謎一樣的舞者——水星

什麼？水星？我知道啊！我家路由器就是水星的！

不是這個水星！這裡說的是離太陽最近、而且還經常「隱沒在晨光中」的那個水星！

太長不看版

1. 水星是太陽系八大行星中距離太陽最近的。

2. 水星較難觀測，在"大距"的時候最為適宜。

3. 水星與地球的會合周期與其自轉周期存在一些巧合，使得人們一度以為水星公轉周期與自轉周期相等，然而並不是如此。

4. 水星的近日點進動是愛因斯坦廣義相對論的一個驗證。

5. 水星表面地貌與月球很相似。

6. 組成水星的主要物質是金屬和硅酸鹽，密度很大。

7. 水星有微弱磁場，幾乎沒有大氣。

8. 人類只有兩個探測器造訪過水星，對水星尚知之甚少。

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「嬌羞」的回眸

       水星是太陽系八大行星中離太陽最近的一顆星星，守著「光明的源泉」。眾所周知，行星自身不會發光，只能靠太陽饋贈的光芒，來彰顯它們的存在。與其他行星相比，水星本可以多分得一碗羹，顯得更加閃耀[1]。然而恰恰是因為它離太陽太近了，它的光芒在大部分時間裡，幾乎都被太陽的耀眼光輝無情地搶了風頭。只盼著一年中為數不多的幾天，水星和地球的相對位置使得它看起來離太陽最遠（稱為「大距[2]」），才能微弱地刷一波存在感。即使是在這幾天，由於它緊隨太陽左右，我們也只能在日出日落前後，才能捕捉到它的蹤影。古希臘的天文學家們就曾經以為早晨、晚上看到的水星是兩顆不同的星星。 

圖1   晨光中的月亮、水星和射電望遠鏡，作者Pierluigi Giacobazzi（圖片來源：APOD）

       天文學家們通常選擇最適宜觀測的時機——也就是「大距」——對水星進行觀測，有趣的是，他們發現每次觀測的時候看到的水星相差無幾，也就是說每次觀測的時候水星朝向地球的總是同一面。調皮的水星似乎嬌羞了起來，不肯給我們露出它的面容。每次相見回眸，都只能一睹她的背影。這正像我們幾乎每晚都能看到的月亮一樣，月亮一直以一面對著我們（準確地講由於月球天平動，我們在地球上可以看到大於一半的月球表面）。這給科學家們造成了不小的誤導：月亮繞地球的公轉周期與自轉周期相等（這被稱為潮汐鎖定），當年的天文學家以為水星與太陽之間形成了潮汐鎖定，因此每當地球、水星與太陽三者運行到構成「大距」的構型的時候，水星的自轉方位才總是相對確定，給我們呈現相同的一面。這個解釋看起來合理，而且在觀測和理論上都說得通（潮汐鎖定是天體力學中比較常見的狀態），然而卻並不真實。

圖2   潮汐鎖定的示意圖（圖片來源：Wikipedia）

       如果水星真的有一面永遠面向太陽，那麼朝向太陽的那一面必然是極高的溫度，另一面則是嚴酷的寒冷。1962年，天文學家們通過微波輻射對水星進行了研究，發現之前認為水星背對太陽的那一面的溫度並沒有預料中的那麼寒冷，這表明那一面不可能永遠背對太陽。1965年，天文學家又直接向水星發射雷達信號並觀察了反射信號的多普勒效應[3]，直接測定了水星的自轉周期，約為59天。早前的觀測還計算得水星的公轉周期約為88天，與地球的會合周期（即水星、地球和太陽三者連續兩次回到同一組相對位置[4]的時間間隔）約為116天[5]（這在我國漢代《三統曆》中已有記載，而且和現代測量值相差無幾，向我們的老祖先的智慧致敬~）。細心的讀者可能已經發現，這三個時間大致呈2:3:4的比例。這意味著，每一個會合周期內，水星都恰好自轉了兩周，這才使得，每次最佳觀測時機，我們都只能看到水星的同一面。

[1] 水星視亮度的影響因素還包括水星距離地球的遠近等。

[2] 當內地行星（水星、金星）在太陽東面，與太陽角距離最大時，稱為「東大距」，此時內地行星出現於黃昏時分的西方低空；當內地行星在太陽西面，與太陽角距離最大時，稱為「西大距」，此時內地行星出現於黎明時分的東方低空。

[3] 當火車飛馳而過的時候，你聽到的鳴笛聲聲調會發生變化，根據這種變化的程度你可以推斷出火車的速度，這裡也是同樣的原理。

[4] 由於行星的公轉軌道存在傾角和進動現象，這裡的「同一組」並非嚴格相同。

[5] 以上幾句話中的「天」指的都是地球日。

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瘋狂的舞蹈

       另一個讓天文學家摸不著頭腦的迷是水星詭異的公轉軌道。水星的軌道是八大行星中偏心率[6]最大的，約為0.21。其近日點的位置也並非一成不變，而是繞著太陽不斷移動——這稱為「進動」（如圖）。這本來也是行星軌道的常見現象，然而水星又給天文學家們使了個絆子，水星近日點進動的速度與經典力學的預測相比總是每世紀多出43角秒。這曾一度令天文學家陷入迷茫。 

圖3   水星公轉軌道進動的圖示

       法國天文學家勒維耶（Urbain Jean Joseph Le Verrier, 1811-1877）在處理天王星軌道異常的問題時，認為在天王星外存在一顆新行星（即海王星），並推算出了它的軌道。當時，海王星的軌道剛剛得到驗證不久，勒維耶正十分振奮，試圖第二次發現一個新行星。於是他分析了水星異常的進動軌道，認為在水星軌道的內側還存在著一個行星，稱為「火神星」（Vulcan），還對它凌日的時間等做出了預測，然而多次嘗試都沒有觀測到這個「火神星」的存在。直到廣義相對論被應用於水星的軌道問題上之後，這個問題才得到了比較好的解釋，於是「火神星」逐漸站不住腳。水星近日點的異常進動便成了愛因斯坦廣義相對論的三大驗證[7]之一。

[6] 行星的軌道一般是橢圓，偏心率反映軌道偏離圓軌道的程度，偏心率越大軌道越扁。

[7] 另外兩個是「引力透鏡」和星系的譜線紅移。

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瘡痍之海

       水星是離太陽最近的行星，根據開普勒定律，它運行的周期在八大行星里也最短，公轉速度也最快，探測器造訪水星必須具有較大的速度，使得控制難度大大增加；要想進入環繞軌道甚至著陸的話，又必須把速度降到一定程度以被水星引力捕獲，這需要利用燃料變軌，給設計和發射帶來了難度。因此，儘管水星是離地球第三近[8]的行星，目前人類僅有兩個探測器成功造訪了水星。其中水手10號僅以掠過的方式（即沒有進入環繞軌道）對水星進行了探測，信使號探測器則進入了環繞水星的長橢圓軌道。

圖4   水手10號探測器（圖片來源：百度百科）

       兩個探測器給水星拍攝了大量照片，從照片中我們發現水星的地貌與月球十分相似——那裡最引人注目的就是隕石坑和環形山。這主要是由於沒有大氣層[9]的保護（水星有一層極為稀薄的大氣，許多地方都稱水星沒有大氣），許多彗星和小行星可以順利無阻地撞擊水星表面；而且在沒有大氣的環境里，也就沒有風化等作用，因此水星的地貌忠實地記錄著它經歷過的種種滄桑。

圖5   信使號探測器（圖片來源：百度百科）

       沒有大氣層的另一個後果是溫度不能受到大氣層的調節，這使得水星的「晝夜」[10]溫差非常大。白天的最高溫度與水星離太陽的距離有關，但即使在遠日點時也高達約280攝氏度，在近日點時更是高達約430攝氏度以上，這足以熔化某些熔點較低的金屬（如鉛）而到了晚上，溫度則走向另一個極端：降到零下180攝氏度左右。

圖6   水星表面（圖片來源：NASA）

       藉由這兩個探測器傳回的數據，我們對水星的物理性質和地貌有了初步的了解。首先來看它的質量——水星在這裡也跟我們賣了個關子，想隱瞞它的體重呢~通常我們推算一個星體的質量是通過圍繞它旋轉的其他星體的軌道參數計算而得的（中心天體質量、軌道半長軸和運行周期之間有確定的關係，在萬有引力常數已知的前提下，可以推算出中心天體的質量；而萬有引力常數則已經被卡文迪許用精妙的扭秤實驗測得），可是水星沒有衛星——這讓我們初期的測量有了一定困難。好在我們有一些替代方法。德國天文學家恩克[11]（Johann Franz Encke, 1791-1865）曾通過分析一顆經過水星附近區域的彗星所受的水星的引力攝動，估算了水星的質量。後續較為精密的測量則仍然是通過分析已經成為水星衛星的信使號探測器的軌道參數來進行的，測算值約為3.3*10^23千克。

圖7   水星內核示意（圖片來源：Wikipedia）

       探測器還測定了水星的直徑，約為4879千米。進而可計算得水星表面的重力加速度約為3.7m/s2，相當於地球表面的40%左右，這意味著你在水星上會感到身輕如燕。

       還可算得水星的平均密度約為5.4g/cm3，僅次於地球（5.5g/cm3）。但是，地球比水星大得多，地球的密度在一定程度上受自身引力作用「壓縮」而增大了，對於水星，這種作用則較弱。因此水星的密度更加「貨真價實」（即反映了其組成物質的密度，這意味著水星上重元素的比重比較大），剔除了這種作用後進行估算，水星的密度則大於地球。探測表明，水星大約由70%的金屬和30%的硅酸鹽組成。而且根據其密度可以推知，水星的富含重元素的核心約佔總質量的75~80%左右，這遠遠超出地核佔地球總質量的比例（33%左右）。這種現象的成因還有待進一步探索[12]。

       另一個我們尚未搞清的問題是水星的磁場。水星的磁場很弱，但對於其較小的「身材」卻是出人意料。關於天體磁場的產生，目前最流行的解釋機制是「發電機機制」，即天體內部存在著旋轉或對流著的導電流體——這要求天體內部存在一個物質處於熔融狀態的高溫環境。通常，天體是靠著自身的引力的巨大壓強來提供這種環境的，不過我們「嬌小」的水星顯然無法滿足這種要求。為此，天文學家們提出了一些假說，比如水星內部存在放射性物質，依靠其衰變提供熱量；水星內部的金屬與其他物質組成了熔點較低的化合物；太陽對水星的潮汐作用使其內部被加熱……除「發電機機制」外，也有科學家假設水星磁場是以前磁場的殘餘（即水星是個「大磁鐵」），這種假設避免了「高溫內核」的困難。

[8] 距離地球最近的是金星，其次是火星。

[9] 後文中提到，水星的磁場很弱，又距離太陽如此近。由於幾乎沒有磁場的保護，大氣都被太陽風「吹」走了。

[10] 感興趣的讀者請利用第一節末尾的數據大致推算一下水星的一天——也就是太陽連續兩次經過天空同一位置的時間間隔——與水星一年的長短關係，看看哪個更長。

[11] 著名的2P/Encke彗星就是為了紀念他而命名的。

[12] 其中一種假設是水星在形成初期質量和體積比現在都要大，後來經歷了一次與其他星體的碰撞導致其外殼被剝離，留下殘存的薄外殼。

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結語

       覺得夏天很熱嗎？想想水星夏季區域的人民吧！（好在水星上沒有生命，嗯，至少我們尚未發現）地球上還是很舒坦滴~

       謎一樣的水星是否勾起了你的興趣？無數的天文愛好者們可都為它著迷呢~（由於當時觀測條件的限制，哥白尼一輩子都沒有看到過水星，甚是遺憾）不過今非昔比啦，現在跟著青天會就有機會看到水星哦~（有圖為證）

圖8   2017年4月青天會外出觀測時，在華海田園觀測到的水星（箭頭所指，圖片來源：謝豐羽 攝）