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水星：在辞“旧”迎“新”之际
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Jesse Emspak 文 Shea 编译 |
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在辞别“信使”、迎接“贝比科隆博”之际，行星科学家仍在想方设法了解这颗距离太阳最近且又解令人困惑的行星。 航天任务的终点有时候会是轰轰烈烈的。2015年4月30日，美国宇航局的信使探测器以每小时14 100千米的速度撞上了水星表面。“信使”得名于“水星表面、空间环境、地质化学和测距”的英文缩写简称。它在4年零1个月又12天的时间里环绕水星转动了4 104圈，使得人类首次看到了这颗最内行星的全貌。此前，仅有“水手”10号在1974年～1975年间3次飞掠水星，以及“信使”在2008年～2009年3度飞掠水星。“信使”发现水星是一颗比任何人所预期的都更为奇特的行星。幸运的是，科学家们正在筹划再次探访水星。2017年，欧洲空间局和日本宇宙航空研究开发机构将发射“贝比科隆博”探测器，预计会在2024年到达水星。 “信使”也许只是浅尝了一下水星的“味道”，“贝比科隆博”则会进行更多的行星科学研究，探测的程度也会更深入。毕竟，科学家们已经知道问题在哪儿了。 “贝比科隆博”能做许多“信使”所不能的事情。首当其冲的就是，它由两个航天器构成。其中一个是水星行星轨道器（MPO），它的重点将会放在研究水星的地表化学和地质学。另一个是水星磁层轨道器（MMO），它将专注于水星的磁场和太阳风环境。它们都会携带测量水星磁场的仪器，由此可以同时测量不同地点的磁场。 对于提高“贝比科隆博”的科学功效来说，轨道设计起到了关键的作用。“信使”最接近水星的近水点位于水星的北半球上方，初始高度约为200千米。它的远水点则位于水星的南半球上方15 193千米处。这一轨道意味着对水星南半球的观测是从较远的距离上来进行的，降低了探测分辨率。虽然这样的设定使得科学家们可以研究水星的太阳风环境，但它却阻碍了对水星磁层的细致研究，也削弱了地质学研究所需的清晰度。 “贝比科隆博”的2个轨道器会采用对称的路径。一旦到达水星，它们就会分开，然后各自进入越极轨道。MPO将更靠近水星，近水点高度约为480千米，远水点高度则为1,500千米。MMO的轨道更扁，近水点高度590千米，远水点高度则达到了11 640千米。这样的设计是为了让这2个探测器能以相当的分辨率来探测水星的南、北半球。虽然“贝比科隆博”的最佳分辨率不及“信使”，但它的覆盖将会更加全面。  [图片说明]：“贝比科隆博”探测水星的概念图。版权：ESA。 磁场特性 水星的磁场强度只有地球的1%左右。“信使”发现，水星磁场的中心与其质心并不重合。相反，它朝向水星的北极点偏移了约480千米，相当于水星2 440千米半径的约20%。这使得水星北半球的磁场强度是其南半球的3倍以上。 地球磁场的中心与地心大致重合，磁轴与地轴间有约11°的夹角。水星磁轴与其自转轴的夹角仅4.5°，但其中心的偏移却是个大难题。在太阳系中，有的行星其磁场中心并不与其质心重合，还有的行星其磁轴不与其自转轴重合，而水星则两者兼而有之。 类似地球的磁场，水星的磁场也很可能是由一个发电机——因其核心外部液态层中电流的运动而形成——所产生的。“信使”的探测已证实水星的磁场主要来自其核心。现在的问题是，它的发电机到底是什么样子的。在地球上，外核中的对流驱动着这一过程。重元素会沉到核心，较轻的则会浮到顶部。由这一运动所形成的发电机便产生了磁场。 水星的发电机可能不同于此。水星磁场另一个奇怪的地方在于它的强度。如果一颗行星的自转速率超过了某一临界值并且内部具有液态层的话，几乎必然会形成发电机。但水星的发电机效力却远小于科学家的预期。 为了解释这一现象，提出了几种假说。它们的要点是，水星的质量较小，因此其核心对对内部物质施加的压强较小。由此，随着水星的冷却，它所含的铁就会被“冻结”。 在过去，水星的磁场显然要更强。在最终撞上水星之前，“信使”从近处飞过了其表面，发现水星地壳中存在磁异常区——此前被磁化的区域。这意味着，水星曾经的磁场必须强大到能够磁化岩石，并能维持30～40亿年。 不过，“信使”无法确定这些磁场是否是轴对称的。未来，“贝比科隆博”不但会核实“信使”的测量结果，而且它还会测量这些磁场的小尺度结构，看看它们是不是也会出现在水星的南半球。  静态磁场 水星磁场看上去似乎相当稳定。“水手”10号并没有得到足够的数据能用来分辨水星磁场的整体结构是否会随时间变化。但在通常情况下，却不是这样。地球磁场的变化速度之快，每隔几年航海图就必须更新一次。然而，几乎没有证据表明水星磁场结构会发生改变。虽然“信使”得到了更多的数据，但它却不能够看到任何变化，原因是它的仪器还不够敏感。 这个问题的根本在于，水星的磁场只比由太阳风产生的外部磁场强约4倍，即200纳特斯拉对50纳特斯拉。（1纳特斯拉等于十亿分之一特斯拉。）因此，外部磁场的变化可以掩盖掉水星本身磁场的变化。在地球上，这完全不是问题——地球本身的磁场强度达到了30 000纳特斯拉，而外部磁场仅有10纳特斯拉。 分辨出磁场的不同来源是一个很棘手的问题。水星自身磁场和外部磁场的相对强度为外部磁场影响其内部的发电机过程提供了可能，或者至少会对水星的内部磁场发生非常大的影响。 相对较弱的内部磁场还会产生另一个后果：仅需几秒，磁事件就会快速发生。这意味着，在太阳耀斑发生的过程中，无论“信使”在何时测得了水星磁场的强度，它都没有足够的时间去往不同的地点来探测耀斑对那些地方磁场的影响。与此形成对比的是，地球磁场事件的发生往往需要几十分钟甚至数小时。有了“贝比科隆博”的两个探测器，它们其中一颗可以测量靠近水星表面的磁场，另一个则测量距离更远的磁层。 “信使”还研究了水星的大气层。它包含有钠、钙和其他的元素。在水星上太阳正在升起的一侧，钙原子会非常丰富，而在其进入黄昏和夜晚的一侧，似乎则少得多。镁的情况也类似，但不是那么明显。根据对地球的观测，这种不对称性是科学家们所意料之外的。钠原子的量似乎在向阳和背阳的半球都保持着相对不变的丰度。 可能是微小尘埃颗粒的撞击维持了钠的丰度。不过，这里还有一个谜题。地球上的观测发现，水星大气层中钠含量会发生快速的变化，但“信使”却没有测到同样的结果。这一不同可能源自于地球上望远镜对水星的观测方式——从地球上无法看到整个水星。“贝比科隆博”对水星完整而连续的覆盖观测能力应该会有助于解决这个问题。  格格不入的化学 这给我们带来另一件有关水星的怪事：它的化学性质完全有别于已有的认识。在“信使”之前，行星科学家就已知道水星的密度仅次于地球，而它落后的原因仅仅在于地球较大的质量可以把自身的物质挤压得更加紧实。考虑到水星更接近太阳，高温也更高，大多数科学家预计，水星的表面会富含有金属，即大量含铁的化合物，同时那里只会有少量的挥发性元素，即在相对较低的温度下就会气化的物质。 然而，“信使”的发现却与之相反。在水星的表面有大量的挥发性物质，而含铁物质却少于预期。水星地表岩石中铁的丰度徘徊在2%左右。其他金属的含量也不同于月球和其他内行星。例如，和地球、月球和火星相比，水星拥有较多的镁元素和较少的铝。同时，水星钾和氯丰度则和富含挥发性物质的火星相当。 然而，最令人吃惊的是水星上有硫的存在。在水星的高温之下，硫会变成气体，因此任何存在的硫早就该蒸发掉才对。与此同时，在水星表面的岩石中几乎都不含有氧。 这些元素丰度与在“信使”之前行星科学家所建立的模型背道而驰。此前，许多科学家都认为，水星的地幔在一次巨大的撞击中被剥离了。这曾经似乎是最合理地解释了为什么从水星表面之下400千米处开始就是水星的核心。在如此强的撞击之下，水星会流失其绝大部分的挥发性物质。 “信使”还发现了具有独特地质化学成分的区域。它所搭载的分光仪可以勘测水星表面的元素丰度。它在水星的北半球发现了一个富含镁的地区，在南半球则发现了一个富含铝的区域，以及在巨大的卡洛里盆地周围的一个富铝区。月球表面也存在着一些表面成分明显有别的区域，例如在月海中。但在水星上，这些区域并不总是与可见的地貌特征相匹配。 一种可能性是，富镁区是一个古老的撞击地点。由于撞击的力度极大，因此水星的地壳发生破裂，地幔物质向上冒了出来。和这个过程同样重要的还有水星地幔本身。一些行星科学家认为，与地球地幔不同，水星地幔可能是由不同成分构成的，因此它相对较薄。即使是在地球上，地表也会有个不禁相同的地方。水星的薄地幔会更容易出现与其他区域有别有的地点。这些区域中的成分也取决于水星地幔所经历的加热和冷却过程。 然而，由于“信使”无法在南半球达到与北半球相同的分辨率，因此“贝比科隆博”将会发挥重要的作用。它会以相同的分辨率来探测分别位于水星南、北半球的这些区域。 这也能够有助于解决水星表面挥发性物质分布的问题。“信使”发现在水星的北极附近有挥发性物质的高度聚集，其中最著名的就是在环形山的永久阴影区中发现了水冰。由于“贝比科隆博”可以放眼水星的两个半球，它应该能够告诉我们，这一分布是否源于热过程。在赤道附近挥发性物质会被加热挥发，尤其是在太阳可以长时间直射的热极。随后，它们会在温度较低的极地沉积。因此，科学家们预期它们会呈南北对称的分布。 “信使”发现的另一个显着特征是水星表面看上去颜色很深。在月球上，深色区往往拥有大量的含铁化合物，由于受到微陨星和太阳风粒子的轰击，表面逐渐变暗。在相同的作用之下，其他的化合物，例如含钛的物质，也会逐渐变深。但是，在水星地壳和土壤中并不含有大量的铁和钛，所以必定有另一种解释。 碳也许可以提供一个解答。理论模型认为，早期的水星可能拥有一个富含碳外部圈层。一种理论认为，覆盖年轻水星的熔岩比早期月球和地球上的密度要小，因为它含有的铁少得多，因此最终形成的水星地幔和地壳中的铁也就很少。其结果是，只有密度较低的碳化合物石墨能够上浮的表层，形成地壳。  水星天坑 不过，“信使”最令人吃惊的发现也许还是水星上的空洞。它们犹如天坑，有着锐利的边缘，不可能是由撞击而形成的。在太阳系的其他地方迄今还没有发现类似的结构。这些空洞非常年轻，可能仍在活跃的形成期中。它们有点像是水星表面的装饰，很可能是挥发性物质升华后所留下的。周围的土壤无法维持这一洞穴结构。 科学家们想知道到底是什么东西升华了。在水星表面存在一些不稳定的成分。在太阳加热和空间风化的作用下，就能形成这些年轻的结构。虽然其本源很可能是某些挥发性化合物，但“信使”无法确定到底是哪一种。 “贝比科隆博”将会使用覆盖范围更广的分光设备来研究这些问题。MPO将同时携带红外和X射线分光仪。第一台仪器会在特定的红外波段上测量辐射的量，以此来确定有哪些元素存在。第二台则使用荧光来测量当水星表面的不同元素暴露在太阳的X射线下所发出的X射线量，这一发光过程类似于使用紫外线照射黑光海报使之发光。由于MPO将从近距离上探测水星的两个半球，其结果会更加完整。“信使”无法把水星北部富镁区与地质特征关联起来，但“贝比科隆博”也许能发现其他元素，建立其对应关系，并确定是什么让水星具有了深色的外表。 科学家们设计红外分光仪时假设水星上富含铁，因此它被调整到了铁特征信号波长附近很小的一个范围内。不过，“信使”发现水星上少有铁反倒是件好事——其他一些元素也会在该波长附近发出辐射。没有了铁的强大铁信号会使得探测其他矿物变得更加容易，例如形成许多月球高地的斜长石。这将揭示出许多有关水星早期的地壳信息，因为它可以告诉科学家在水星历史的早期是什么漂浮在其岩浆海的顶部。  [图片说明]：水星北部的低地，颜色代表当地的高度。紫色高度最低，白色最高。版权：NASA/JHU/APL。 不止一次的撞击？ 面对水星奇特的地质学，一些行星科学家提出，水星的起源并不需要一次巨大的撞击。水星本身可能就是一个“肇事后逃逸”的撞击体。如果是这样的话，水星可以保持住它的核心，失去大量地幔物质，同时仍保留有挥发性化合物。 对水星来说，其主要问题并不是挥发性物质，而是在巨大的撞击之后如何摆脱掉其几乎所有的地幔岩石。科学家们进行了众多大胆的尝试，但毫无效果。 通常情况下，对于被撞击的目标天体来说，在撞击之下绝大多数的挥发性物质都会流失。有一种新的观点认为，水星和金星曾发生过相互碰撞，随后这两个天体开始争抢被抛射出的地幔物质。最终，金星获得了胜利，而水星只能留下一个较大的核心、一个薄层地幔和最外层的地壳。 对此的数值模拟显示，为了能实现目前所观测到的结果，这一模型并不需要牵强附会且极不可能的碰撞或者构形。其发生的概率大约在十分之一的水平上。虽然这看上去似乎并不大，但在大型天体横冲直撞的早期太阳系中，它完全可以奏效。 在这个模型中假设，早期的太阳系中除了金星和地球之外，还有大约20个火星大小的天体，那么在数次碰撞之后，能幸免没有被金星和地球吞并的只有2个——现在的水星和火星。水星可以存活下来，演化成现在的样子。火星则是另一个十分之一概率的例子。 |
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[Astronomy 2016年02月]
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2001-2017 火流星工作组制作
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