11 水星身世之
上一章，我们讲述了信使号飞往水星的曲折历程，以及在水星上找到水冰的故事。这个发现在当时非常轰动，例如著名的《赫芬顿邮报》 （The Huffington Post）的新闻标题是《2012科学年：鼓舞人心的重大发现》(1)。《国际商业时报》上的标题是《2012年最伟大的太空故事》(2)。不过，信使号的精彩故事只是刚刚开始。
对于大多数普通人来说，水星上有没有水这个问题是最吸引人的，简单好懂。但是，对于大多数资深天文爱好者来说，信使号的另外一项使命更值得关注，那就是探究水星的身世之谜。通俗点说，就是水星这颗星球到底是怎么形成的，在它形成的过程中都发生了什么大事件。
为了更好地理解信使号的任务和新发现，我们简要回顾一下水星身世谜题的历史，这是真正的“世界未解之谜”。
在金、木、水、火、土这五大行星中，绝大多数人可能一生都没有看到水星，因为水星是内太阳系距离太阳最近的一颗行星。或许你一下子还没反应过来，为啥距离太阳近就不容易被观测到呢？我想请你在脑子中复现一个太阳系的模型，想一下，外太阳系的行星处在地球公转轨道的外侧，所以它们都可以在晚上被我们看见。而内太阳系的两颗行星——金星和水星，永远都不可能转到地球的背阳面去，它们一定是和太阳同升同落的。所以，只能在黄昏和傍晚的时候，利用一点点的时间差看到它们。而距离太阳越近，与太阳同升同落的时间差就越小。水星离太阳不到0.4天文单位，可以说是非常近了，因此，它只在凌晨和傍晚出现非常短暂的时间，稍不留意就被错过了。在人类历史上，有很长的一段时间，我们以为早上和晚上出现的水星是两颗不同的行星。在中西方的星象学中，水星倒是被重点照顾的对象，因为它相对来说最“神出鬼没”。
按理说，处于内太阳系的水星距离地球是很近的，我们应该对水星有着较深的了解才对，然而事实正好相反，在太阳系中，我们了解得最少的行星就是水星。在信使号到达水星之前，我们对水星的了解甚至还不如距离最远的海王星多。
比如行星的质量，这是最基础的数据之一，但是天文学家对水星的质量测定一直不满意。我们只知道水星虽然个头很小，但相对质量很大，它的密度明显高于太阳系的其他行星。
根据行星形成的经典理论，行星是尘埃云在万有引力的作用下逐渐坍缩形成的。那么在理论上，大家的密度应该都差不多。假如经典理论是正确的，那么该如何解释水星明显偏高的密度呢？关于这个问题，有很多假说，其中接受度最高的就是水星其实是一颗行星的内核，它的外层出于某些原因被剥离了。那么，到底是什么原因导致水星的外壳被剥离了？或者说，这个外壳剥离假说是否靠谱呢？这是天文学家们想解开的谜题之一。
但这还不是最大的谜题。1974年，飞掠水星的探测器水手10号发现，水星上存在着微弱的磁场，尽管只有地球磁场的1%，但这个发现在当时非常轰动，因为它又牵出了水星的另一个谜题：水星的磁场是怎么产生的？
关于天体磁场的产生，最主流的理论就是行星发电机理论。这个理论要求行星内部必须存在一个持续旋转或者对流着的导电流体。地球的磁场就来自不断对流着的炽热的外核。但是，按照水星的体积计算，水星的内核应该早就已经冷却了。而一颗冷却凝固的行星就应该像一块大石头，是没理由产生磁场的。
科学家们认为，唯一合理的解释只能是水星的内核没有凝固，现在仍然处于熔融状态。但这个解释同样令科学家们感到费解，这么小的体积怎么能几十亿年都不冷却呢？其实，要想确定一颗行星的地壳下面是否存在液态物质，有一个比较简单的测定方法，就是测定水星自转的稳定性。
你可以做一个实验，分别转起一个生鸡蛋和熟鸡蛋。你会发现煮熟的鸡蛋会旋转得很快，而且转速均匀。而生鸡蛋因为受到里面蛋液的影响，旋转起来会比较困难，自转轴不稳，转速也不均匀。
所以，要想确定水星的内核到底是不是液态的，我们可以精确测量水星的自转速度。如果它的自转速度是绝对均匀的，那么就可以认为水星是一个固体的石头球。反之，它的地壳下面就一定藏着一些液态物质。
行星科学家们当然明白这个道理，可是，真正的问题是，如何才能精确测量到水星的自转速度变化呢？在很长一段时间里，大家都没能找到合适的技术方案。
2002年，康奈尔大学的行星科学家让-卢克·马格特（Jean-Luc Margot）想出了一个绝妙的主意。他让位于加利福尼亚的哥德斯通（Goldstone）射电望远镜向水星发射一个强信号，然后让位于西弗吉尼亚州的绿岸射电天文望远镜与哥德斯通射电望远镜一起接收从水星反射回来的雷达波。通过接收到的时间差，就能计算出水星的自转速度。这两台望远镜刚好位于美国的最东边和最西边，这样的设计极大地提高了测量精度。(3)
即便如此，测量的精度依然不太理想。马格特领导的雷达小组足足用了5年时间，才拿到足够的数据，证明水星确实是一颗“生鸡蛋”。马格特在宣布最终的结论时说：“我们有超过95%的置信度相信，水星必定拥有一个熔化或者部分熔化的内核。”(4)
科学的特点是刨根问底。既然知道了水星有一个液态内核，那么科学家们自然就要继续追问：这个液态内核到底是如何形成的呢？马格特的研究小组认为，最有可能的解释就是水星的内核中很可能混合着一些类似于硫的轻元素(5)。比如，硫化铁的熔点就要比铁低300多摄氏度，如果水星的核心中含有丰富的硫元素，那么确实有可能现在仍然保持液态。
但是，这个假说也同样面临挑战。因为水星的轨道距离太阳太近了，大量的轻元素会在太阳形成之初就气化并向外逃逸。在水星当前的位置，是不可能有那么多硫元素存在的。
而且，这个假说与经典的行星诞生理论格格不入，甚至可以称得上是背道而驰了。经典的行星形成理论认为，行星的原始核心，是由环绕在恒星周围的旋涡盘中的气体和尘埃在引力的作用下逐渐聚合而成的。在距离太阳较近的水星轨道上，到处都是铁、镍、硅之类的重元素，而硫这样容易挥发的轻元素，必须到火星轨道以外的地方才会聚集和凝固起来，因为那里才比较凉爽。
不管怎么说，肯定有什么事情被搞错了。要么水星的内核中根本没有那么多的硫元素，要么水星就不是在现在的轨道上形成的。在科学面前，真相只能有一个。
水星的绕日轨道似乎也说明水星并不是在原地形成的。水星的公转轨道是一个偏心率很大的椭圆。水星距离太阳最远的时候，距离是近日点的1.5倍。这样奇怪的轨道，一个比较方便的解释是，水星在形成初期遭到过其他行星的撞击，把它的轨道给撞偏了。
但是，反对这一假说的科学家们认为，能够形成偏心率如此大的椭圆轨道，撞击的剧烈程度可想而知，水星是如何在剧烈的撞击中全身而退的，而撞击形成的碎块又去了哪里呢？他们认为，水星确实有可能遭到过撞击，但撞击的发生地点并不在水星的轨道上。水星很可能在距离太阳更远的位置，比如说火星的轨道附近发生了撞击，而水星则在撞击中被推离了自己的轨道，向着太阳飞去。
这个假说很好地解释了水星的轨道偏心率问题，确实很迷人。但是，非同寻常的主张需要非同寻常的证据。在科学研究中，证明或者证伪一个假说，往往是难度最高的一类研究。像寻找水冰的这类研究，只要收集到足够多的数据，就可以形成实锤的铁证。但想要研究水星的起源，却要困难得多。每一个新的证据都有可能对已有的假说提出新的挑战。科学家们必须不断修正自己的猜想，并且设计新的探测任务来获取更多数据才行。
这项艰巨的任务，自然就落在了信使号的肩膀上。
2011年3月18日是信使号正式泊入水星轨道的日子。从这一天开始，水星就是一颗拥有卫星的行星了。信使号会利用自身的轨道和速度变化来推算水星的质量。经过精细的测量，我们得到了水星的精确质量：3300亿亿吨。水星的直径也被刷新了测量精度，为4879.4千米。
通过质量和体积的测量值，我们可以算出，水星的平均密度是5.4克／立方厘米，远高于理论计算值。水星的身世的确不寻常。
信使号的一项重要任务是探测水星上的硫元素。我们知道信使号是一个轨道探测器，它不可能真的去铲一勺水星上的土样去分析，只能依靠随身携带的中子谱仪，在高空检测那些从水星表面逃逸出来的原子和离子。
2014年4月20日，信使号探测器完成了环绕水星的第3000圈绕转。此时的它，已经完成了基础任务以及两次延长任务中的绝大部分工作。但是，科学家们对水星地壳元素丰度的数据精度依然不太满意。别忘了，这可是关系到水星磁场之谜的重要数据，也是信使号此行的重要目的之一。
不入虎穴，焉得虎子。只有进一步接近水星，才有可能让所有遥感仪器的性能发挥到极致，获得更高精度的观测数据。
信使号首席科学家西恩·所罗门对于信使号的低轨道任务相当兴奋。他说：“这是信使号最后的任务，也是一个全新的挑战。我们将会对水星的磁场、重力场以及水星表面辐射出的粒子环境进行新一轮的高精度观测。我们相信，水星一直以来隐藏的那些秘密，最终都会被信使号揭开。”(6)
信使号的飞行高度越低，对水星上挥发出元素的检测敏感度就越高。信使号发现，水星是一颗正在烈日下快速挥发着的行星。当信使号飞过阳光炙烤着的水星表面时，携带的中子谱仪检测到大量的挥发性元素从水星表面逃逸出来，正是这些挥发出来的物质构成了水星上极其稀薄的大气层。
探测结果显示，水星上确实存在着极其丰富的硫、氯、钾、钠等元素。科学家推测，水星诞生的位置很可能是一个更加远离太阳的地方。通过计算，科学家们认为，水星极有可能诞生在距离太阳1.7亿千米的地方。这个位置位于地球与火星的轨道之间。
信使号的这些新发现为“水星是一颗被剥去外壳的行星核心”的猜想提供了更有力的证据。比较重的元素——铁，在水星生成之初就沉入了水星的最深处，形成了一个固态的内核，而一些不太容易凝固的铁的硫化物则形成了水星的外核。最外层的较轻的物质则在一次行星大冲撞中被剥离了。这就是水星平均密度偏大的原因。
要想进一步证实这个猜想，我们必须把水星的内部构造搞清楚才行。大家可以想一想，如何能够在不触碰一颗星球的前提下来探索它的内部结构呢？我估计认真看过第7章《恩克拉多斯的喷泉》的读者已经猜到了方法。没错，答案就是，利用信使号的飞行速度和轨道变化来实施探测。
我们知道，一颗星球的地壳、地幔和地核都有着不同的密度。如果我们让信使号绕着水星飞行的轨道越来越低，就能够检测到不断变化的水星引力。引力的变化反过来还会影响信使号的轨道高度和飞行速度。凭借这些变化的数据，科学家就有办法知道水星的内部结构了。
2015年3月25日，已经在水星轨道上服役了整整4年的信使号(7)终于完成了它对水星的第4000圈环绕飞行。不过，信使号每环绕水星一圈，就要完成一次远离太阳的飞行。在太阳引力的反复扰动下，信使号的绕转速度也在逐渐变慢。信使号正在加速坠向水星。
负责水星结构探测任务的科学家安东尼奥·热诺瓦（Antonio Genova）和他的团队(8)将信使号返回的数据套入一个复杂的数学模型，通过反复调整模型的各项参数，他们尝试着将模型与信使号绕水星旋转的加速度数据匹配起来。信使号提供的数据越丰富，这个模型的准确度就会越高。
2015年4月6日，信使号点燃了发动机，开始了第15次机动变轨。但是，任务才刚刚开始，意外就突然降临了。信使号反馈：用于变轨的肼（jǐng）推进剂提前耗尽，无法完成变轨任务。好在设计信使号的时候，设计人员就留了个心眼，当肼推进剂耗尽后，用来给推进剂加压的氦气会自动从喷口喷出。在氦气的辅助下，信使号勉强完成了变轨动作，但实际飞行高度只有28千米，比预期低了10千米。这个意外让信使号很可能会在10天内坠毁。
于是，信使号的运营团队经理托马斯·沃特斯（Thomas Watters）紧急召开会议，会议的目的就是重新安排信使号后续的飞行计划，希望能够尽可能地延长信使号的服役时间。
信使号越是接近水星，它收集到的信息就越宝贵。在燃料彻底耗尽后，信使号的运营团队又利用仅存的一点点氮气，完成了5次动作较小的机动变轨，一次次地推迟着信使号坠毁的最后时间，而注定要陨落的信使号也在争分夺秒地将珍贵的数据发回地球。
信使号最后几个星期的超低空飞行为研究团队提供了完美的数据，让科学家有机会对水星的内部结构进行最精确的计算和匹配。
最终的研究结果表明，水星内部有一个直径2000千米的固态内核，在固态内核的外围，包裹着厚度约为1000千米的液态外核。水星的微弱磁场就是这个液态外核产生的。直径4879.4千米的水星，却拥有着一个直径约3000千米的超大核心，这实在让人惊讶。要知道，地球的核心只占地球体积的15%而已。
这个超大水星内核的发现，为前面提到的撞击假说提供了有力的佐证。科学家们根据模拟计算推测，这个与水星相撞的天体很可能是另一个正在形成的行星胚胎，它的质量大约是水星碰撞前质量的1/6。碰撞过程有点像剥鸡蛋壳：我们用不大不小的力量从各个角度把鸡蛋壳敲碎，然后把鸡蛋壳剥落下来。
温和且连续的撞击方式很重要。因为如果撞击过于激烈，就会产生太多的热量，这些热量会导致硫、钾、钠等轻元素受热挥发而向外太阳系逃逸。如果撞击太轻，则无法剥离水星的外壳，甚至连撞击者都有可能被水星俘获。
早期的太阳系中，在同一条行星轨道附近，很可能会同时形成很多个行星核心。这些行星核心不可避免地发生着碰撞。水星也有可能是多个行星胚胎互相碰撞的结果。在碰撞中，水星被剥离了大量的表层物质后，改变了自身的轨道，向着太阳飞去，并在距离太阳最近的地方稳定了下来。
由于距离太阳太近，水星注定不可能永久性地拥有一颗自己的卫星。水星的卫星要么落入太阳焚烧成灰烬，要么投向水星的怀抱。
从信使号出发的那一天起，它的命运就是注定的，这是一次必然以“自杀”而终结的冒险旅程。2015年4月30日，在水星表面坐标东经210°、北纬54°的地方，一股巨大的烟尘无声腾起，然后又缓缓地四散落下。尘埃落定之后，那里出现了一个新的陨石坑。信使号终于完成了自己的使命，把自己葬在了母星的怀抱，这恐怕是它最好的归宿。
信使号的努力，终于把我们对水星的了解提高到了与金星和火星相同的水平上。在我们眼里，水星不再是一块冷冰冰的球形岩石，它有大气、火山、磁场，还有水冰。更重要的是，水星正等着我们继续抽丝剥茧，探寻它谜一样的身世。
(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)轻元素：原子序数10至20的元素，分别为氖、钠、镁、铝、硅、磷、硫、氯、氩、钾、钙。
(6)MESSENGER Completes Its 3,000th Orbit of Mercury, Sets Mark for Closest Approach, https://messenger.jhuapl.edu, Apr. 21, 2014.
(7)信使号2011年3月泊入水星轨道。
(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.