天文學家最新：對水星薄而緻密外殼的新預估

水星體積小，速度快，接近太陽，使岩態世界充滿挑戰。只有一個探測器繞水星運行，收集了足夠的數據，告訴科學家水星表面的化學和景觀。然而了解表面之下的東西需要謹慎的預估。在2015年探測任務結束後，行星科學家們估計水星的地殼厚度大約為22英里，亞利桑那大學的一位科學家不同意這種觀點。利用最新的數學公式，月球和行星實驗室的工作人員邁克爾·索利(Michael Sori)估計，水星的地殼厚度只有16英里，比鋁的密度大。他的研究「一種薄而緻密的水星外殼」將在5月1日發表在地球和行星科學快報上發表，目前在網上可以找到。

Sori利用水星表面、空間環境和地球化學(MESSENGER)航天器收集的數據確定了水星地殼密度。他使用的公式是由月球和行星實驗室的教授松山，以及加州大學伯克利分校的科學家道格拉斯·海明威開發的。Sori的估計支持了水星地殼主要通過火山活動形成的理論。了解地殼是如何形成的，可以讓科學家了解整個結構奇特的行星的形成過程。在類地行星中，水星核心相對於它的大小來說是最大的。據信，水星的核心佔據了水星整個體積的60%。相比之下，地球的核心佔據了約15%的體積。為什麼水星的核心如此之大？

也許它更接近一個正常的行星，可能有很多地殼和地幔被巨大的撞擊所破壞，另一個想法是，當離太陽這麼近的時候，太陽風吹走了很多岩石，很早就得到了一個大的核心尺寸，但這並不是每個人都同意的答案。Sori的研究可能會幫助科學家找到正確的方向，它已經解決了水星地殼中岩石的問題。當行星和地球的月球形成時，它們的外殼是由它們的曼特勒(mantles)產生的，這是一顆行星的核心和地殼之間的一層，在數百萬年的時間裡，它會滲出和流動。行星地殼的體積代表著被變成岩石地幔的百分比。

在Sori的研究之前，對水星地殼厚度的估計使科學家們相信地球上百分之11的原始地幔已經變成了地殼中的岩石。對於地球上最接近水星大小的天體來說，這個數字更低，接近7%。以非常不同的方式形成了它們的外殼，所以它們在地殼中沒有完全相同比例的岩石，這並不令人擔憂。當密度較低的礦物漂浮到由液態岩石構成的海洋表面時，月球的外殼就形成了。在岩漿海洋的頂部，月球的浮力礦物冷卻並硬化成「浮選地殼」，火山爆發的過程覆蓋了水星表面，形成了「岩漿外殼」。解釋為什麼水星創造了比月球更多的岩石，這是一個沒有人解決的科學之謎。現在，這個謎題可以結束了，因為Sori的研究將水星地殼中岩石的比例定為7%，水星在製造岩石上不比月亮好。

Sori通過估算地殼的深度和密度來解決這個謎題，這意味著他必須找到地殼均衡支持的地殼。行星體最自然的形狀是一個平滑的球體，表面上所有的點都與行星的核心距離相等。Isostasy描述了山脈、山谷和山丘是如何被支撐的，並被保持在平坦的平原上。有兩種主要類型：普拉特和艾里。兩者都致力於平衡地球上同樣大小的大片。如果一塊的質量比它旁邊的質量大得多，那麼地球的地幔就會滲出，把地殼移到上面，直到每一片的質量都相等。普拉特地殼均衡說行星的地殼密度不同。一顆包含山的行星，其質量與包含平坦土地薄片的質量相同，因為使這座山的地殼密度小於平坦土地的地殼。在地球的所有點上，地殼的底部均勻地漂浮在地幔上。

直到Sori完成他的研究，沒有科學家解釋為什麼普拉特·地殼均衡或不支持水星的景觀。為了測試它，Sori需要將行星的密度與它的地形聯繫起來。科學家們已經用信使號的數據構造了一個水星地形圖，但是密度圖並不存在。因此，Sori利用信使號的數據，對水星表面的元素進行了分析。知道什麼礦物通常形成岩石，這些礦物包含什麼元素。可以明智地將所有的化學成分分解成一份礦物清單，用來確定地表礦物的位置和丰度的過程。知道每一種礦物的密度,把它們加起來，得到密度圖然後Sori將他的密度圖和地形圖進行比較。如果Pratt地殼均衡能解釋水星的景觀，那麼Sori就會發現在火山口和山區的低密度礦物中會發現高密度的礦物質

然而並沒有發現這種關係,在水星上，高和低密度的礦物在山脈和環形山中都能找到。由於Pratt地殼均衡被證實，Sori被認為是Airy均衡，它被用來估計水星的地殼厚度,艾里地殼均衡說，行星的地殼深度隨地形的不同而變化。如果看到表面上有一座山，它就可以被它下面的根支撐著，把它比作漂浮在水面上的一座冰山。冰山的尖端是由在水下突出的冰塊所支撐的。冰山的質量與排水量相同。同樣地，山和它的根將包含與被取代的地幔物質相同的質量。在火山口，地殼很薄，地幔更靠近地表。一個包含一座山的行星的楔形物與一個帶有隕石坑的楔子具有同樣的質量。這些參數在二維空間中起作用，但當考慮到球面幾何時，公式並沒有完全解出來。不過，松山和海明威最近開發的公式，確實適用於像行星這樣的球形天體。

該公式不但沒有平衡地殼和地幔的質量，還平衡了地殼在地幔上施加的壓力，為地殼厚度提供了更準確的估計。Sori使用了他對地殼密度的估計，以及海明威和松山的公式來找到地殼的厚度。Sori確信他對北半球水星的地殼厚度的估計不會被證明是錯誤的，即使收集了有關水星的新數據,他不相信水星的地殼密度。信使號在北半球收集的數據要比南方多得多，Sori預測，當收集到整個地球的密度數據時，地球表面的平均密度將會發生變化。他已經看到未來需要進行後續研究。下一個水星任務將在2025年到達地球。與此同時，科學家們將繼續使用信使數據和數學公式來學習他們所能了解關於第一塊來自外星岩石的一切信息。

博科園-科學科普｜參考期刊：地球和行星科學快報｜來自：亞利桑那大學

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