11 水星身世之
上一章，我們講述了信使號飛往水星的曲折曆程，以及在水星上找到水冰的故事。這個發現在當時非常轟動，例如著名的《赫芬頓郵報》 （The Huffington Post）的新聞標題是《2012科學年：鼓舞人心的重大發現》(1)。《國際商業時報》上的標題是《2012年最偉大的太空故事》(2)。不過，信使號的精彩故事隻是剛剛開始。
對於大多數普通人來說，水星上有沒有水這個問題是最吸引人的，簡單好懂。但是，對於大多數資深天文愛好者來說，信使號的另外一項使命更值得關注，那就是探究水星的身世之謎。通俗點說，就是水星這顆星球到底是怎麽形成的，在它形成的過程中都發生了什麽大事件。
為了更好地理解信使號的任務和新發現，我們簡要回顧一下水星身世謎題的曆史，這是真正的“世界未解之謎”。
在金、木、水、火、土這五大行星中，絕大多數人可能一生都沒有看到水星，因為水星是內太陽係距離太陽最近的一顆行星。或許你一下子還沒反應過來，為啥距離太陽近就不容易被觀測到呢？我想請你在腦子中複現一個太陽係的模型，想一下，外太陽係的行星處在地球公轉軌道的外側，所以它們都可以在晚上被我們看見。而內太陽係的兩顆行星——金星和水星，永遠都不可能轉到地球的背陽麵去，它們一定是和太陽同升同落的。所以，隻能在黃昏和傍晚的時候，利用一點點的時間差看到它們。而距離太陽越近，與太陽同升同落的時間差就越小。水星離太陽不到0.4天文單位，可以說是非常近了，因此，它隻在淩晨和傍晚出現非常短暫的時間，稍不留意就被錯過了。在人類曆史上，有很長的一段時間，我們以為早上和晚上出現的水星是兩顆不同的行星。在中西方的星象學中，水星倒是被重點照顧的對象，因為它相對來說最“神出鬼沒”。
按理說，處於內太陽係的水星距離地球是很近的，我們應該對水星有著較深的了解才對，然而事實正好相反，在太陽係中，我們了解得最少的行星就是水星。在信使號到達水星之前，我們對水星的了解甚至還不如距離最遠的海王星多。
比如行星的質量，這是最基礎的數據之一，但是天文學家對水星的質量測定一直不滿意。我們隻知道水星雖然個頭很小，但相對質量很大，它的密度明顯高於太陽係的其他行星。
根據行星形成的經典理論，行星是塵埃雲在萬有引力的作用下逐漸坍縮形成的。那麽在理論上，大家的密度應該都差不多。假如經典理論是正確的，那麽該如何解釋水星明顯偏高的密度呢？關於這個問題，有很多假說，其中接受度最高的就是水星其實是一顆行星的內核，它的外層出於某些原因被剝離了。那麽，到底是什麽原因導致水星的外殼被剝離了？或者說，這個外殼剝離假說是否靠譜呢？這是天文學家們想解開的謎題之一。
但這還不是最大的謎題。1974年，飛掠水星的探測器水手10號發現，水星上存在著微弱的磁場，盡管隻有地球磁場的1%，但這個發現在當時非常轟動，因為它又牽出了水星的另一個謎題：水星的磁場是怎麽產生的？
關於天體磁場的產生，最主流的理論就是行星發電機理論。這個理論要求行星內部必須存在一個持續旋轉或者對流著的導電流體。地球的磁場就來自不斷對流著的熾熱的外核。但是，按照水星的體積計算，水星的內核應該早就已經冷卻了。而一顆冷卻凝固的行星就應該像一塊大石頭，是沒理由產生磁場的。
科學家們認為，唯一合理的解釋隻能是水星的內核沒有凝固，現在仍然處於熔融狀態。但這個解釋同樣令科學家們感到費解，這麽小的體積怎麽能幾十億年都不冷卻呢？其實，要想確定一顆行星的地殼下麵是否存在液態物質，有一個比較簡單的測定方法，就是測定水星自轉的穩定性。
你可以做一個實驗，分別轉起一個生雞蛋和熟雞蛋。你會發現煮熟的雞蛋會旋轉得很快，而且轉速均勻。而生雞蛋因為受到裏麵蛋液的影響，旋轉起來會比較困難，自轉軸不穩，轉速也不均勻。
所以，要想確定水星的內核到底是不是液態的，我們可以精確測量水星的自轉速度。如果它的自轉速度是絕對均勻的，那麽就可以認為水星是一個固體的石頭球。反之，它的地殼下麵就一定藏著一些液態物質。
行星科學家們當然明白這個道理，可是，真正的問題是，如何才能精確測量到水星的自轉速度變化呢？在很長一段時間裏，大家都沒能找到合適的技術方案。
2002年，康奈爾大學的行星科學家讓-盧克·馬格特（Jean-Luc Margot）想出了一個絕妙的主意。他讓位於加利福尼亞的哥德斯通（Goldstone）射電望遠鏡向水星發射一個強信號，然後讓位於西弗吉尼亞州的綠岸射電天文望遠鏡與哥德斯通射電望遠鏡一起接收從水星反射回來的雷達波。通過接收到的時間差，就能計算出水星的自轉速度。這兩台望遠鏡剛好位於美國的最東邊和最西邊，這樣的設計極大地提高了測量精度。(3)
即便如此，測量的精度依然不太理想。馬格特領導的雷達小組足足用了5年時間，才拿到足夠的數據，證明水星確實是一顆“生雞蛋”。馬格特在宣布最終的結論時說：“我們有超過95%的置信度相信，水星必定擁有一個熔化或者部分熔化的內核。”(4)
科學的特點是刨根問底。既然知道了水星有一個液態內核，那麽科學家們自然就要繼續追問：這個液態內核到底是如何形成的呢？馬格特的研究小組認為，最有可能的解釋就是水星的內核中很可能混合著一些類似於硫的輕元素(5)。比如，硫化鐵的熔點就要比鐵低300多攝氏度，如果水星的核心中含有豐富的硫元素，那麽確實有可能現在仍然保持液態。
但是，這個假說也同樣麵臨挑戰。因為水星的軌道距離太陽太近了，大量的輕元素會在太陽形成之初就氣化並向外逃逸。在水星當前的位置，是不可能有那麽多硫元素存在的。
而且，這個假說與經典的行星誕生理論格格不入，甚至可以稱得上是背道而馳了。經典的行星形成理論認為，行星的原始核心，是由環繞在恒星周圍的旋渦盤中的氣體和塵埃在引力的作用下逐漸聚合而成的。在距離太陽較近的水星軌道上，到處都是鐵、鎳、矽之類的重元素，而硫這樣容易揮發的輕元素，必須到火星軌道以外的地方才會聚集和凝固起來，因為那裏才比較涼爽。
不管怎麽說，肯定有什麽事情被搞錯了。要麽水星的內核中根本沒有那麽多的硫元素，要麽水星就不是在現在的軌道上形成的。在科學麵前，真相隻能有一個。
水星的繞日軌道似乎也說明水星並不是在原地形成的。水星的公轉軌道是一個偏心率很大的橢圓。水星距離太陽最遠的時候，距離是近日點的1.5倍。這樣奇怪的軌道，一個比較方便的解釋是，水星在形成初期遭到過其他行星的撞擊，把它的軌道給撞偏了。
但是，反對這一假說的科學家們認為，能夠形成偏心率如此大的橢圓軌道，撞擊的劇烈程度可想而知，水星是如何在劇烈的撞擊中全身而退的，而撞擊形成的碎塊又去了哪裏呢？他們認為，水星確實有可能遭到過撞擊，但撞擊的發生地點並不在水星的軌道上。水星很可能在距離太陽更遠的位置，比如說火星的軌道附近發生了撞擊，而水星則在撞擊中被推離了自己的軌道，向著太陽飛去。
這個假說很好地解釋了水星的軌道偏心率問題，確實很迷人。但是，非同尋常的主張需要非同尋常的證據。在科學研究中，證明或者證偽一個假說，往往是難度最高的一類研究。像尋找水冰的這類研究，隻要收集到足夠多的數據，就可以形成實錘的鐵證。但想要研究水星的起源，卻要困難得多。每一個新的證據都有可能對已有的假說提出新的挑戰。科學家們必須不斷修正自己的猜想，並且設計新的探測任務來獲取更多數據才行。
這項艱巨的任務，自然就落在了信使號的肩膀上。
2011年3月18日是信使號正式泊入水星軌道的日子。從這一天開始，水星就是一顆擁有衛星的行星了。信使號會利用自身的軌道和速度變化來推算水星的質量。經過精細的測量，我們得到了水星的精確質量：3300億億噸。水星的直徑也被刷新了測量精度，為4879.4千米。
通過質量和體積的測量值，我們可以算出，水星的平均密度是5.4克／立方厘米，遠高於理論計算值。水星的身世的確不尋常。
信使號的一項重要任務是探測水星上的硫元素。我們知道信使號是一個軌道探測器，它不可能真的去鏟一勺水星上的土樣去分析，隻能依靠隨身攜帶的中子譜儀，在高空檢測那些從水星表麵逃逸出來的原子和離子。
2014年4月20日，信使號探測器完成了環繞水星的第3000圈繞轉。此時的它，已經完成了基礎任務以及兩次延長任務中的絕大部分工作。但是，科學家們對水星地殼元素豐度的數據精度依然不太滿意。別忘了，這可是關係到水星磁場之謎的重要數據，也是信使號此行的重要目的之一。
不入虎穴，焉得虎子。隻有進一步接近水星，才有可能讓所有遙感儀器的性能發揮到極致，獲得更高精度的觀測數據。
信使號首席科學家西恩·所羅門對於信使號的低軌道任務相當興奮。他說：“這是信使號最後的任務，也是一個全新的挑戰。我們將會對水星的磁場、重力場以及水星表麵輻射出的粒子環境進行新一輪的高精度觀測。我們相信，水星一直以來隱藏的那些秘密，最終都會被信使號揭開。”(6)
信使號的飛行高度越低，對水星上揮發出元素的檢測敏感度就越高。信使號發現，水星是一顆正在烈日下快速揮發著的行星。當信使號飛過陽光炙烤著的水星表麵時，攜帶的中子譜儀檢測到大量的揮發性元素從水星表麵逃逸出來，正是這些揮發出來的物質構成了水星上極其稀薄的大氣層。
探測結果顯示，水星上確實存在著極其豐富的硫、氯、鉀、鈉等元素。科學家推測，水星誕生的位置很可能是一個更加遠離太陽的地方。通過計算，科學家們認為，水星極有可能誕生在距離太陽1.7億千米的地方。這個位置位於地球與火星的軌道之間。
信使號的這些新發現為“水星是一顆被剝去外殼的行星核心”的猜想提供了更有力的證據。比較重的元素——鐵，在水星生成之初就沉入了水星的最深處，形成了一個固態的內核，而一些不太容易凝固的鐵的硫化物則形成了水星的外核。最外層的較輕的物質則在一次行星大衝撞中被剝離了。這就是水星平均密度偏大的原因。
要想進一步證實這個猜想，我們必須把水星的內部構造搞清楚才行。大家可以想一想，如何能夠在不觸碰一顆星球的前提下來探索它的內部結構呢？我估計認真看過第7章《恩克拉多斯的噴泉》的讀者已經猜到了方法。沒錯，答案就是，利用信使號的飛行速度和軌道變化來實施探測。
我們知道，一顆星球的地殼、地幔和地核都有著不同的密度。如果我們讓信使號繞著水星飛行的軌道越來越低，就能夠檢測到不斷變化的水星引力。引力的變化反過來還會影響信使號的軌道高度和飛行速度。憑借這些變化的數據，科學家就有辦法知道水星的內部結構了。
2015年3月25日，已經在水星軌道上服役了整整4年的信使號(7)終於完成了它對水星的第4000圈環繞飛行。不過，信使號每環繞水星一圈，就要完成一次遠離太陽的飛行。在太陽引力的反複擾動下，信使號的繞轉速度也在逐漸變慢。信使號正在加速墜向水星。
負責水星結構探測任務的科學家安東尼奧·熱諾瓦（Antonio Genova）和他的團隊(8)將信使號返回的數據套入一個複雜的數學模型，通過反複調整模型的各項參數，他們嚐試著將模型與信使號繞水星旋轉的加速度數據匹配起來。信使號提供的數據越豐富，這個模型的準確度就會越高。
2015年4月6日，信使號點燃了發動機，開始了第15次機動變軌。但是，任務才剛剛開始，意外就突然降臨了。信使號反饋：用於變軌的肼（jǐng）推進劑提前耗盡，無法完成變軌任務。好在設計信使號的時候，設計人員就留了個心眼，當肼推進劑耗盡後，用來給推進劑加壓的氦氣會自動從噴口噴出。在氦氣的輔助下，信使號勉強完成了變軌動作，但實際飛行高度隻有28千米，比預期低了10千米。這個意外讓信使號很可能會在10天內墜毀。
於是，信使號的運營團隊經理托馬斯·沃特斯（Thomas Watters）緊急召開會議，會議的目的就是重新安排信使號後續的飛行計劃，希望能夠盡可能地延長信使號的服役時間。
信使號越是接近水星，它收集到的信息就越寶貴。在燃料徹底耗盡後，信使號的運營團隊又利用僅存的一點點氮氣，完成了5次動作較小的機動變軌，一次次地推遲著信使號墜毀的最後時間，而注定要隕落的信使號也在爭分奪秒地將珍貴的數據發回地球。
信使號最後幾個星期的超低空飛行為研究團隊提供了完美的數據，讓科學家有機會對水星的內部結構進行最精確的計算和匹配。
最終的研究結果表明，水星內部有一個直徑2000千米的固態內核，在固態內核的外圍，包裹著厚度約為1000千米的液態外核。水星的微弱磁場就是這個液態外核產生的。直徑4879.4千米的水星，卻擁有著一個直徑約3000千米的超大核心，這實在讓人驚訝。要知道，地球的核心隻占地球體積的15%而已。
這個超大水星內核的發現，為前麵提到的撞擊假說提供了有力的佐證。科學家們根據模擬計算推測，這個與水星相撞的天體很可能是另一個正在形成的行星胚胎，它的質量大約是水星碰撞前質量的1/6。碰撞過程有點像剝雞蛋殼：我們用不大不小的力量從各個角度把雞蛋殼敲碎，然後把雞蛋殼剝落下來。
溫和且連續的撞擊方式很重要。因為如果撞擊過於激烈，就會產生太多的熱量，這些熱量會導致硫、鉀、鈉等輕元素受熱揮發而向外太陽係逃逸。如果撞擊太輕，則無法剝離水星的外殼，甚至連撞擊者都有可能被水星俘獲。
早期的太陽係中，在同一條行星軌道附近，很可能會同時形成很多個行星核心。這些行星核心不可避免地發生著碰撞。水星也有可能是多個行星胚胎互相碰撞的結果。在碰撞中，水星被剝離了大量的表層物質後，改變了自身的軌道，向著太陽飛去，並在距離太陽最近的地方穩定了下來。
由於距離太陽太近，水星注定不可能永久性地擁有一顆自己的衛星。水星的衛星要麽落入太陽焚燒成灰燼，要麽投向水星的懷抱。
從信使號出發的那一天起，它的命運就是注定的，這是一次必然以“自殺”而終結的冒險旅程。2015年4月30日，在水星表麵坐標東經210°、北緯54°的地方，一股巨大的煙塵無聲騰起，然後又緩緩地四散落下。塵埃落定之後，那裏出現了一個新的隕石坑。信使號終於完成了自己的使命，把自己葬在了母星的懷抱，這恐怕是它最好的歸宿。
信使號的努力，終於把我們對水星的了解提高到了與金星和火星相同的水平上。在我們眼裏，水星不再是一塊冷冰冰的球形岩石，它有大氣、火山、磁場，還有水冰。更重要的是，水星正等著我們繼續抽絲剝繭，探尋它謎一樣的身世。
(1)Year In Science 2012: Inspiring Discoveries & Important Events (PHOTOS) , https://www.huffpost.com,Dec. 27, 2012.
(2)Roxanne Palmer, Curiosity On Mars, Sugar In Space and Ice On Mercury: Biggest Space Stories Of 2012, https://www.ibtimes.com, Dec. 28, 2012.
(3)Ker Than, Surprise Slosh! Mercury’s Core is Liquid, space.com, May 03, 2007.
(4)Michelle Thaller, A Closer Look at Mercury’s Spin and Gravity Reveals the Planet’s Inner Solid Core,https://www.nasa.gov, April 17, 2019.
(5)輕元素：原子序數10至20的元素，分別為氖、鈉、鎂、鋁、矽、磷、硫、氯、氬、鉀、鈣。
(6)MESSENGER Completes Its 3,000th Orbit of Mercury, Sets Mark for Closest Approach, https://messenger.jhuapl.edu, Apr. 21, 2014.
(7)信使號2011年3月泊入水星軌道。
(8) Michelle Thaller, A Closer Look at Mercury’s Spin and Gravity Reveals the Planet’s Inner Solid Core,https://www.nasa.gov/, Apr. 17, 2019.