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； ； ； ； ； ； ； 【编者按】 ； ； ； ； ； ； ； “科学星期五”是科学和科学技术专栏，每周五播出，给有好奇心的人。 ； ； ； ； ； ； ； 最近三期的嘉宾是卢昌海先生，本文是关于水星系列复印件的最后一篇。 卢昌海本科就读于复旦大学物理学系，毕业后赴美留学，2000年获得美国哥伦比亚大学物理学博士学位，现在住在纽约 著《那颗星不在星图上:寻找太阳系的边界》《太阳的故事》和《雷曼猜想漫谈》《从奇点到虫洞:广义相对论研讨会》等 ； ； ； ； ； ； ； 接下来，我们来谈谈比较物理的东西。 让我先从简单的故事开始 ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； 我们超越了行星本身的范围，从更广的角度来看，一个行星是最简单的，但最重要的物理性质是质量。 之所以说“重要”，是因为行星对外显示的力量主要是重力，质量是重力的源泉 说到“简单”，因为质量是总量，不像地形那样微不足道。 而且，数值稳定，不像温度那样变化，第一，质量一般是明确的，例如地球的质量中学生也能推测——当然，前提是重力常数的数值是已知的 ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； 但是，这个“简单”对提出难题的水星来说在这里也是个问题。 因为估计行星质量的基本想法是利用行星的重力，具体法则是利用行星的重力观测物体——例如卫星——的运动 遗憾的是，水星是“光棍司令”，连卫星都没有 因此，在水星上应该很明显的质量是个问题。 ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； 当然，这个难题永远解决不了 例如，1841年，德国天文学家恩克通过分析通过水星附近天区的彗星受到的重力扰动，粗略地推算了水星的质量 例如，1968年，小行星伊卡洛斯掠过离水星600万公里的地方，天文学家们通过水星重力扰动的分解也推算了水星的质量 作为估计水星质量的其他手段，有对最近的行星金星的重力摄动、对“水手10号”行星探测器的重力摄动等 但是最正确的推算是利用成为水星“人造卫星”的“信使”水星探测器 根据一系列推算，水星的质量为33，000亿吨左右，只占地球质量的5.5%左右，是太阳系行星中最小的 ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； 另一方面，水星的大小在公元5世纪被印度天文学家用不可思议的运气推测为99%，之后用“水手10号”探测器等测量，明确为直径约4，879公里 由于自转慢，水星几乎没有自转引起的变形，整体的形状非常接近球形 根据质量和直径，水星的表面重力加速度约为3.7米/秒2，相当于地球表面重力加速度的40%左右 这意味着120斤重的人在水星上的体重只有45斤左右，有“身轻如燕”的感觉。 ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； 根据质量和直径，水星的平均密度可以计算为约5.4g/cm3 这是非常小的密度，太阳系行星中仅次于地球约5.5g/cm3 但是，由于地球的质量比水星大，因此其密度被某种程度上巨大的“自重”挤出，但如果去除该要素，地球物质的所谓“非压缩密度”其实是4.4g/cm3左右，或者在4.4g/cm3以下 与此相对，水星的质量小，因此其密度看起来更“真实”，即使去除“自重”带来的压缩作用，也达到5.0g/cm3以上 因为从简单的物质组成来说，水星是密度比地球高的行星，也是太阳系中密度最高的行星。 ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； 密度高的直接推论之一是水星含有超高比例的重元素，特别是铁和铁的化合物。 因为铁是太阳系中最常见、最多的重元素 在重力的影响下，经过数十亿年的长时间，水星的重元素大多沉入内部，构成了富含重元素的核心 从水星的密度可以推测，其中心约占总质量的75-80%，远远高于地核占地球总质量的32.5% 因此，水星地幔和地壳这样的部分在总质量中所占的比例比地球和其他种类的行星小得多，成为“皮薄馅厚”的奇怪结构 ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； 水星为什么有超高比率的重元素和“皮薄馅厚”的奇怪结构呢？ 这是给天文学家们的另一个问题，是聚焦于物理的问题 乍一看，这个主题似乎真的不容易。 太阳系形成之初，越是靠近原始太阳这个“光的源泉”的地区，温度越高，行星盘轻、容易挥发的物质有被驱动得越远的倾向，剩下的物质含有丰富的难以挥发的重元素。 这一优势在定性上与太阳系固体类地行星接近太阳、气态巨行星远离太阳的大结构基本一致 根据这个优势，离太阳最近的水星应该有最高比例的重元素 ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； 但是，虽然定性上相通，但定量上还有一点 根据计算，基于这些因素的“非压缩密度”只能达到4.5g/cm3左右，与5.0g/cm3以上的实际值相差很大 为了说明这一偏差，天文学家做出了大胆的推测:推测水星本来是比现在大得多的行星，但在进化初期不幸遭遇超碰撞，碰撞的双方分别是质量约为现在水星质量两倍的“原水星”和现在水星质量的约1 与形成这个“卡路里盆地”的碰撞相比，无数倍的超碰撞的结果不是陨石坑和“对跖点效应”，不仅会在“原水星”的成长途中“夭折”，还会给整个外层带来毁灭性的破坏，大部分物质被剥离，本来正常大小的核心。 ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； 这个推测可靠吗？ 很难说 在太阳系形成初期，超冲突的发生本身当然并不奇怪，但对于这种数十亿年前发生的灾害型的事情，寻找确凿的证据是极其困难的 这种事情的规模很大，不定因素很多，理论计算只能粗略 如果必须评价这种难以精密验证的推测，也许只能圆滑地说“希望与挑战并存”。 这个推测可以定性地说明超高比例的重元素、“皮薄馅厚”这样奇怪的结构特征，很有前途。 虽然根据这个推测，水星外层最容易剥离的挥发性物质的含量应该很少，但是“信使”水星探测器在水星外层发现了很多挥发性物质。 关于聚焦水星这个物理的难题，似乎还需要进一步探索 ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； 水星给天文学家们提出的另一个侧重于物理的课题是我们前面提到的水星磁场 那个磁场的强度只有地球磁场强度的1%左右，虽然强度很小，但对水星这样的“小头”行星还是出乎意料的 水星的磁场是怎么产生的呢？ 这也是个难题 ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； 关于天体磁场的产生，现在最流行的机理是所谓的“发电机机理”，要求天体内部存在旋转或流动的导电性流体 这对地球这样的“大块”行星和太阳这样的恒星来说是容易实现的要求，但对水星来说有点麻烦 因为水星的质量真的太小了，是可能存在发电机机制的质量最小的天体。 质量小为什么麻烦？ 这是因为天体内部导电性流体的存在需要溶解内部物质的高温环境，后者的产生依赖于天体的“自重”带来的巨大压力 因此，发电机的机理对天体的质量有一定的要求，但水星这样质量小的行星似乎很难满足要求，因此有点麻烦 ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； 为了处理麻烦，天文学家们提出了假设水星内部存在很多放射性物质(假设衰变产生的能量有助于高温环境的实现)、假设存在特殊的隔热物质防止热量散失(有助于维持高温环境)的假设 创造高温环境的另一种可能的幕后推手是水星受到太阳引力的潮汐作用，该作用在水星那样接近太阳且轨道偏心率大的行星上比较明显，使水星产生应变产生的能量 ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； 除了制造高温环境以外，降低水星内部物质的熔点也有助于导电性流体的存在 这种假设之一是水星内部某个区域的铁和其他物质(例如硫)的熔点低，被认为容易成为流体的化合物，例如硫化铁的熔点比铁低300度以上 在这个假设中，有水星密度高但没有铁高的额外利益，如果假设一部分铁与硫这样的密度低的元素构成化合物，从密度的立场来看也有合理性 ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； 当然，上述假设不是相互排斥，而是有可能共同发挥作用 除了发电机的机理以外，还有天文学家推测现在水星的磁场是过去存在的磁场的残留 这种推测的好处是，不需要假设水星内部现在也存在导电流体，不需要为找到这种存在的理由而煞费苦心 缺点是水星的磁场弱，但作为剩下的磁场似乎太强了 ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； 真正的答案是什么？ 目前还不知道 确实，我们知道，所有这些水星磁场的假设和推测都依赖于水星内部的物质分布，后者依赖于水星的更详细的观测而间接推测 现在，在这种观测数据匮乏的情况下，无法推测唯一的模型，无法确立模型的可靠性，这不足为奇 ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； 关于水星介绍到了这里。 没有空气，没有热，没有冷。 是水星环境的第一标志。 这样的环境确实是“糟糕”，但在行星的大世界不是糟糕。 其实，与邻居和远离太阳的金星相比，水星的环境已经很好了。 ； ； ； (本文来自澎湃信息，越来越多的原始信息请下载《澎湃信息》app )
