为何水星被认为“不该存在”？BBC

水星长久以来让天文学家困惑：它比理论上应有的体积更小，与太阳的距离也比理论应有的近得多——它违背了我们对行星形成的大部分认知。一项预计在2026年到来的太空任务，或许能解开这个谜团。

乍看之下，水星可能是太阳系中最乏味的行星。它荒芜的表面缺乏显著特征，没有过去存在水的证据，大气层也极为稀薄。生命存在于它炙热的陨石坑中几乎不可能。然而，仔细观察，水星却是一个令人着迷、充满谜团的世界。

行星科学家对太阳系中最靠近太阳的行星存在感到困惑。这颗奇特的行星非常小，质量仅为地球的二十分之一，宽度几乎与澳大利亚相当。然而，由于拥有巨大的金属核心，水星是太阳系中仅次于地球的第二高密度行星。

水星的轨道紧贴太阳，也处于一个天文学家难以解释的位置。所有这些现象指向一个关键问题：我们完全不知道水星是如何形成的。从理论上看，这颗行星根本不该存在。

“这有点令人尴尬，”法国波尔多大学行星形成与动力学专家尚恩·雷蒙德（Sean Raymond） 说，“我们缺少某个关键的细节。”

水星的起源、形成过程以及它为何呈现如今的样貌，是太阳系最重大的谜团之一。

而答案或许即将要揭晓了。欧洲和日本合作的 “贝皮科伦坡号”（BepiColombo） 于2018年发射，目前正前往水星。这将是十多年来首次有探测器造访水星。它预计在2026年11月进入轨道，尽管途中因推进器问题延误，核心任务之一就是弄清水星的起源。

水星表面布满陨石坑与熔岩流，但在其下方隐藏着一个巨大的金属核心。

了解水星的形成，不仅对理解太阳系的起源至关重要，也有助于研究其他恒星周围的行星——系外行星。

“水星可能是我们拥有的最接近系外行星的行星，”美国麻省理工学院行星科学家萨韦里奥·坎比奥尼（Saverio Cambioni） 说，“它是一个令人着迷的世界。”

1974年和1975年，美国太空总署（NASA）的“水手10号”（Mariner 10）探测器三次飞掠水星，当时太空人就意识到有些事情不对劲。这是人类首次造访太阳系最内侧的行星，这些飞掠提供了水星的初步重力测量，首次让我们窥见水星的内部结构，并揭示其异常的内在组成。

地球、金星和火星都有富含铁的核心，约占行星半径的一半。在地球，核心分为固态的内核与液态的外核，两者的运动产生保护地球的磁场。核心之上是地幔，再上面是我们居住的地壳。

水星则完全不同。它的核心约占半径的85%，仅覆盖一层薄薄的岩石地幔与地壳。这正是水星高密度的原因，但为何它的结构会如此仍不清楚。

“水星的形成是一个重大问题，”德国航空太空中心行星科学家尼古拉·托西（Nicola Tosi） 说，“我们仍不清楚水星为何呈现这样的样貌。”

后来，美国太空总署的“信使号”（Messenger）在2011至2015年间环绕水星，却带来更多疑问。水星距太阳仅3600万英里（6000万公里），白天温度可高达430°C（800°F），夜晚则降至-180°C（-290°F）。

然而，尽管温度如此极端，“信使号”发现水星表面存在挥发性元素，如钾和放射性钍，这些物质理应早已被太阳辐射蒸发。此外，还发现复杂分子如氯，甚至在水星极地阴影陨石坑中发现水冰。

这些发现进一步强化了水星“本不属于目前位置”的观点。天文学家长期困惑于水星在太阳系中的位置，因为我们认为在这个区域不可能形成像水星这样的行星。

我们知道，像太阳系这样的行星系统起初是一个环绕恒星的尘埃与气体盘。行星逐渐在这个盘中开辟空隙，并在吸收更多物质后成长。但根据行星形成模型，水星与金星的距离过大，无法合理解释其形成。

无论动力学家如何调整参数，都无法让模型产生像今天的水星。“这真让人头痛，”尚恩·雷蒙德说，“结果是完全没有水星。”

天文学家花了多年时间改进模型并测试假说，提出了几个主要理论。其中最多讨论的一个是：水星曾经大得多，可能是现在的两倍，甚至接近火星大小，并且可能在更远离太阳的地方运行。

这一理论得到水星表面钾和钍含量的支持，因为这些元素与火星的成分更为接近，而火星形成于距太阳更远的位置。

理论认为，在水星存在的最初1000万年间，这颗“原始水星”曾遭遇一个巨大的天体撞击，可能是一颗火星大小的行星。这次碰撞剥离了水星的外层——地壳和地幔，只留下富含铁的核心，形成了我们今天看到的水星。

法国尼斯蔚蓝海岸天文台的行星动力学专家亚历山德罗·莫比德利（Alessandro Morbidelli） 表示，这种解释目前最受天文学家支持。他说：“普遍的解释是，水星遭受了一次巨大的撞击，移除了大部分地幔。”

这次撞击必须是“擦撞”，没有完全摧毁水星。然而，虽然早期太阳系中撞击频繁，但要剥离如此大量的物质，需要超过224000英里/小时（约每秒100公里） 的高速碰撞，根据萨韦里奥·坎比奥尼的说法，这种情况被认为不太可能，因为大多数天体在太阳周围运行时速度相近，类似于环形道路上的车辆。

此外，这样的撞击理应剥离水星的挥发性元素，包括钍，但“信使号”却检测到它们仍存在，这使得理论更加复杂。它们是如何在如此剧烈的事件中幸存的？

即使没有撞击，也不清楚这些元素为何仍存在于水星上。“如此接近太阳的天体不应该富含挥发性物质，”英国公开大学（The Open University）行星地质学家大卫·罗瑟里（David Rothery） 说——他共同领导“贝皮科伦坡号”上的水星X射线光谱仪（MIXS）研究，该仪器将分析水星的挥发性元素，“那么，水星是否起源于更远的位置？或者形成水星的物质是否来自更远的地方？”

另一种假说认为，水星并非被撞击，而是撞击者本身，曾与另一颗行星（如金星）发生“擦撞”，然后停留在目前的位置。这种“撞了就跑”的碰撞更容易解释水星为何失去大量质量。比利时鲁汶天主教大学的行星地质学家奥利维耶·纳穆尔（Olivier Namur） 说：“如果水星是撞击者而不是被撞击者，解释起来更容易。”

水星表面显示出远古时期曾有火山活动的迹象。

它并不是早期太阳系中唯一的“行星级炮弹”。我们的月球被认为是由一颗火星大小的天体“忒伊亚”（Theia）撞击早期地球后形成的，当时剥离了大量物质。

在任何水星撞击的假说中，仍有一个问题：为何被抛入太空的岩石碎片没有重新落回水星，或形成卫星（水星没有卫星）？

一种可能的解释是一个叫“碰撞研磨”（collisional grinding）的过程，即水星被抛出的物质逐渐被磨碎成尘埃，然后被太阳风的猛烈轰击吹散。

加拿大多伦多大学行星形成专家珍妮佛·斯科拉（Jennifer Scora） 说：“碰撞研磨指的是碎片彼此摩擦，逐渐分解成越来越小的颗粒。最终，你会得到一颗更小、更高密度的水星。”然而，她指出，要让这个过程奏效，所需的研磨速率非常高，可能远超我们预期。

另一种情况是，根本没有发生巨大撞击，而是水星确实由靠近太阳、富含铁的物质形成。

倾向于这种可能的瑞典隆德大学行星形成专家安德斯·约翰森（Anders Johansen） 认为，水星形成于太阳系中比其他行星更热的区域，年轻的太阳释放的能量蒸发了水星位置的大部分轻质尘埃，只留下较重、富含铁的物质凝聚成行星。他说：“这样就能形成一颗富含铁的行星。”