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    被冷落的信使——水星及其探索史

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      ▲前言摘要

      太阳系里离太阳最近的类地行星——水星(Mercury),直径4878km,表面重力0.4g,自转周期58.646地球日,公转周期87.9691地球日,近日点46,001,200km,远日点69,816,900km,白昼地表温度452℃,夜间地表温度-173℃,轨道倾角(黄赤交角)7°,由于其地表发现大量陨石坑和挥发性元素如硫和钾,极端稀薄的大气中含有氢、氦、氧、钠、钾和钙,以及其占据60%质量的铁质核心(地球地核只有30%)和极其微弱的磁场,再加上它偏心的椭圆轨道和离太阳如此近的距离,使其成为太阳系中起源最有争议的一颗行星。

      关键词:水星、内行星带、星子碰撞、行星核心、行星磁场

      被冷落的信使——水星及其探索史

      正文

      ●水星的起源及其演化史

      50亿年前,当年轻的太阳刚刚点燃其核聚变核火球核心时,其周围并没有组成太阳的物质被强烈的太阳风吹向远离太阳的虚空,但在太阳系早期,这些物质还没有被吹的太远时,这些物质共同构成了早期太阳的原始行星盘。

      被冷落的信使——水星及其探索史

      在离太阳较近的内行星带上,由于太阳的照射和炙烤,使得这个区域内的物质温度升高至水冰无法存在,并且很多轻元素所组成的物质都被太阳风吹散,因此只有一些相对比较重的元素和物质可以留在这里并逐渐形成原始的尘埃盘。

      被冷落的信使——水星及其探索史

      原始尘埃盘里的尘埃在气体的作用下和低速的碰撞中不断融合,形成了越来越大的石块,这些石块又逐渐聚集在一起,当石块的总质量达到一定的阈值时,这些石块便会在自身的引力作用下收缩形成原始行星胚胎——星子。原始尘埃盘里的尘埃在气体的作用下和低速的碰撞中不断融合,形成了越来越大的石块,这些石块又逐渐聚集在一起,当石块的总质量达到一定的阈值时,这些石块便会在自身的引力作用下收缩形成原始行星胚胎——星子。

      被冷落的信使——水星及其探索史

      这些直径达数百千米的星子会产生足够多的引力吸引周边的气体、尘埃、石块甚至是其它星子,在经过数百万年的演化后,在内太阳系里,已经有许多个行星胚胎。

      被冷落的信使——水星及其探索史

      45亿年前,在距离太阳1.7亿公里的轨道上,有数十个行星胚胎在环绕太阳公转,其中一个便是原始的水星,在一片混乱之中,一个相对较大的行星胚胎,在于原始水星的引力相互作用下,靠近彼此,并最终以相切的角度发生了表面摩擦。

      被冷落的信使——水星及其探索史

      这次擦撞导致了原始水星的全部地壳和大部分地幔被剥离,这些剥离下来的物质后来参与了金星的形成,而生下来的行星核心和一小部分没有被剥离的地幔则由于速度下降而向太阳坠落,形成了一个延椭圆轨道绕太阳公转的行星,并最终演化成了今天的水星。

      被冷落的信使——水星及其探索史

      顺便说一下,在原始水星形成的这个距离范围内的轨道也是后来火星诞生的区域。

      被冷落的信使——水星及其探索史

      ●对水星的探索历程

      到目前为止,只有两个行星探测器探索过水星:1974-1975美国的“水手”10号(Mariner 10)和2011-2015年美国的“信使”号(Messenger)。

      被冷落的信使——水星及其探索史

      1974年,当“水手”10号行星探测器进入环绕水星的轨道后,拍摄了第一组水星表面的照片,发现水星表面布满了陨石坑,就像月球背地面的陨石坑那样,使人们对水星失去了不少兴趣,并且不仅在水星上并没有发现正在进行的火山活动,而且也没有过去火山活动的痕迹,与之对应在月球上则有很多覆盖着冷却岩浆的古老盆地,使得很多行星科学家都对水星逐渐失去兴趣并转向研究其它行星。

      被冷落的信使——水星及其探索史

      “水手”10号的观测结果中,唯一引起了人们兴趣的是水星拥有自己的磁场,尽管非常的微弱,只有地球磁场强度的1.1%,足以使太阳风所携带的离子和电子流发生偏转并形成磁层,这就给科学家们留下了一个问题:水星的磁场究竟是一个由熔融岩石凝固时保留下来的磁场还是一个活跃的磁场。

      于是,便有了后面的“信使”号。

      被冷落的信使——水星及其探索史

      经过了一次地球弹射、两次金星弹射和3次水星弹射的减速弹射飞行后,“信使”号水星探测器终于于2011年进入环绕水星的轨道,“信使”号上的仪器设备证实了水星上的磁场是活跃的,并且与地球磁场拥有相同的性质。

      被冷落的信使——水星及其探索史

      但这就意味着水星的磁场是由其内部的液态铁核产生,这些液态铁核在旋转、对流和湍流时会产生发电机效应从而产生磁场,从而引出了一个新的问题:金星失去磁场是因为它的自转速度过慢,火星失去磁场是因为它的内核已经冷却,其热量已经以红外辐射的形式逸散到太空中去了,剩下的核心热量差已经不足以引起液态铁核的对流,而比火星要小的水星仍旧保存这样的磁场,这仍旧令人难以解释。

      被冷落的信使——水星及其探索史

      并且还发现了水星内部富含的重元素在其表面含量非常低,甚至比月球还要低,并且在水星表面还富含挥发元素。由于水星暴露在太阳风中,并且白昼面的表面温度可高达430℃左右,这使得这些元素会很快的挥发掉,因此这也是水星的独特之处。

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      并且还发现了水星表面的反射率只有月球的一半,目前推测为水星表面覆盖有一层含碳物质,这些物质在水星早期形成之初表面还是一片熔岩的时候就漂浮在岩浆之上,当岩浆冷却、凝固之后,这些含碳物质便留在了水星表面。

      被冷落的信使——水星及其探索史

      同时,“信使”号还在水星表面上发现了如熔岩凝结成的平原等能够支持证明水星上曾经由火山运动的证据特征,以及如一种被称为叶状悬崖的地貌可以说明水星过去曾经发生过地质活动的证据特征。

      被冷落的信使——水星及其探索史

      最后,“信使”号在水星上还发现了一些被称之为“洼地”的不规则浅坑,这些浅坑可能是由某些物质从地下移动至地表然后升华而形成的,表明了水星表面还在不断演变。

      被冷落的信使——水星及其探索史

      未来对水星的探测计划

      为了进一步对水星进行探测研究,欧洲空间局和日本宇宙航空研究开发机构打算合作,将两个行星探测器——日方的探测器“水星磁层轨道飞行器MMO”和欧洲的探测器“水星行星轨道飞行器MPO”固定在一起送至水星轨道,然后在分开,前者进入距离水星较远的椭圆轨道,在水星磁场之外运行,后者进入一个较低的轨道,在水星的磁层内运行。这两个探测器将会携带更加先进的仪器设备,从两个不同的视角来观测水星磁场,研究它的动态变化并观察太阳风对它的影响。这一计划被称之为“贝比科隆博”水星探测计划。

      被冷落的信使——水星及其探索史

      并且,哈雷西博射电望远镜发现在水星的两极可能存在水冰,并且水星拥有极为稀薄的大气,由于过于稀薄,这也被称之为“外逸层”,在“外逸层”中发现有如氢、氦、氧、钠、钾和钙等元素,这些元素在水星的不同位置分布不均匀且随着时间变化。

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      虽然外逸层在不断地丢失物质,但也有大量的物质得到了补充,如太阳风带来了氢和氦,其他元素可能是从水星内部释放出来的,而且外逸层还会与太阳风、行星磁层想发生相互作用,例如太阳的辐射压把钠从水星的外逸层中剥离,形成一道超过200万千米的“尾迹这些也是“贝比科隆博”水星探测计划要核实的假说。

      被冷落的信使——水星及其探索史

      并且“贝比科隆博”水星探测计划还准备通过测量水星轨道上的时空曲率来验证广义相对论,并测试耐高温的材料、设备和仪器,还有对离子发动机的测试工作。

      被冷落的信使——水星及其探索史

      并且,该计划还会通过进行校园宣传,来激发年轻的学子们对知识探索的兴趣,以促进天文学、行星科学和航天技术专业的教育,并强调空间探索项目的国际合作性质。

      被冷落的信使——水星及其探索史

      全文终


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