。当水星绕太阳公转并与其引力相互作用时，我们期望形成一个在水星公转过程中会改变大小的隆起。

根据一些估计，隆起最高时可能高达14米（46英尺）。在水星绕太阳公转的过程中（从最近点4600万公里合2900万英里到最远点7000万公里合4300万英里），贝皮可伦坡任务将全程跟随，精确测量隆起的变化。这些数据将帮助科学家更好地估计内部液体核的大小。

水星的磁场向北偏移了400公里（248英里），没有像地球一样居于行星的中心。

贝皮可伦坡任务中包括欧空局的环水星轨道器（MPO）和日本航天局（JAXA）的水星磁层轨道器（Mio），这两个轨道器将比之前的任何探测器都更详细地研究水星磁场，并揭开那些令人困惑的谜题。这两个轨道器将按照不同的时间表穿越水星磁层的不同区域。它们将同时测量磁场如何随时间和空间变化，并试图解释与太阳的近距离接触以及与强大的太阳风的相互作用会如何影响磁场。

更详细地了解水星的磁场还将帮助天文学家进一步了解这颗神秘行星内部发生的事情。

重要提示：预计于2025年12月到达水星的贝皮可伦坡任务的两个探测器有望解答以上有关水星的5个问题。

作者：EarthSky Voices

FY：Astronomical volunteer team

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