水星：冰与火的行星

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“信使”水星探测器最新发现水星包含有意料之外的成分和“歪斜”的磁场，而其环形山的永久阴影区中可能还蕴藏着水冰。

2011年3月17日行星科学家们都长舒了一口气。经过15分钟的发动机点火，美国宇航局的“信使”号水星探测器终于减速并被水星的引力束缚住。这标志着它97亿千米的旅程宣告结束，而与此同时它对水星为期至少1年的在轨探测任务正式开始。

[图片说明]：在不同滤光片下拍摄的水星表面。上图使用了3种，下图使用了8种。黄橙色的区域是相对较年轻的火山平原。版权：NASA/JHU/APL/CIW。

不久，来自“信使”的图像和其他观测结果便源源不断地传回了地球。到2011年9月初，它已经发回了超过40,000幅的图像，对火星的地形和组成进行了数百万次的测量。

这些如洪水般的数据带给我们两个大意外：水星表面的成分与科学家预期的有显著差异，它的磁场和它的赤道间也存在着“错位”。

新的观测还给予了天文学家第一次近距离窥视水星南、北两极区域的机会。在之前的6次飞掠（20世纪70年代中“水手”10号3次，2008年到2009年“信使”3次）中，探测器都从水星的赤道上空飞过，只拍摄了它两极少量的低分辨率照片。“信使”在轨的初步结果支持了在某些极地环形山的深层底部可能存在水冰的观点。

[图片说明]：“信使”在环绕水星的轨道上所拍摄的相对于黑色太空背景的水星南半球边缘。版权：NASA/JHU/APL/CIW。

居高临下

“信使”在一个大椭圆轨道上以12小时为周期绕水星转动，距离水星表面最近时距离为200千米，最远则可达15,193千米。它轨道的最低点位于水星北纬60度的上空，之所以这样选择部分是为了能详细地研究巨大的卡路里斯撞击盆地。这个盆地直径1,550千米，是水星最大的表面特征。在“信使”轨道任务初期，卡路里斯盆地位于水星的黑夜区（水星自转一周需要58天）。由于太阳的引力会缓慢地改变它的轨道，因此“信使”必须偶尔开动引擎来维持轨道。

水星北极地区的新影像让这个先前只是黑白模糊色块的区域变得清晰。它们揭示出了一个水星上最大的火山平原开阔区之一，覆盖面积约400万平方千米，深度几千米。它帮助确认了火山活动在水星历史的大多数时间里对于塑造其地壳起到了关键作用。

不过，行星科学家们更感兴趣的是“信使”的照相机无法揭示出的东西。20年前，地球上的雷达观测在水星的两极发现了一些神秘的地点。这些在雷达上的亮点和外太阳系中的冰质卫星相似，许多科学家认为它们是位于太阳永远无法照到的环形山底部的水冰。然而，有一些科学家则怀疑它们是其他的冰或者是也能产生这一雷达信号的硫元素。

其实，天文学家们在为“水星这颗最靠近太阳的行星上是否存在冰”争论不休本身就说明了水星的特异。毕竟，水星正午时的温度可以达到427℃。不过，它的自转轴却几乎与它绕太阳公转的轨道面垂直，因此其两极环形山深邃的底部可能永远也不会照进阳光。由彗星带来的任何一种冰兴许都能在那里保存数亿年。

使用“信使”上的激光测高仪，天文学家已经开始测量水星北极附近一些环形山的深度。到目前为止，那些在雷达上显得明亮的地点全具有足够的深度，其底部都沉浸无尽的黑暗中。由此，水星上的水冰至少过了第一道关。

未来还应该进行其他的探测，包括确定这些沉积物的成分。如果最终确定这些物质确实是水冰的话，那么水星的含量会比月球更多。

[图片说明]：飞掠和轨道图像的比较。上图是“信使”在第二次飞掠水星时所拍摄的北半球高纬度地区，下图则为进入环水星轨道后所拍摄的同一区域。版权：NASA/JHU/APL/CIW。

疑洞重重

在为期1年的任务中，“信使”的照相机会拍摄水星的绝大部分区域。它的大视场相机会以每个像素250米的分辨率拍摄水星表面的黑白照片。同时它还可以在11种颜色的滤光片下来审视水星，每一种滤光片能揭示出特定的成分。这些观测将会拼接出一幅彩色的水星全球图，其每个像素的分辨率约为1千米。

“信使”的小视场照相机则会拍摄范围小得多的区域的黑白照片，分辨率接近每个像素10米。

科学家们会对他们感兴趣的地点进行高分辨率观测。其中之一便是在之前的飞掠过程中在一些环形山底部发现的明亮、片状区域。“信使”发现它们是直径从几十米到几千米不等、没有边缘的不规则坑洞，聚集在环形山的中央峰和山壁附近。在其四周甚至还分布有更为明亮的物质。

这些地貌看上去相对年轻，与之前在太阳系中其他地方看到的都不太一样。有人怀疑它们是火山口，暗示水星的火山活动并没有在太阳系的早期就偃旗息鼓。目前，有关它们的起源仍在争论中。

[图片说明]：“信使”的观测显示之前照片中一些环形山底部发现的明亮、片状区域其实是直径从几十米到几千米不等、没有边缘的不规则坑洞。版权：NASA/JHU/APL/CIW。

出位磁场

一颗行星表面过去有火山活动说明其内部曾经处于熔融状态。但是水星目前却有强烈的证据表明，其部分的核心仍然是液态的。在太阳系的内行星中，只有水星和地球拥有全球性的磁场。天文学家认为它们是由水星和地球核心外层中的电流所产生。在“信使”之前，行星科学家就预计水星的磁场会是地球的缩小版。

但事实却绝非如此。地球磁场的赤道和地球的赤道非常接近。但“信使”却发现水星的磁场往北偏了480千米，相当于它半径的20%。在这个方面，水星和土星很相近，不过后者的偏移只有其半径的6%。这说明，水星核心中产生磁场的区域必定也发生了位移。然而，是什么造成了这一现象仍是个谜。

这个怪异的磁场也影响到了水星会如何与太阳风中的带电粒子相互作用。相对于北极，水星南极附近的磁力线对行星际空间张得更开，这使得太阳风粒子可以更为频繁地轰击南极地区。它们会掺入水星稀薄的大气并且会使得水星表面物质的颜色变深，“信使”最终将会探测到这一南北差异。

水星的磁场起源自它不可思议的核心。地球核心的质量大约占了地球的三分之一，其半径只比地球半径一半多了一点。但水星富铁的核心却占据了其总质量的至少60%，它的半径更是达到了水星半径的四分之三。探究“为什么水星会具有这么大的一个核心”是“信使”的核心任务之一。

成分谜案

“信使”所带来的另一个大意外是水星表面的成分出乎了天文学家的意料。“信使”上携带了两台可以用来测量水星上化学元素丰度的仪器。X射线分光仪可以测量水星表面的原子在阳光的照射下所发出的X射线。2011年太阳的活动比较活跃，因此科学家获得了大量的数据。

γ射线和中子谱仪则可以测量高能γ射线。当来自太阳系之外的宇宙线轰击水星表面时，它们会释放出高能中子。后者会撞击附近的原子，使之发出γ射线。γ射线的谱就像指纹可以识别出不同的元素。γ射线和中子谱仪已经探测到了水星上的钾、钍和铀。

[图片说明]：上图显示的是水星北极的雷达图像，其中的亮斑可能是环形山永久阴影区中的水冰。中图显示的是“信使”所拍摄的同一区域和雷达图像的合成结果，上图中的亮斑与环形山底部吻合。下图显示的是对中图里红色圆圈中的环形山进行深度测量的结果，其最南侧的底部可能存在永久阴影区。版权：NASA/JHU/APL/CIW。

“信使”的分光仪测量了水星的组成，发现比起地球或者月球表面的岩石水星所含的镁要多得多，而铝则少得多。在月球上，在其历史早期大部分尚处于熔融状态时，铝便上浮到了它的表面。当岩石在地幔中部分熔融的时候，地球也经历了一个相对较小的铝增丰过程。水星早期必定也经历了大范围的熔融过程，但它所呈现出的铝却很少。

水星的平原也包含了意料之外的大量钠和硫，但只有少量的铁和钛。水星上硫的丰度是地球或者月球的10倍，可能与火星历史上的火山活动有关。这些初步的结果虽然让人困惑，但它们也说明形成水星的原始物质与地球以及月球的并不相同。

不过，“信使”迄今最让人瞠目结舌的元素丰度测量结果来自钾和钍。水星上钾和钍的丰度之比要高于其他任何的内行星。钾是在相对低温下就会蒸发的挥发性元素，而钍则正好相反。由于水星是最靠近太阳的行星，因此天文学家之前预期它所含钾的比例会比较低。

[图片说明]：内太阳系中钾和钍的丰度之比，水星的值要高于其他天体。版权：NASA/JHU/APL/CIW。

起源未知

这些发现也使人对一些试图解释水星起源的理论产生了怀疑。鉴于水星有一个格外大的铁核，一些科学家提出这是由于水星的位置所决定的。在这个理论中，水星和地球一样吸积太阳星云中的物质，发育形成一个铁核。但年轻的太阳之后发生了猛烈的爆发，吹散了水星的外层物质。但新的发现排除了这种可能性。

第二种观点是，水星和地球本来就大相径庭。这两颗行星形成于太阳星云的不同地方，更靠近太阳的行星会通过吸积物质而长大，拥有更多的金属。但“信使”的结果并不与之相符。

这就只剩下了一个仍然安全的理论。也许水星开始时具有更多的物质，但之后和其自身大小相当的天体发生了碰撞，致使地壳和外部地幔被剥离，仅留下了特大的铁核。有意思的时，这个理论和月球的撞击形成理论极为相似。

这个观点至少和分光仪的部分发现相符，不过科学家们还需要更多的数据来证明它能适用于所有的探测结果。无论撞击假说是否能笑到最后，行星科学家都会发展出新的理论来解释这些观测。

到2011年9月，“信使”已经完成了其既定1年任务的一半。然而完全分析它所传回来的数据则需要更多的时间。这个过程就像是拼图。其中的每一块拼板都会带领行星科学家更接近真相、更深入了解我们所处的太阳系。