水星 兩年才過了一天

水星是太陽(yáng)系中最小和最靠近太陽(yáng)的行星。水星的軌道周期（大約88個(gè)地球日）在太陽(yáng)系行星中最短。水星沒有已知的天然衛(wèi)星。水星的英文名字是根據(jù)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(yáng)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(yáng)系行星中最小。但水星的軌道偏心率在太陽(yáng)系行星中最大。水星在遠(yuǎn)日點(diǎn)與太陽(yáng)的距離是在近日點(diǎn)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(zhì)不活躍已有幾十億年。

水星通過引力，與太陽(yáng)形成3比2共振。水星自旋方式在太陽(yáng)系中獨(dú)一無二。水星繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)兩圈就正好自轉(zhuǎn)3圈。從太陽(yáng)角度看去，每?jī)蓚€(gè)水星年水星才自轉(zhuǎn)一圈。因此，水星上的觀測(cè)者每?jī)赡瓴胚^了一天。

與金星一樣，水星也在地球軌道內(nèi)環(huán)繞太陽(yáng)。由于此，水星只在早晨或晚上出現(xiàn)在地球天空中，但午夜不會(huì)出現(xiàn)。與金星和月球一樣，從地球上看去，水星也呈現(xiàn)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(yáng)，使得它比金星還難看見。兩艘飛行器已經(jīng)造訪過水星：美國(guó)宇航局的“水手10號(hào)”在1974和1975年經(jīng)過水星；發(fā)射于2004年的“信使號(hào)”在4年里環(huán)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(yáng)系行星中最高，科學(xué)家對(duì)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(yáng)系巖石材料的這一典型比例。水星原來的質(zhì)量是現(xiàn)在的大約2.25倍。在太陽(yáng)系初期，一顆質(zhì)量為原始水星的1/6、直徑數(shù)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(gè)相似的過程——巨型撞擊假設(shè)，被用來解釋月球的形成。

第二種理論認(rèn)為，水星可能形成于太陽(yáng)的能量輸出穩(wěn)定之前的太陽(yáng)星云。水星起初質(zhì)量是現(xiàn)在的兩倍，但隨著原始太陽(yáng)的收縮，水星周圍溫度猛升，導(dǎo)致水星表面氣化，形成的“巖石蒸汽”大氣層被太陽(yáng)風(fēng)帶走。第三種假設(shè)是，太陽(yáng)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(shè)都預(yù)測(cè)了不同的水星表面構(gòu)成?！靶攀固?hào)”發(fā)現(xiàn)水星表面的鉀和硫含量高于預(yù)測(cè)值，表明巨型撞擊假說和地殼地幔氣化都不可能發(fā)生，因?yàn)殁浐土蛟谶@些情況下都會(huì)被趕走。如此看來，第三種假設(shè)才可能是合理的。然而，這方面還需要更多數(shù)據(jù)和進(jìn)一步分析。

水星隕擊坑 直徑可達(dá)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(xiàn)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?yàn)樗堑谋砻嬉Ρ仍虑驈?qiáng)得多。

水星上已知最大的隕擊坑是卡洛里斯盆地，其直徑達(dá)1500千米。創(chuàng)生該盆地的撞擊力度是如此之大，以至于引發(fā)熔巖噴發(fā)，留下一個(gè)高度超過2千米的同心環(huán)圍繞隕擊坑。在卡洛里斯盆地的對(duì)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(rèn)為，“奇異地形”的起源是：卡洛里斯撞擊期間產(chǎn)生的沖擊波傳遍水星，并且匯聚于卡洛里斯盆地的對(duì)極。由此產(chǎn)生的高應(yīng)力導(dǎo)致水星表面裂化。另一種假說則認(rèn)為，“奇異地形”的形成是噴射物匯聚于卡洛里斯盆地對(duì)極的結(jié)果。

迄今為止，在被拍攝的水星表面已經(jīng)辨認(rèn)出大約15個(gè)撞擊盆地。其中著名的一個(gè)，是直徑400千米且多環(huán)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(dá)500千米。貝多芬盆地有相似規(guī)模的噴射物覆蓋層。（讀到這里，你也許會(huì)問：這些盆地的名字怎么會(huì)這么有意思？根據(jù)國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)的規(guī)則，每一個(gè)新隕擊坑都必須根據(jù)知名超過50年、并且在這個(gè)隕擊坑被命名至少3年前死亡的藝術(shù)家的名字來命名）與月球一樣，水星表面可能也引發(fā)了太空風(fēng)華過程，包括太陽(yáng)風(fēng)和微隕星撞擊。

水星觀測(cè) 艱難曲折

已知最早對(duì)水星的觀測(cè)，可追溯到公元前14世紀(jì)的亞述人。17世紀(jì)初，伽利略對(duì)水星進(jìn)行了有史以來首次望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)。雖然他觀測(cè)到了金星的相位，但他的望遠(yuǎn)鏡不足以觀測(cè)水星的相位。1631年，法國(guó)天文學(xué)家伽桑狄首次用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到了水星凌日，而他的觀測(cè)是依據(jù)德國(guó)天文學(xué)家開普勒的預(yù)測(cè)。1639年，意大利天文學(xué)家祖皮運(yùn)用望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)，水星的軌道相位變化與金星和月球的相似。這一觀測(cè)確鑿地證明，水星是繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)的。

天文學(xué)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(gè)世紀(jì)，水星和金星都會(huì)相互掩星。1737年5月28日發(fā)生的金星掩蓋水星的事件，是有史以來首次得到觀測(cè)的這類事件，其觀測(cè)者是英國(guó)天文學(xué)家貝偉思。下一次這樣的事件，將出現(xiàn)在2133年12月3日。

觀測(cè)水星有一些固有的難點(diǎn)，難怪與其他行星相比，水星得到的研究最少。1800年，德國(guó)天文學(xué)家施羅德觀測(cè)了水星表面，聲稱自己看到了20千米高的山脈。另一名德國(guó)人貝塞爾運(yùn)用施羅德畫的水星，錯(cuò)誤估計(jì)水星的自轉(zhuǎn)周期是24小時(shí)，軸傾角為70°。19世紀(jì)80年代，意大利天文學(xué)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(zhuǎn)周期是88個(gè)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(xiàn)象被稱為同步自轉(zhuǎn)。意大利天文學(xué)家安東尼亞第繼續(xù)繪制水星表面地圖，并且在1934年發(fā)表了這些地圖和他自己對(duì)水星的觀測(cè)結(jié)果。水星表面的許多地貌，其命名都是根據(jù)安東尼亞第的水星地圖。

1962年，蘇聯(lián)科學(xué)家率先從水星反射雷達(dá)信號(hào)并接收這一信號(hào)，從而開啟了對(duì)水星的射電觀測(cè)序幕。3年后，美國(guó)科學(xué)家運(yùn)用300米阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡，確鑿無疑地證實(shí)水星的自轉(zhuǎn)周期大約為59個(gè)地球日。因?yàn)樗堑淖赞D(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)同步的觀點(diǎn)當(dāng)時(shí)很流行，所以這一觀測(cè)結(jié)果的宣布讓天文學(xué)界大吃一驚——水星的自傳與公轉(zhuǎn)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(huì)極度寒冷，但射電觀測(cè)發(fā)現(xiàn)水星背光面比預(yù)計(jì)的要熾熱得多。天文學(xué)家們不愿放棄同步自轉(zhuǎn)理論，并且提出了一些替代機(jī)制（例如強(qiáng)力熱傳播風(fēng)）來解釋讓他們驚訝的觀測(cè)結(jié)果。

意大利天文學(xué)家科倫坡注意到，水星的自轉(zhuǎn)周期約為軌道周期（公轉(zhuǎn)周期）的2/3。他提出，水星的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)周期被鎖定成3比2而非1比1共振。來自“水手10號(hào)”的觀測(cè)數(shù)據(jù)后來證實(shí)了這個(gè)觀點(diǎn)。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(cuò)，但水星并非在同步自轉(zhuǎn)。

以往基于地面的光學(xué)觀測(cè)，沒能夠更多揭示水星。射電天文學(xué)家在微波波長(zhǎng)運(yùn)用干涉法剔除太陽(yáng)輻射，辨識(shí)了水星地面下好幾米的物理化學(xué)特性。直到第一部水星探測(cè)器到達(dá)水星之后，水星的許多最基本形態(tài)學(xué)特性才被知曉。此外，地面觀測(cè)技術(shù)近年來進(jìn)步較快。2000年，高像素成像觀測(cè)解析了一些就連“水手10號(hào)”也沒有拍攝到的水星表面特征。采用阿雷西博射電望遠(yuǎn)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(chǔ)藏的水冰。

前往水星 挑戰(zhàn)多多

從地球前往水星有不少技術(shù)上的挑戰(zhàn)，原因是水星軌道比地球軌道靠近太陽(yáng)得多。從地球發(fā)射的前往水星的飛船，必須旅行超過9100萬千米，以進(jìn)入太陽(yáng)的重力勢(shì)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(jìn)入經(jīng)過水星附近的轉(zhuǎn)移軌道，就必須做出速度的大改變。在太陽(yáng)勢(shì)阱中下沉所釋放的勢(shì)能變成動(dòng)能，這需要另一次很大的速度改變。為安全著陸或進(jìn)入一個(gè)環(huán)繞水星的穩(wěn)定軌道，完全依賴火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。由于水星大氣太稀薄，因此空氣制動(dòng)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(yáng)系所需的燃料數(shù)量還要多。因此，迄今為止只有兩艘飛船造訪過水星。有科學(xué)家建議，采用太陽(yáng)帆讓飛船進(jìn)入環(huán)繞太陽(yáng)的水星同步軌道。然而，目前這只是紙上談兵。

“水手10號(hào)”率先造訪水星

美國(guó)宇航局的“水手10號(hào)”是造訪水星的第一艘探測(cè)器（1974～1975）。它利用金星引力調(diào)整自己的軌道速度，以便讓自己接近水星。這讓“水手10號(hào)”成為第一艘使用引力“彈弓”效應(yīng)的飛行器，也是美國(guó)宇航局第一次造訪多顆行星的任務(wù)?！八?0號(hào)”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(zhì)特征，例如巨大的峭壁。后來，科學(xué)家把這些峭壁（遠(yuǎn)看就像水星表面的皺褶）歸因?yàn)椋弘S著水星鐵核冷卻，水星個(gè)頭也縮小了一點(diǎn)。

不幸的是，由于“水手10號(hào)”的軌道周期長(zhǎng)度因素，每一次當(dāng)“水手10號(hào)”近距離接近水星時(shí)，總是同樣的水星半面被照亮。這導(dǎo)致無法對(duì)水星的兩個(gè)半面都進(jìn)行觀測(cè)。最終，“水手10號(hào)”只繪制了水星表面的不到45%。

“水手10號(hào)”一共3次近距離靠近水星，其中最近距離是327千米以內(nèi)。在第一次近距離靠近時(shí)，機(jī)載儀器探測(cè)到了一個(gè)磁場(chǎng)。這讓行星地質(zhì)學(xué)家們很驚奇——水星的自轉(zhuǎn)速度很慢，不足以產(chǎn)生明顯的發(fā)電機(jī)效應(yīng)。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(shí)，獲得了廣泛的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)顯示，水星磁場(chǎng)與地球磁場(chǎng)很相似，它讓水星周圍的太陽(yáng)風(fēng)轉(zhuǎn)向。水星磁場(chǎng)來源依然不明，但科學(xué)家對(duì)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(hào)”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(hào)”關(guān)閉?？茖W(xué)家推測(cè)，“水手10號(hào)”至今依然在環(huán)繞太陽(yáng)，每幾個(gè)月就靠近水星一次。

“信使號(hào)”在水星表面撞出大坑

“信使號(hào)”是美國(guó)宇航局的第二艘水星飛船，其英文名是“水星表面、太空環(huán)境、地質(zhì)化學(xué)和測(cè)距”的縮寫?！靶攀固?hào)”于2004年8月3日發(fā)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(jìn)前往環(huán)水星軌道的正確路徑。2008年1月14日，“信使號(hào)”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?！八?0號(hào)”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(hào)”成功進(jìn)入一條環(huán)繞水星的橢圓形軌道。2011年3月29日，“信使號(hào)”在這條軌道中首次對(duì)水星拍照。“信使號(hào)”完成了為期1年的繪圖任務(wù)后，接著進(jìn)入為期1年的延長(zhǎng)任務(wù)期，至2013年。

“信使號(hào)”任務(wù)的目的包括澄清6個(gè)重要問題：水星的高密度、水星地質(zhì)歷史、水星磁場(chǎng)本質(zhì)、水星核結(jié)構(gòu)、水星兩極是否有冰、水星的稀薄大氣層從何而來。為了達(dá)到這個(gè)目的，“信使號(hào)”搭載的成像裝置能對(duì)幾乎水星全球?qū)嵤┍取八?0號(hào)”像素高得多的拍照，搭載的多部光譜儀能測(cè)量水星地殼中多種元素的豐度，搭載的磁強(qiáng)計(jì)和相關(guān)裝置能測(cè)量帶電粒子的速度。對(duì)“信使號(hào)”軌道速度改變的測(cè)量，預(yù)計(jì)將被用來推斷水星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。“信使號(hào)”的最后一次操作是在2015年4月24日。2015年4月30日，“信使號(hào)”墜毀于水星表面，留下一個(gè)直徑估計(jì)為16米的撞擊坑。

“貝皮·科倫布號(hào)”

“貝皮·科倫布號(hào)”將采用兩部探測(cè)器環(huán)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(fā)射，“貝皮·科倫布號(hào)”將于2024年到達(dá)水星。它將把磁層探測(cè)器釋放到一個(gè)橢圓軌道。接著，化學(xué)火箭點(diǎn)火，把繪圖探測(cè)器送入一個(gè)圓形軌道。這兩部探測(cè)器都將運(yùn)作1個(gè)地球年。其中，繪圖探測(cè)器搭載的光譜儀與“信使號(hào)”上的光譜儀相似，將在許多不同波長(zhǎng)探索水星。