“水星之謎”新解。

NASA信使號(hào)探測(cè)器拍攝的水星真彩圖像。新研究向傳統(tǒng)水星形成機(jī)制認(rèn)知發(fā)起了挑戰(zhàn)。

NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Arizona State University / Carnegie Institution of Washington

不知為何，水星有一個(gè)極其巨大的內(nèi)核。地球的內(nèi)核和火星的內(nèi)核分別只占行星質(zhì)量的30%和25%，而水星的內(nèi)核竟然占到了行星總質(zhì)量的70%之多?？茖W(xué)家稱之為“水星之謎”。

科學(xué)家自上世紀(jì)60年代和70年代開(kāi)始，從地面射電望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)中，開(kāi)始逐漸注意到了這一現(xiàn)象。1975年水手10號(hào)帶回了精確的測(cè)量數(shù)據(jù)；而2010年至2015年，信使號(hào)提供了最有力的證據(jù)，表明這顆行星的核心確實(shí)非常龐大。

水星直徑約2400千米，內(nèi)核直徑約1800千米；地球直徑約12700千米，內(nèi)核直徑約7000千米。

NASA-APL / IsadoraofIbiza

主流觀點(diǎn)認(rèn)為，水星之所以會(huì)有這么大一個(gè)內(nèi)核，是因?yàn)樗?jīng)和一個(gè)質(zhì)量差異特別巨大的天體發(fā)生過(guò)碰撞。遠(yuǎn)古時(shí)代水星的質(zhì)量曾經(jīng)是現(xiàn)今的2.25倍，但后來(lái)另一個(gè)質(zhì)量只有其1/6的天體與其發(fā)生了劇烈碰撞，導(dǎo)致其失去了大部分的幔和殼，變成了今天這副模樣。但計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果顯示，發(fā)生此類碰撞的概率很低。因?yàn)榇祟惻鲎舶l(fā)生前，天體必須在偏心率極高的的軌道上運(yùn)行，而這種情況極為罕見(jiàn)。

近日巴黎城市大學(xué)國(guó)家科研中心全球物理研究所的Patrick Franco，率領(lǐng)一眾科學(xué)家在《自然：天文學(xué)》上刊文指出，雖然水星和另一天體的碰撞是導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常的原因，但與之發(fā)生碰撞的天體質(zhì)量與水星相比差異并不懸殊。

詳細(xì)的數(shù)值模擬顯示，早期太陽(yáng)系質(zhì)量相近的天體之間發(fā)生碰撞是一種更為常見(jiàn)的現(xiàn)象。水星之所以有今天這樣一個(gè)異常巨大的內(nèi)核，其原因可能并非與一次雙方質(zhì)量差異懸殊的大碰撞有關(guān)。一個(gè)質(zhì)量與原始水星相近的天體，與原始水星以“擦邊”的方式發(fā)生碰撞，也可以解釋水星現(xiàn)今異常的內(nèi)部結(jié)構(gòu)——而且無(wú)論從統(tǒng)計(jì)學(xué)還是動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)看，這種情形都要合理得多。

早期太陽(yáng)系是一個(gè)相當(dāng)混亂和無(wú)序的世界。巖石質(zhì)地的行星胚胎們，仍在為為數(shù)不多的幾個(gè)能夠成為行星的名額而互相競(jìng)爭(zhēng)。這些仍處于演化過(guò)程中的天體，在行星的子宮里通過(guò)引力相互影響、干擾、碰撞，直至剩下少量軌道明確且穩(wěn)定的個(gè)體。在這樣的環(huán)境中，質(zhì)量相近的天體更容易發(fā)生碰撞。

Franco和他的同事們使用所謂的“平滑粒子流體動(dòng)力學(xué)（smoothed particle hydrodynamics）”模擬對(duì)他們的設(shè)想進(jìn)行了驗(yàn)證。這種方法能夠模擬運(yùn)動(dòng)中的氣體、液體和固體，尤其適用于研究行星之間的碰撞。

模擬以小于5%的誤差，詳細(xì)地還原了水星的總質(zhì)量，及其異常的金屬-硅酸鹽比例。所謂“異常的比例”，指的就是主要成份為金屬的水星內(nèi)核和主要成份為硅酸鹽的水星幔殼。

研究人員假設(shè)水星的初始成分與其他類地行星相似，碰撞剝離了其原始地幔的60%——這可以解釋其較高的金屬含量。但如果是這樣，那么水星失去的物質(zhì)又去了哪里？

模擬結(jié)果顯示，如果水星是與一個(gè)質(zhì)量差異懸殊的天體發(fā)生的碰撞，那么水星會(huì)重新吸積大部分失去的質(zhì)量——而這樣一來(lái)，水星今天的內(nèi)核和地幔比例就不會(huì)失衡。

因此可以設(shè)想，在太陽(yáng)系早期，存在某些環(huán)境因素，能夠在水星發(fā)生碰撞后，阻止其重新獲得質(zhì)量。

早期太陽(yáng)系存在多種環(huán)境因素，能夠阻止天體碎片的重新吸積。一種可能是，當(dāng)時(shí)存在大量星子和行星胚胎，它們的引力作用驅(qū)散了這些碎片。

而另一種可能是，水星的鄰居——金星獲得了這次撞擊產(chǎn)生的碎片。這或許就是金星的質(zhì)量比較大的原因。研究人員稱，撞擊發(fā)生后，碎片被鄰近軌道形成中的行星吸收，這在理論上是有可能的。但究竟是不是這樣，則需要進(jìn)行深入的研究。

水星撞擊事件的模擬畫(huà)面。原始水星質(zhì)量約為地球的0.13倍。粉色代表其幔，藍(lán)綠色代表其內(nèi)核。與原始水星相撞的天體則用黃色內(nèi)核和紅色的幔表示。二者以32.5的角度，以較慢的速度發(fā)生碰撞。碰撞后物質(zhì)飛散，重新形成的水星質(zhì)量為地球的0.056倍，與今天水星的實(shí)測(cè)質(zhì)量（地球質(zhì)量的0.055倍）非常接近。

Franco / 自然：天文學(xué)

參考

Collision between two bodies of similar mass may explain the formation of Mercury

https://www.eurekalert.org/news-releases/1099276