科学星期五︱卢昌海：有超高比例重元素却“皮薄馅厚”的水星

        【编者按】

        “科学星期五”是一档关于科学和科技的栏目，逢周五播出，给有好奇心的人。

        最近三期嘉宾是卢昌海先生，本文是关于水星系列文章的最后一篇。卢昌海本科就读于复旦大学物理系，毕业后赴美留学，于2000年获美国哥伦比亚大学物理学博士学位，目前旅居纽约。著有《那颗星星不在星图上：寻找太阳系的疆界》《太阳的故事》和《黎曼猜想漫谈》《从奇点到虫洞：广义相对论专题选讲》等。

        接下来再谈点比较物理的东西——先从简单的谈起。        

        当我们越出行星本身的范围，用更广的视角来看，一个行星最简单、但也算得上最重要的物理性质乃是质量。说它“重要”，是因为行星对外显示的力量主要是引力，而质量是引力的源泉。说它“简单”，则是因为质量是一个总量，不像地貌那样琐碎；而且数值稳定，不像温度那样多变；更主要的是，质量通常是很容易确定的，比如地球的质量是中学生都能推算的——当然，前提是万有引力常数的数值已知。        

        不过这种“简单”到了擅出难题的水星这里也变成了难题，因为测算行星质量的基本思路是利用行星的引力，具体方法则是观测在行星引力作用下物体——比如卫星——的运动。不幸的是，水星却是一位“光杆司令”，连一颗卫星都没有。因此，本该很容易确定的质量在水星这里变成了难题。        

        当然，这难题绝非无解。比如1841年，德国天文学家恩克率先通过分析一颗经过水星附近天区的彗星所受的引力摄动，对水星质量进行了粗略测算。又比如1968年，小行星伊卡洛斯从距离水星1,600万公里处掠过，天文学家们通过对它所受水星引力摄动的分析，也对水星质量进行了测算。测算水星质量的其它手段还包括利用其对离它最近的行星——金星——的引力摄动，以及利用其对“水手10号”行星探测器的引力摄动等。但最精确的测算，则是利用已成为水星“人造卫星”的“信使号”水星探测器。经过一系列测算，水星的质量被确定为33,000亿亿（3.3×1020）吨左右，仅相当于地球质量的5.5%左右，在太阳系行星之中是最小的。        

        另一方面，水星的大小早在公元5世纪就被一位印度天文学家以不可思议的运气估算到了99%的精度，此后经“水手10号”探测器等的测定，被确定为了直径约4,879公里。由于自转缓慢，水星几乎不存在因自转造成的形变，从而总体形状非常接近球形。由质量和直径不难计算出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，一个120斤重的人在水星上的的体重仅为45斤左右，会有“身轻如燕”的感觉。        

        由质量和直径还可计算出水星的平均密度约为5.4克/厘米3。这是一个非同小可的密度，在太阳系行星中仅次于地球的约5.5克/厘米3。但是，地球由于质量比水星大得多，其密度在一定程度上是被巨大的“自重”压出来的，若把这一因素剔除，地球物质的所谓“非压缩密度”其实只有4.4克/厘米3左右，甚至更低。相比之下，水星由于质量小，其密度显得更“货真价实”，哪怕剔除掉“自重”造成的压缩作用，也仍高达5.0克/厘米3以上。因此，从单纯的物质组成来讲，水星其实是一个密度比地球更大的行星，也是太阳系中密度最大的行星。        

        密度这么大的一个直接推论就是水星上含有超高比例的重元素，尤其是铁或铁的化合物——因为铁是太阳系中最常见、数量最多的重元素。在重力影响下，经过几十亿年的漫长时光，水星上的重元素大都沉入内部，构成了一个富含重元素的核心。从水星的密度可以推知，它的这一核心约占总质量的75-80%左右，远高于地核占地球总质量的32.5%的比例。相应地，水星的类似地幔和地壳的部分在总质量中所占的比例则比地球及其它类地行星小得多，堪称是一种“皮薄馅厚”的奇特结构。        

        水星为什么会有超高比例的重元素及“皮薄馅厚”的奇特结构呢？这是它给天文学家们出的又一道难题——一道侧重物理的难题。初看起来，这题目似乎并非真的很难，因为太阳系形成之初，离原始太阳这一“光明的源泉”越近的区域温度越高，从而使得行星盘中较轻的、易挥发的物质倾向于被驱离到远处，留下来的则富集了不易挥发的重元素。这个特点在定性上与太阳系中固态的类地行星离太阳近，气态的巨行星离太阳远的大格局基本一致。按照这个特点，离太阳最近的水星理应有最高比例的重元素。        

        不过，定性上虽能说通，定量上却还差点。计算表明，由上述因素所产生的“非压缩密度”只能达到4.5克/厘米3左右，与5.0克/厘米3以上的实际值尚有不小的偏差。为了解释这一偏差，一些天文学家做出了一个大胆的猜测：猜测水星原本是一个比现在大得多的行星，只是在演化的早期不幸遭遇了一次超级撞击，撞击的双方分别为质量约为目前水星质量两倍的“原水星”和一个质量约为目前水星质量1/5的“大陨石”。这种比形成“卡洛里盆地”的撞击还要恐怖无数倍的超级撞击的后果可就不是什么陨石坑，或“对跖点效应”了，它不仅使“原水星”的成长中途“夭折”，而且还对整个外层造成了毁灭性破坏，大部分物质惨遭剥离，使原本正常大小的核心相对于残存的外层来说变得异乎寻常的大。        

        这种猜测可靠吗？实在很难说。在太阳系形成的早期，超级碰撞的发生本身当然不是不可思议的，但对于这种发生在几十亿年前的灾变型事件，想寻找确凿证据却是极其困难的。而这种事件的规模之剧烈，不定因素之众多，又使得理论计算注定只能是粗略的。如果一定要对这种难以精密验证的猜测进行评价的话，也许只能耍滑地说上一句“希望与挑战并存”：这种猜测能定性地解释诸如超高比例的重元素、“皮薄馅厚”的奇特结构那样的特征，从而是有希望的；但它也面临一些挑战，比如按这种猜测，水星外层最易被剥离的挥发性物质的含量应该微乎其微，但“信使号”水星探测器却在水星外层发现了数量较多的挥发性物质。看来，关于水星的这道侧重物理的难题还有待进一步探索。        

        水星给天文学家们出的另一道侧重物理的难题则是我们前面提到过的水星的磁场。那磁场的强度只有地球磁场强度的1%左右，但强度虽小，它出现在像水星这样“小块头”的行星上却仍然是出乎意料的。水星的磁场是如何产生的呢？这也是一道难题。        

        关于天体磁场的产生，目前最流行的机制是所谓的“发电机机制”，它要求天体内部存在旋转或对流着的导电流体。这对于像地球这样“大块头”的行星或像太阳那样的恒星来说是轻而易举就能实现的要求，但对水星来说却有点麻烦。因为水星的质量实在太小了一点，是被假设有可能存在发电机机制的质量最小的天体。质量小为什么有麻烦呢？这是因为天体内部导电流体的存在需要一个能熔化内部物质的高温环境，而后者的产生又通常有赖于天体“自重”带来的巨大压强。因此，发电机机制对天体质量有一定的要求，而像水星这样质量较小的行星似乎难以满足要求，从而有点麻烦。        

        为了解决麻烦，天文学家们提出了一些假设，比如假设水星内部存在较多的放射性物质（它们衰变产生的能量有助于实现高温环境），或假设存在特殊的隔热物质防止热量散失（从而有助于维持高温环境）。造就高温环境的另一种可能的幕后推手是水星所受太阳引力的潮汐作用，这种作用对于像水星这样离太阳近，而且轨道偏心率大的行星是比较显著的，它会使水星因形变而产生能量。        

        除了造就高温环境外，降低水星内部物质的熔点也有助于导电流体的存在。这方面的一种假设是认为水星内部某些区域的铁与其他物质（比如硫）组成了熔点较低——从而更容易成为流体——的化合物，比如硫化铁——它的熔点比铁低300多度。这种假设有一个额外的好处，就是水星的密度虽然很高，却也没有高到铁的程度，假设一部分铁与像硫那样密度较低的元素组成化合物，从密度角度讲也有一定的合理性。        

        当然，上述假设并非互相排斥，而是有可能共同起着作用。除发电机机制外，也有天文学家猜测目前的水星磁场乃是过去曾经有过的磁场的残余。这种猜测的好处是不必假设水星内部目前仍存在导电流体，从而不必煞费苦心地为这种存在寻找理由。缺点则是水星的磁场虽然微弱，作为残余磁场却似乎又太强了。        

        真正的答案是什么呢？目前还无法知晓。我们确切知晓的是：所有这些有关水星磁场的假设或猜测都有赖于水星内部的物质分布，而后者又有赖于对水星更详细的观测来间接推算。在目前这种观测数据比较匮乏的情形下，推算不出唯一的模型，确立不了模型的可靠性，都是不足为奇的。        

        关于水星我们就介绍到这里，没有空气、酷热、严寒……是水星环境的主要标志，这样的环境无疑是“糟透了”，但在行星大世界里，它远不是最糟糕的——事实上，跟它的邻居、离太阳次远的金星相比，水星的环境就已经算不错的了。