水星故事 神奇篇章
水星 两年才过了一天
水星是太阳系中最小和最靠近太阳的行星。水星的轨道周期（大约88个地球日）在太阳系行星中最短。水星没有已知的天然卫星。水星的英文名字是根据罗马神灵墨丘利（它是神灵的信使）的名字来命名的。
部分原因是几乎没有大气层来保存热量，所以水星表面温度变化在太阳系行星中最大，从夜间的-173℃变到白天的427℃。但水星两极温度总是低于-93℃。水星轴倾角仅为1/30°，在太阳系行星中最小。但水星的轨道偏心率在太阳系行星中最大。水星在远日点与太阳的距离是在近日点的1.5倍。水星表面密布陨击坑，与月球颇为相似，这表明水星地质不活跃已有几十亿年。
水星通过引力，与太阳形成3比2共振。水星自旋方式在太阳系中独一无二。水星绕太阳转两圈就正好自转3圈。从太阳角度看去，每两个水星年水星才自转一圈。因此，水星上的观测者每两年才过了一天。
与金星一样，水星也在地球轨道内环绕太阳。由于此，水星只在早晨或晚上出现在地球天空中，但午夜不会出现。与金星和月球一样，从地球上看去，水星也呈现全范围的相位变化，即从月牙儿似的水星变化到完整的水星。尽管从地球上看去水星是一颗明亮天体，但由于水星太靠近太陽，使得它比金星还难看见。两艘飞行器已经造访过水星：美国宇航局的“水手10号”在1974和1975年经过水星；发射于2004年的“信使号”在4年里环绕水星超过4000次，在燃料耗尽后，它于2015年4月30日撞毁在水星表面。
水星核成分之谜
水星核的铁含量在太阳系行星中最高，科学家对此提出了多种解释。其中，接受度最高的一种理论是：水星原本拥有与球粒状陨石相似的金属-硅酸盐比例，也是太阳系岩石材料的这一典型比例。水星原来的质量是现在的大约2.25倍。在太阳系初期，一颗质量为原始水星的1/6、直径数千千米的原行星撞击水星，撞掉了水星的大部分地核和地幔，留下的星核成为水星的主要部分。一个相似的过程——巨型撞击假设，被用来解释月球的形成。
第二种理论认为，水星可能形成于太阳的能量输出稳定之前的太阳星云。水星起初质量是现在的两倍，但随着原始太阳的收缩，水星周围温度猛升，导致水星表面气化，形成的“岩石蒸汽”大气层被太阳风带走。第三种假设是，太阳星云拖曳水星正在吸积的微粒，这意味着较轻的微粒被吸走。
上述每种假设都预测了不同的水星表面构成。“信使号”发现水星表面的钾和硫含量高于预测值，表明巨型撞击假说和地壳地幔气化都不可能发生，因为钾和硫在这些情况下都会被赶走。如此看来，第三种假设才可能是合理的。然而，这方面还需要更多数据和进一步分析。
水星陨击坑 直径可达1500千米
水星陨击坑直径从小碗大小到上千千米都有。它们都出现了不同程度的退化。水星陨击坑与月球陨击坑的不同在于，前者被喷射物覆盖的面积小得多，这是因为水星的表面引力比月球强得多。
水星上已知最大的陨击坑是卡洛里斯盆地，其直径达1500千米。创生该盆地的撞击力度是如此之大，以至于引发熔岩喷发，留下一个高度超过2千米的同心环围绕陨击坑。在卡洛里斯盆地的对极（180°以外），是一大片不同寻常的多山地带——“奇异地形”。一种假说认为，“奇异地形”的起源是：卡洛里斯撞击期间产生的冲击波传遍水星，并且汇聚于卡洛里斯盆地的对极。由此产生的高应力导致水星表面裂化。另一种假说则认为，“奇异地形”的形成是喷射物汇聚于卡洛里斯盆地对极的结果。
迄今为止，在被拍摄的水星表面已经辨认出大约15个撞击盆地。其中著名的一个，是直径400千米且多环的托尔斯泰盆地，其喷射物覆盖层从其边缘延伸出去，最多达500千米。贝多芬盆地有相似规模的喷射物覆盖层。（读到这里，你也许会问：这些盆地的名字怎么会这么有意思？根据国际天文学联合会的规则，每一个新陨击坑都必须根据知名超过50年、并且在这个陨击坑被命名至少3年前死亡的艺术家的名字来命名）与月球一样，水星表面可能也引发了太空风华过程，包括太阳风和微陨星撞击。
水星观测 艰难曲折
已知最早对水星的观测，可追溯到公元前14世纪的亚述人。17世纪初，伽利略对水星进行了有史以来首次望远镜观测。虽然他观测到了金星的相位，但他的望远镜不足以观测水星的相位。1631年，法国天文学家伽桑狄首次用望远镜观测到了水星凌日，而他的观测是依据德国天文学家开普勒的预测。1639年，意大利天文学家祖皮运用望远镜发现，水星的轨道相位变化与金星和月球的相似。这一观测确凿地证明，水星是绕着太阳转的。
天文学中的一种罕有事件，是从地球上看去，一颗行星正好处在另一颗行星前方，这叫掩星。每过几个世纪，水星和金星都会相互掩星。1737年5月28日发生的金星掩盖水星的事件，是有史以来首次得到观测的这类事件，其观测者是英国天文学家贝伟思。下一次这样的事件，将出现在2133年12月3日。
观测水星有一些固有的难点，难怪与其他行星相比，水星得到的研究最少。1800年，德国天文学家施罗德观测了水星表面，声称自己看到了20千米高的山脉。另一名德国人贝塞尔运用施罗德画的水星，错误估计水星的自转周期是24小时，轴倾角为70°。19世纪80年代，意大利天文学家斯齐亚帕雷利更精确地绘制了水星图，并提出水星的自转周期是88个地球日，与水星的轨道周期是一样的，原因是潮汐锁定。这一现象被称为同步自转。意大利天文学家安东尼亚第继续绘制水星表面地图，并且在1934年发表了这些地图和他自己对水星的观测结果。水星表面的许多地貌，其命名都是根据安东尼亚第的水星地图。
1962年，苏联科学家率先从水星反射雷达信号并接收这一信号，从而开启了对水星的射电观测序幕。3年后，美国科学家运用300米阿雷西博射电望远镜，确凿无疑地证实水星的自转周期大约为59个地球日。因为水星的自转与公转同步的观点当时很流行，所以这一观测结果的宣布让天文学界大吃一惊——水星的自传与公转原来并非同步。如果水星真的被潮汐锁定，那么它的背光面会极度寒冷，但射电观测发现水星背光面比预计的要炽热得多。天文学家们不愿放弃同步自转理论，并且提出了一些替代机制（例如强力热传播风）来解释让他们惊讶的观测结果。
意大利天文学家科伦坡注意到，水星的自转周期约为轨道周期（公转周期）的2/3。他提出，水星的公转和自转周期被锁定成3比2而非1比1共振。来自“水手10号”的观测数据后来证实了这个观点。这意味着，斯齐亚帕雷利和安东尼亚第绘制的水星地图并没有错，但水星并非在同步自转。
以往基于地面的光学观测，没能够更多揭示水星。射电天文学家在微波波长运用干涉法剔除太阳辐射，辨识了水星地面下好几米的物理化学特性。直到第一部水星探测器到达水星之后，水星的许多最基本形态学特性才被知晓。此外，地面观测技术近年来进步较快。2000年，高像素成像观测解析了一些就连“水手10号”也没有拍摄到的水星表面特征。采用阿雷西博射电望远镜，水星的大部分表面都已被繪制地图，其中包括极地陨击坑中可能储藏的水冰。
前往水星 挑战多多
从地球前往水星有不少技术上的挑战，原因是水星轨道比地球轨道靠近太阳得多。从地球发射的前往水星的飞船，必须旅行超过9100万千米，以进入太阳的重力势阱。水星的轨道速度为48千米/秒，地球的这一速度为30千米/秒。因此，水星飞船为进入经过水星附近的转移轨道，就必须做出速度的大改变。在太阳势阱中下沉所释放的势能变成动能，这需要另一次很大的速度改变。为安全着陆或进入一个环绕水星的稳定轨道，完全依赖火箭发动机。由于水星大气太稀薄，因此空气制动是不可能的。前往水星之旅所需的火箭燃料比彻底逃出太阳系所需的燃料数量还要多。因此，迄今为止只有两艘飞船造访过水星。有科学家建议，采用太阳帆让飞船进入环绕太阳的水星同步轨道。然而，目前这只是纸上谈兵。
“水手10号”率先造访水星
美国宇航局的“水手10号”是造访水星的第一艘探测器（1974～1975）。它利用金星引力调整自己的轨道速度，以便让自己接近水星。这让“水手10号”成为第一艘使用引力“弹弓”效应的飞行器，也是美国宇航局第一次造访多颗行星的任务。“水手10号”提供了第一批水星表面近距离照片，它们揭示水星上密布陨击坑，还有许多其他类型的地质特征，例如巨大的峭壁。后来，科学家把这些峭壁（远看就像水星表面的皱褶）归因为：随着水星铁核冷却，水星个头也缩小了一点。
不幸的是，由于“水手10号”的轨道周期长度因素，每一次当“水手10号”近距离接近水星时，总是同样的水星半面被照亮。这导致无法对水星的两个半面都进行观测。最终，“水手10号”只绘制了水星表面的不到45%。
“水手10号”一共3次近距离靠近水星，其中最近距离是327千米以内。在第一次近距离靠近时，机载仪器探测到了一个磁场。这让行星地质学家们很惊奇——水星的自转速度很慢，不足以产生明显的发电机效应。第二次近距离接近的主要目的是拍照。在第三次近距离接近时，获得了广泛的磁场数据。这些数据显示，水星磁场与地球磁场很相似，它让水星周围的太阳风转向。水星磁场来源依然不明，但科学家对此提出了多种理论。
1975年3月24日，在最后一次近距离靠近水星之后第8天，“水手10号”的燃料耗尽。由于它的轨道不再能被精确控制，地面控制人员指令“水手10号”关闭。科学家推测，“水手10号”至今依然在环绕太阳，每几个月就靠近水星一次。
“信使号”在水星表面撞出大坑
“信使号”是美国宇航局的第二艘水星飞船，其英文名是“水星表面、太空环境、地质化学和测距”的缩写。“信使号”于2004年8月3日发射升空。2005年8月，它飞近地球借助引力。2006年10月和2007年6月，它飞近金星借助引力，把自己放进前往环水星轨道的正确路径。2008年1月14日，“信使号”第一次飞近水星。2008年10月6日，第二次飞近。2009年9月29日，第三次飞近。“水手10号”未能拍摄的水星半球的大部分，在这三次飞近过程中得到了拍摄、绘图。2011年3月18日，“信使号”成功进入一条环绕水星的椭圆形轨道。2011年3月29日，“信使号”在这条轨道中首次对水星拍照。“信使号”完成了为期1年的绘图任务后，接着进入为期1年的延长任务期，至2013年。
“信使号”任务的目的包括澄清6个重要问题：水星的高密度、水星地质历史、水星磁场本质、水星核结构、水星两极是否有冰、水星的稀薄大气层从何而来。为了达到这个目的，“信使号”搭载的成像装置能对几乎水星全球实施比“水手10号”像素高得多的拍照，搭载的多部光谱仪能测量水星地壳中多种元素的丰度，搭载的磁强计和相关装置能测量带电粒子的速度。对“信使号”轨道速度改变的测量，预计将被用来推断水星内部结构的细节。“信使号”的最后一次操作是在2015年4月24日。2015年4月30日，“信使号”坠毁于水星表面，留下一个直径估计为16米的撞击坑。
“贝皮·科伦布号”
“贝皮·科伦布号”将采用两部探测器环绕水星：其中一部为水星绘制地图，第二部则研究水星磁层。如果在2017年发射，“贝皮·科伦布号”将于2024年到达水星。它将把磁层探测器释放到一个椭圆轨道。接着，化学火箭点火，把绘图探测器送入一个圆形轨道。这两部探测器都将运作1个地球年。其中，绘图探测器搭载的光谱仪与“信使号”上的光谱仪相似，将在许多不同波长探索水星。
来源：《大自然探索》2017年第04期
