水星：冰與火的行星

□ 謝 懿/編譯

“信使”在環繞水星的軌道上所拍攝的相對于黑色太空背景的水星南半球邊緣

“信使”水星探測器最新發現水星包含有意料之外的成分和“歪斜”的磁場，而其環形山的永久陰影區中可能還蘊藏著水冰。

2011年3月17日行星科學家們都長舒了一口氣。經過15分鐘的發動機點火，美國航宇局的“信使”號水星探測器終于減速并被水星的引力束縛住。這標志著它97億千米的旅程宣告結束，而與此同時它對水星為期至少1年的在軌探測任務正式開始。

不久，來自“信使”的圖像和其他觀測結果便源源不斷地傳回了地球。到2011年9月初，它已經發回了超過40,000幅的圖像，對火星的地形和組成進行了數百萬次的測量。

這些如洪水般的數據帶給我們兩個大意外：水星表面的成分與科學家預期的有顯著差異，它的磁場和它的赤道間也存在著“錯位”。

新的觀測還給予了天文學家第一次近距離窺視水星南、北兩極區域的機會。在之前的6次飛掠（20世紀70年代中“水手”10號3次，2008年到2009年“信使”3次）中，探測器都從水星的赤道上空飛過，只拍攝了它兩極少量的低分辨率照片。“信使”在軌的初步結果支持了在某些極地環形山的深層底部可能存在水冰的觀點。

居高臨下

“信使”在一個大橢圓軌道上以12小時為周期繞水星轉動，距離水星表面最近時距離為200千米，最遠則可達15,193千米。它軌道的最低點位于水星北緯60度的上空，之所以這樣選擇部分是為了能詳細地研究巨大的卡路里斯撞擊盆地。這個盆地直徑1,550千米，是水星最大的表面特征。在“信使”軌道任務初期，卡路里斯盆地位于水星的黑夜區（水星自轉一周需要58天）。由于太陽的引力會緩慢地改變它的軌道，因此“信使”必須偶爾開動引擎來維持軌道。

飛掠和軌道圖像的比較。上圖是“信使”在第二次飛掠水星時所拍攝的北半球高緯度地區，下圖則為進入環水星軌道后所拍攝的同一區域

在不同濾光片下拍攝的水星表面。上圖使用了3種，下圖使用了8種。黃橙色的區域是相對較年輕的火山平原

水星北極地區的新影像讓這個先前只是黑白模糊色塊的區域變得清晰。它們揭示出了一個水星上最大的火山平原開闊區之一，覆蓋面積約400萬平方千米，深度幾千米。它幫助確認了火山活動在水星歷史的大多數時間里對于塑造其地殼起到了關鍵作用。

不過，行星科學家們更感興趣的是“信使”的照相機無法揭示出的東西。20年前，地球上的雷達觀測在水星的兩極發現了一些神秘的地點。這些在雷達上的亮點和外太陽系中的冰質衛星相似，許多科學家認為它們是位于太陽永遠無法照到的環形山底部的水冰。然而，有一些科學家則懷疑它們是其他的冰或者是也能產生這一雷達信號的硫元素。

其實，天文學家們在為“水星這顆最靠近太陽的行星上是否存在冰”爭論不休本身就說明了水星的特異。畢竟，水星正午時的溫度可以達到427℃。不過，它的自轉軸卻幾乎與它繞太陽公轉的軌道面垂直，因此其兩極環形山深邃的底部可能永遠也不會照進陽光。由彗星帶來的任何一種冰興許都能在那里保存數億年。

使用“信使”上的激光測高儀，天文學家已經開始測量水星北極附近一些環形山的深度。到目前為止，那些在雷達上顯得明亮的地點全具有足夠的深度，其底部都沉浸在無盡的黑暗中。由此，水星上的水冰至少過了第一道關。

未來還應該進行其他的探測，包括確定這些沉積物的成分。如果最終確定這些物質確實是水冰的話，那么水星的含量會比月球更多。

疑洞重重

在為期1年的任務中，“信使”的照相機會拍攝水星的絕大部分區域。它的大視場相機會以每個像素250米的分辨率拍攝水星表面的黑白照片。同時它還可以在11種顏色的濾光片下來審視水星，每一種濾光片能揭示出特定的成分。這些觀測將會拼接出一幅彩色的水星全球圖，其每個像素的分辨率約為1千米。

“信使”的小視場照相機則會拍攝范圍小得多的區域的黑白照片，分辨率接近每個像素10米。

科學家們會對他們感興趣的地點進行高分辨率觀測。其中之一便是在之前的飛掠過程中在一些環形山底部發現的明亮、片狀區域。“信使”發現它們是直徑從幾十米到幾千米不等、沒有邊緣的不規則坑洞，聚集在環形山的中央峰和山壁附近。在其四周甚至還分布有更為明亮的物質。

這些地貌看上去相對年輕，與之前在太陽系中其他地方看到的都不太一樣。有人懷疑它們是火山口，暗示水星的火山活動并沒有在太陽系的早期就偃旗息鼓。目前，有關它們的起源仍在爭論中。

出位磁場

一顆行星表面過去有火山活動說明其內部曾經處于熔融狀態。但是水星目前卻有強烈的證據表明，其部分的核心仍然是液態的。在太陽系的內行星中，只有水星和地球擁有全球性的磁場。天文學家認為它們是由水星和地球核心外層中的電流所產生。在“信使”之前，行星科學家就預計水星的磁場會是地球的縮小版。

但事實卻絕非如此。地球磁場的赤道和地球的赤道非常接近。但“信使”卻發現水星的磁場往北偏了480千米，相當于它半徑的20%。在這個方面，水星和土星很相近，不過后者的偏移只有其半徑的6%。這說明，水星核心中產生磁場的區域必定也發生了位移。然而，是什么造成了這一現象仍是個謎。

這個怪異的磁場也影響到了水星會如何與太陽風中的帶電粒子相互作用。相對于北極，水星南極附近的磁力線對行星際空間張得更開，這使得太陽風粒子可以更為頻繁地轟擊南極地區。它們會摻入水星稀薄的大氣并且會使得水星表面物質的顏色變深，“信使”最終將會探測到這一南北差異。

上圖顯示的是水星北極的雷達圖像，其中的亮斑可能是環形山永久陰影區中的水冰。中圖顯示的是“信使”所拍攝的同一區域和雷達圖像的合成結果，上圖中的亮斑與環形山底部吻合。下圖顯示的是對中圖里紅色圓圈中的環形山進行深度測量的結果，其最南側的底部可能存在永久陰影區

內太陽系中鉀和釷的豐度之比，水星的值要高于其他天體

水星的磁場起源自它不可思議的核心。地球核心的質量大約占了地球的三分之一，其半徑只比地球半徑一半多了一點。但水星富鐵的核心卻占據了其總質量的至少60%，它的半徑更是達到了水星半徑的四分之三。探究“為什么水星會具有這么大的一個核心”是“信使”的核心任務之一。

成分謎案

“信使”所帶來的另一個大意外是水星表面的成分出乎了天文學家的意料。“信使”上攜帶了兩臺可以用來測量水星上化學元素豐度的儀器。X射線分光儀可以測量水星表面的原子在陽光的照射下所發出的X射線。2011年太陽的活動比較活躍，因此科學家獲得了大量的數據。

γ射線和中子譜儀則可以測量高能γ射線。當來自太陽系之外的宇宙線轟擊水星表面時，它們會釋放出高能中子。后者會撞擊附近的原子，使之發出γ射線。γ射線的譜就像指紋可以識別出不同的元素。γ射線和中子譜儀已經探測到了水星上的鉀、釷和鈾。

“信使”的分光儀測量了水星的組成，發現比起地球或者月球表面的巖石水星所含的鎂要多得多，而鋁則少得多。在月球上，在其歷史早期大部分尚處于熔融狀態時，鋁便上浮到了它的表面。當巖石在地幔中部分熔融的時候，地球也經歷了一個相對較小的鋁增豐過程。水星早期必定也經歷了大范圍的熔融過程，但它所呈現出的鋁卻很少。

水星的平原也包含了意料之外的大量鈉和硫，但只有少量的鐵和鈦。水星上硫的豐度是地球或者月球的10倍，可能與火星歷史上的火山活動有關。這些初步的結果雖然讓人困惑，但它們也說明形成水星的原始物質與地球以及月球的并不相同。

不過，“信使”迄今最讓人瞠目結舌的元素豐度測量結果來自鉀和釷。水星上鉀和釷的豐度之比要高于其他任何的內行星。鉀是在相對低溫下就會蒸發的揮發性元素，而釷則正好相反。由于水星是最靠近太陽的行星，因此天文學家之前預期它所含鉀的比例會比較低。

起源未知

這些發現也使人對一些試圖解釋水星起源的理論產生了懷疑。鑒于水星有一個格外大的鐵核，一些科學家提出這是由于水星的位置所決定的。在這個理論中，水星和地球一樣吸積太陽星云中的物質，發育形成一個鐵核。但年輕的太陽之后發生了猛烈的爆發，吹散了水星的外層物質。但新的發現排除了這種可能性。

第二種觀點是，水星和地球本來就大相徑庭。這兩顆行星形成于太陽星云的不同地方，更靠近太陽的行星會通過吸積物質而長大，擁有更多的金屬。但“信使”的結果并不與之相符。

這就只剩下了一個仍然安全的理論。也許水星開始時具有更多的物質，但之后和其自身大小相當的天體發生了碰撞，致使地殼和外部地幔被剝離，僅留下了特大的鐵核。有意思的時，這個理論和月球的撞擊形成理論極為相似。

這個觀點至少和分光儀的部分發現相符，不過科學家們還需要更多的數據來證明它能適用于所有的探測結果。無論撞擊假說是否能笑到最后，行星科學家都會發展出新的理論來解釋這些觀測。

到2011年9月，“信使”已經完成了其既定1年任務的一半。然而完全分析它所傳回來的數據則需要更多的時間。這個過程就像是拼圖。其中的每一塊拼板都會帶領行星科學家更接近真相、更深入了解我們所處的太陽系。

“信使”的觀測顯示之前照片中一些環形山底部發現的明亮、片狀區域其實是直徑從幾十米到幾千米不等、沒有邊緣的不規則坑洞