給天文學家出難題的行星

06-01

水星 (Mercury) 是離太陽最近的行星——這「近」當然是天文學意義上的「近」：水星在近日點 (perihelion) 和遠日點 (aphelion) 離太陽的距離分別約為 4,600 萬公里和 7,000 萬公里——或約為 0.31 天文單位和 0.47 天文單位[注一]。水星不僅離太陽近，離地球也不遠，最近和最遠距離分別約為 7,700 萬公里和 2.2 億公里，以最近距離而論是離地球第三近的行星 (僅次於金星和火星)。

初看起來，離太陽近意味著能反射較多的陽光，對於行星這種自身不發光的天體來說意味著絕對亮度較大；離地球近則錦上添花，不僅意味著表觀亮度較大，而且也便於行星探測器前去探測。照說這樣的行星該是比較容易觀測和探測，從而也了解得較多的，事實卻恰好相反：水星是一顆在各方面都給天文學家們出難題的行星，我們對它的了解則在太陽系行星中即便不是最少，也是較少的，甚至一度比對遙遠的天王星和海王星的了解還少。

而且不無戲劇性的是，水星給天文學家們出的第一個難題恰恰就是因為離太陽近——太近。

由於離太陽太近，對於地球上的觀測者來說，水星多數時候都會被太陽的光芒所干擾——甚至徹底淹沒，每年只有幾個星期的時間適合觀測。而且即便在那段時間裡，觀測也大都只能在黎明或黃昏，在水星比太陽早升起或晚落下的一小段時間裡進行，而不像多數其他天文觀測那樣能以黑暗夜空為背景進行[注二]。這樣的觀測不僅會因明暗對比的不夠顯著而增加難度，而且還會因視線以接近地平線的角度穿越較長距離的大氣層，而容易受大氣的擾動與折射，及地平線附近的地形或建築物的影響。這些都使得對水星的觀測相當困難——雖然以最大表觀亮度而論，水星其實是全天排名第六的最明亮天體，僅次於太陽、月亮、金星、火星和木星。

為這種困難雪上加霜的是：水星的公轉與自轉周期，以及地球的公轉周期之間存在著混雜了必然與巧合的微妙關係，長時間誤導了天文學家們。

具體地說，水星的公轉周期約為 88 天 (更精確的數值約為 87.969 天)，自轉周期約為 59 天 (更精確的數值約為 58.646 天)，兩者之比正好是 3:2。這種存在於公轉與自轉周期間的簡單比例關係是天體力學中形形色色的共振現象的一種，被稱為「軌旋共振」 (spin-orbit resonance)。水星的軌旋共振是太陽對像水星這樣離得較近，且軌道偏心率 (eccentricity) 較大的行星的巨大潮汐作用造成的，具有一定的必然性。巧合的部分則是：水星與地球的所謂「會合周期」 (synodic period) 約為 116 天，不僅很接近水星自轉周期的兩倍 (即 116 ≈ 59×2)，同時也接近地球公轉周期的 1/3——即 1/3 年 (即 116 ≈ 365/3)。

什麼是水星與地球的會合周期呢？它是水星、地球與太陽這三者連續兩次回到——或近似回到——同一組相對位置的時間間隔[注三]。這種「相對位置」的一個最簡單的例子是水星與地球在太陽同側且與太陽聯成一線，這時地球與水星的距離最近 (「會合」)；一個稍複雜的例子則是水星處於所謂的東大距 (greatest eastern elongation) 或西大距 (greatest western elongation)，這時從地球上看到的水星相對於太陽的分離角度——即所謂距角 (elongation)——最大。由於觀測水星的一個主要困難就是太陽光芒的干擾，而距角越大幹擾越少，因此水星處於東大距或西大距是有利於觀測的。不過還有一個因素也很重要，那就是水星視運動軌跡與地平線的夾角，因為在同樣的距角下，視運動軌跡與地平線的夾角越大，則水星比太陽早升起或晚落下的幅度——即離地平線的最大高度——就越顯著 (好比立在地上的一根桿，與地面的夾角越大，頂端離地面的高度就越大)，從而越有利於觀測。進一步分析表明，由於這第二個因素的存在，每三次東大距或西大距中才有一次是最有利於觀測的，它們彼此間隔三個會合周期——確切地說最有利於觀測的機會共有兩組，一組是東大距，對應於水星比太陽晚落下的情形；另一組是西大距，對應於水星比太陽早升起的情形。 (同組之內) 連續兩次最有利於觀測的機會通常間隔三個會合周期。

將這一結果跟水星與地球的會合周期「很接近水星自轉周期的兩倍，同時也接近地球公轉周期的 1/3——即 1/3 年」這一巧合，以及水星公轉與自轉周期之間 3:2 的軌旋共振聯繫起來，不難看到， (同組之內) 連續兩次最有利於觀測水星的機會之間通常間隔 1 年——即地球公轉 1 圈，或水星自轉 6 圈，或水星公轉 4 圈。由於這些都恰好是整數，因此在這個時間間隔之內水星與地球的公轉與自轉都幾乎恰好轉回到同一方位。由此得出的直接推論是：水星會以同一面朝向地球。或者完整地說： (同組之內) 連續兩次最有利於觀測水星的機會幾乎總是會觀測到水星的同一面。由於很多天文學家正是選擇最有利於觀測水星的機會來觀測的，因此他們每次看到的水星表面往往是相同的。

這種微妙關係把天文學家們誤導到了一個比真實情形更簡單、然而卻是錯誤的猜測上，即猜測水星永遠以同一面朝向太陽。因為若如此，則在任何一個東大距或西大距時，水星都自動會以同一面朝向地球，從而無需依賴水星與地球的會合周期「很接近水星自轉周期的兩倍」這一早期天文學家並不知道的巧合，就可以解釋每次看到的水星表面往往是相同的這一現象。 1882-1890 年間，義大利天文學家夏帕雷利 (Giovanni Schiaparelli) 通過對水星的認真觀測「證實」了這一猜測。 1924-1929 年間，希臘天文學家安東尼艾迪 (Eugenios Antoniadis) 基於長期觀測所繪製的水星地圖也大體「證實」了這一猜測。不僅如此，這一猜測所對應的是水星公轉與自轉周期之比為 1:1 的情形，它作為軌旋共振中最簡單的特例，被稱為「潮汐鎖定」 (tidal locking)，本身也是天體力學中很常見的共振形態 (比如月球的公轉與自轉就是一個例子)。因此，這是一種在觀測和理論上都說得通的猜測。這樣的猜測長期誤導了天文學家，使他們直到 20 世紀 60 年代初還以為水星總是以同一面朝向太陽[注四]。

天文學家們發現這一猜測有問題，是因為它的一個推論——別小看推論，在科學這樣具有嚴密邏輯的體系中，對推論進行檢驗是發現問題的重要途徑之一。

那是一個什麼推論呢？很簡單：假如水星總是以同一面朝向太陽，那麼這一面就永遠是白天，另一面則永遠是黑夜。而一個永遠是黑夜的地方有個基本特徵就是冷。因此，假如水星總是以同一面朝向太陽，那麼這個離太陽最近的行星很可能悖論般地擁有太陽系行星上最寒冷的地方，這就是推論。但是 1962 年，天文學家們通過微波研究發現了水星背著太陽那一面並沒有如想像中那樣的寒冷，而是能發射與那樣的寒冷不相稱的熱輻射。這顯示那一面很可能並不是永遠背著太陽，而是殘留著白天的餘溫。這樣一來，「水星總是以同一面朝向太陽」這個初看起來頗為合理的猜測就被動搖了。 1965 年，通過直接向水星發射雷達波並觀測反射波所顯示的體現水星表面運動的多普勒效應 (Doppler effect)，天文學家們直接測定了水星的自轉周期，結果發現約為 59 天，只有公轉周期的 2/3 左右。這一結果後來得到了反覆驗證，徹底推翻了「水星總是以同一面朝向太陽」這一猜測，並確立了水星公轉與自轉周期之間 3:2 的軌旋共振。

測定自轉周期並確立 3:2 的軌旋共振並不是水星運動帶給天文學家的的唯一難題。一個遠比它更出名的難題是所謂的水星「近日點進動」 (perihelion precession) 之謎。這個難題很早就被注意到了，因為限於設備，早期天文學家們所能從事的天文研究種類很有限，其中很大一類就是觀測行星的軌道，並與當時公認的牛頓萬有引力定律的計算相比較。這類工作是頗有成效的，不僅在多數情況下能以很高的精度驗證理論，而且哪怕在觀測與理論一度出現偏差時，也曾有過輝煌——甚至更輝煌——的成就，即海王星的發現[注五]。

但可惡的水星卻給這類研究也出了一個難題。

觀測顯示，水星的橢圓形軌道相對於背景星空是緩慢旋轉著的。這種被稱為近日點進動的現象本身並不新奇，是所有行星和衛星的軌道在不同程度上共有的。麻煩出在哪裡呢？出在具體數值上——就如西諺所云：魔鬼存在於細節之中 (The Devil is in the detail)。精密的觀測及計算表明，水星近日點進動的觀測數據與理論計算之間存在一個雖然微小但很確鑿的偏差。在理論上，造成水星近日點進動的主要因素是其他行星的引力攝動 (gravitational perturbation) 及太陽的扁度 (oblateness) 等。但把所有這些因素都考慮進去之後，雖然 99% 以上的觀測值都得到了解釋，那剩餘的略小於 1% 的觀測值卻仍是個謎。這部分有多大呢？約為每 100 年 43 [角] 秒 (arc second)——相當於圓周的十萬分之三。每 100 年才相差圓周的十萬分之三，這幾乎是一種難以察覺的細微，但在天文學家們的細緻觀測下不僅被注意到了，而且遠遠大於了觀測和理論計算的誤差，從而構成了一道確鑿的難題。這道難題早在 19 世紀中葉就被注意到了[注六]，卻直到 1915 年才由愛因斯坦 (Albert Einstein) 的廣義相對論所解決，成為廣義相對論的三大經典驗證之一。

二. 水星「一日游」

介紹完了有關水星的「運動學」信息，接下來讓我們假想性地到水星上去作一個「一日游」吧。

我們前面提到過，以最近距離而論水星是離地球第三近的行星，但與這個排名很不相稱的是，哪怕在航天科技已有半個多世紀歷史的今天，到水星上去仍不是一件容易的事情。追根溯源，這其實也是水星離太陽太近帶來的難題。由於離太陽太近，水星繞太陽公轉的平均速度高達每秒 48 公里左右，比每秒 30 公里左右的地球繞太陽的公轉速度快得多，這使得飛往水星的探測器必須具有很高的速度，而探測器如果想要環繞水星甚至登陸水星的話，還得解決另一個難題，那就是在接近水星時減速到能被水星引力俘獲的低速度。由於這些難題的困擾，從距離上講是「鄰居」的水星實際上卻是最少被行星探測器訪問的行星之一。事實上，在 2004 年之前，人類只向水星發射過一個行星探測器，那就是 1973 年 11 月 3 日發射的「水手 10 號」 (Mariner 10)。但「水手 10 號」因為沒有能力減速，只對水星進行了掠過式 (fly-by) 探測。直到 2011 年，人類發射的第二個水星探測器「信使號」 (Messenger) 在升空六年半之後，才終於進入了一個環繞水星運動的長橢圓軌道。而登陸水星的探測器，則尚不在目前的行星探測時間表上[注七]。

因此不僅目前，甚至在未來若干年內，水星「一日游」都只能是假想性的。

與地球相比，水星的 59 天左右的自轉周期是很慢的，相對於它自己的 88 天左右的公轉周期來說就更是如此。對地球來說，當她自轉完一圈後，其在公轉軌道上轉過的角度還不到 1°，從而太陽表觀方位的變化也幾乎就是一圈。這意味著以太陽方位為標識的地球上的一天——或所謂「平均太陽日」 (mean solar day)——幾乎就等於地球自轉一圈的時間。但對於像水星這樣自轉緩慢的行星來說，情形就完全不同了，因為當水星自轉完一圈時，它在公轉軌道上也轉過了大半圈，大大抵消了太陽表觀方位的變化。具體地說，由於公轉與自轉周期之間存在 3:2 的軌旋共振，當水星自轉完一圈時，其在公轉軌道上已轉過了 2/3 圈，從而太陽表觀方位的變化只有 1/3 圈。這說明，水星要自轉三圈——或公轉兩圈，即兩「年」——才能使太陽的表觀方位改變一圈，這才是以太陽方位為標識的水星上的一「天」。因此，水星上的一「天」等於兩「年」，用我們地球上的「天」來衡量的話，則相當於 176 天！

由此可見，水星「一日游」是一場曠日持久的旅遊。

那麼，水星上的環境又如何呢？很遺憾地告訴大家：糟透了。

天文學家們早就知道，水星是沒有大氣層的[注八]。這是不難理解的，因為水星離太陽太近，大氣層會因太陽烘烤產生的高溫而散失得較快，而水星的質量——如後文將會介紹的——則較小，只有地球質量的 5.5% 左右，從而對大氣分子的引力束縛能力較弱。另外，水星磁場的強度只有地球磁場強度的 1% 左右，無法有效地阻止比地球附近強勁得多的太陽風 (solar wind) 將大氣層「吹走」。這些因素共同造成了水星沒有大氣層的結果。

沒有大氣層的一個直接後果是天總是黑的。我們在地球上習以為常的「藍天」是由陽光在大氣層中的散射造成的，在沒有大氣層的水星上，哪怕是「白天」，哪怕比地球上大得多、亮得多、熱得多的大太陽高懸頭頂，天依然是黑的，依然可以看到滿天的星星。這是地球上沒有的奇景。水星上的這種特殊景觀給科幻作家提供了很好的素材。比如 1956 年，著名美國科幻作家阿西莫夫 (Isaac Asimov) 寫過一篇題為《幸運之星與水星的大太陽》(Lucky Starr and the Big Sun of Mercury) 的科幻小說，其中給人印象很深的一個場景就是在水星黑夜與白天的交界線附近遠望地平線上巨大而壯麗的日冕 (corona)。日冕在地球上是只有在日全食期間才看得見的景象，在水星上卻可以輕易看到，並且由於水星離太陽很近，看到的日冕也大得多[注九]。

沒有大氣層的另一個後果，是沒有了大氣層對溫度的調節作用。這一點，加上「日」和「夜」的極為漫長，使得水星上一「天」之中的溫差是太陽系中最懸殊的。與之相比，像新疆這種地球上溫差較大的地方的「早穿棉襖午穿紗，圍著火爐吃西瓜」的溫差簡直不值一提。具體地說，水星上白天的最高溫度與水星離太陽的距離有關，但哪怕在遠日點時也高達約 280 攝氏度 (280°C)，在近日點時更是高達約 430 攝氏度 (430°C) 以上，足以熔化某些熔點較低的金屬——比如熔點不到 330 攝氏度 (330°C) 的鉛。而到了晚上，溫度則走向另一個極端：降到零下 180 攝氏度 (—180°C) 左右。

更具體地說，水星上典型的一「天」是這樣的：拂曉時的溫度是全天最冷的零下 180 攝氏度 (—180°C) 左右，這是「黎明前的黑暗」，長夜由此而盡，溫度開始攀升；至「早晨八九點鐘」，溫度升至堪稱舒適的 20 攝氏度 (20°C) 左右；但這種舒適是不能持久的，隨著「日頭」升高，溫度繼續上升，在「艷陽高照」的正午時分升至絕對不舒適的 400 攝氏度 (400°C) 左右；下午兩點來鍾時，則進一步攀升至全天最炎熱的 430 攝氏度 (430°C) 以上。中國古代有個傳說叫做「后羿射日」，說天上曾有 10 個太陽，這當然是無稽之談，不過拿來形容水星上的太陽倒是頗為合適，因為在近日點附近時，高掛在水星天空上的太陽的表觀面積幾乎恰好是地球上太陽表觀面積的 10 倍左右！只不過，「后羿射日」的傳說中后羿射掉了 10 個太陽中的 9 個，而在現實的水星上，唯一能做的就是等待日落。在日落時分，溫度會降至勉強能忍受的零下 20 攝氏度 (—20°C) 左右；午夜時分則進一步降至約零下 170 攝氏度 (—170°C)[注十]。

很明顯，沒有足夠封閉而隔溫的設備，我們是萬萬不能在水星上逗留的。如此大起大落的溫度及沒有大氣層的環境顯然也排除了這顆中文名字帶「水」的行星上存在液態水的可能性。不過，在某些特殊區域里有可能存在所謂的「水冰」 (water ice)——即通常所說的冰[注十一]。比如以中國元代書法家趙孟頫的名字命名的直徑約 167 公里的「趙孟頫隕石坑」 (Chao Meng-Fu crate) 被認為約有 40% 的區域是終日不見陽光的，那裡的溫度很可能始終維持在零下 170 攝氏度 (—170°C) 以下。一般認為，在那樣的區域里很可能存在亘古不化的「水冰」，這一點在很大程度上受到了雷達回波觀測的支持 (因為對雷達回波極化狀態的研究顯示出它很可能是被「水冰」所反射的)。據估計，水星上「水冰」總量有可能高達 1,000-10,000 億噸，相當於地球南極區域所儲數量的萬分之一左右。

水星上的一「天」如此漫長，「一日游」若不四處活動一下將會是極度乏味的。那麼，水星上的活動空間有多大呢？還真不小。雖然自冥王星被降級之後，水星已是太陽系中最小的行星，但它的直徑——如後文將會介紹的——仍有約 4,879 公里，表面積幾乎達到地球陸地面積的一半左右，或相當於亞洲與非洲的面積之和。漫步水星表面，最顯著的景觀就是隕石坑。由於沒有大氣層，大大小小的隕石都能撞擊到水星表面，而不會像在地球上那樣，較小的隕石在穿越大氣層時被摩擦產生的高溫燒毀。在水星表面的隕石坑中，最大的一個被稱為卡洛里盆地 (Caloris Basin)，直徑達 1,550 公里左右，面積比中國的新疆還大，形成於約 38-39 億年前。據推算，形成卡洛里盆地的「肇事者」是一顆直徑在 100 公里以上的巨型隕石。它的撞擊不僅造成了巨大的卡洛里盆地，而且產生了幾乎能飛散到水星各個角落的碎片，撞擊造成的「地震波」甚至在與撞擊點遙遙相對的水星表面另一側的所謂的「對跖點」 (antipode) 處匯聚，對那裡的地貌造成了巨大破壞[注十二]。這種巨大撞擊對天體表面「對跖點」附近地貌造成破壞的現象被稱為「對跖點效應」 (antipode effect)，並非水星所獨有。這種效應的存在，意味著在真正巨大的隕石撞擊下，最遠離撞擊點，從而貌似最安全的「對跖點」具有特殊的不安全性。當然，對於我們這些脆弱的地球生物來說，遠比那小得多的隕石撞擊就足以對生物圈造成毀滅性打擊，那種意義上的不安全性也就談不上了。

在沒有大氣和液態水的環境里，隕石坑不會像地球上的地貌一樣受到風化等效應的侵蝕，從而忠實地記錄了水星在悠長歲月里——尤其在早期——所遭受的猛烈的隕石撞擊。這種記錄的忠實程度甚至使天文學家們能夠用隕石坑的密度來粗略地估計水星表面很多地貌的年齡：隕石坑密度較低的地貌相對年輕，隕石坑密度較高的地貌則相對古老。這種方法被稱為「撞擊坑計數」 (Crater counting)，它對於估計像水星這樣尚未被探測器登陸過，從而沒有岩石樣本可以研究的天體的地貌年齡是很重要的。不過，也正是由於沒有岩石樣本可以研究，從而無法進行可靠的校正，這種估計的誤差也比較大。比如次級隕石坑 (即由真正的隕石撞擊所產生的碎片撞擊出的隕石坑) 就會對這種方法產生干擾。此外，這種方法在很大程度上依賴於水星與月球的相似性，以月球作為校正基準，但處於太陽系不同區域的水星與月球雖有一定的相似性，比如都沒有空氣，在隕石撞擊方面究竟有多大的可比性還是一個未知數。

除隕石坑外，水星表面還有很多其他地貌，比如有高原、平原之分，還存在皺脊 (wrinkle ridge)、峭壁、山谷，以及早期岩漿活動的痕迹等等。不過跟絢麗多姿的地球相比，水星是很乏味的，連色調都是灰暗的，灰暗的表面、黑暗的天空，酷寒的長夜，外加一掛就是幾個月之久的恐怖的大太陽，這基本上就是水星「一日游」的核心內容了。不過，對普通遊客雖然乏味，但像水星這種在漫長時間裡地貌未受風化等效應侵蝕的行星如同巨型的化石，對研究整個太陽系的形成都有重要價值，這對天文學家們來說是很有吸引力的。

三. 水星的結構與起源

接下來再談點比較物理的東西——先從簡單的談起。

當我們越出行星本身的範圍，用更廣的視角來看，一個行星最簡單、但也算得上最重要的物理性質乃是質量。說它「重要」，是因為行星對外顯示的力量主要是引力，而質量是引力的源泉。說它「簡單」，則是因為質量是一個總量，不像地貌那樣瑣碎；而且數值穩定，不像溫度那樣多變；更主要的是，質量通常是很容易確定的，比如地球的質量是中學生都能推算的——當然，前提是萬有引力常數的數值已知[注十三]。

不過這種「簡單」到了擅出難題的水星這裡也變成了難題，因為測算行星質量的基本思路是利用行星的引力，具體方法則是觀測在行星引力作用下物體——比如衛星——的運動。不幸的是，水星卻是一位「光桿司令」，連一顆衛星都沒有。因此，本該很容易確定的質量在水星這裡變成了難題。

當然，這難題絕非無解。比如 1841 年，德國天文學家恩克 (Johann Franz Encke) 率先通過分析一顆經過水星附近天區的彗星所受的引力攝動，對水星質量進行了粗略測算[注十四]。又比如 1968 年，小行星伊卡洛斯 (1566 Icarus) 從距離水星 1,600 萬公里處掠過，天文學家們通過對它所受水星引力攝動的分析，也對水星質量進行了測算。測算水星質量的其它手段還包括利用其對離它最近的行星——金星——的引力攝動，以及利用其對「水手 10 號」 (Mariner 10) 行星探測器的引力攝動等。但最精確的測算，則是利用已成為水星「人造衛星」的「信使號」水星探測器。經過一系列測算，水星的質量被確定為 33,000 億億 (3.3×1020) 噸左右，僅相當於地球質量的 5.5% 左右，在太陽系行星之中是最小的。

另一方面，水星的大小早在公元 5 世紀就被一位印度天文學家以不可思議的運氣估算到了 99% 的精度，此後經「水手 10 號」探測器等的測定，被確定為了直徑約 4,879 公里。由於自轉緩慢，水星幾乎不存在因自轉造成的形變，從而總體形狀非常接近球形。由質量和直徑不難計算出水星的表面重力加速度約為 3.7米/秒2，相當於地球表面重力加速度的 40% 左右。這意味著，一個 120 斤重的人在水星上的的體重僅為 45 斤左右，會有「身輕如燕」的感覺。

由質量和直徑還可計算出水星的平均密度約為 5.4 克/厘米3。這是一個非同小可的密度，在太陽系行星中僅次於地球的約 5.5 克/厘米3。但是，地球由於質量比水星大得多，其密度在一定程度上是被巨大的「自重」壓出來的，若把這一因素剔除，地球物質的所謂「非壓縮密度」 (uncompressed density) 其實只有 4.4 克/厘米3 左右，甚至更低。相比之下，水星由於質量小，其密度顯得更「貨真價實」，哪怕剔除掉「自重」造成的壓縮作用，也仍高達 5.0 克/厘米3 以上。因此，從單純的物質組成來講，水星其實是一個密度比地球更大的行星，也是太陽系中密度最大的行星。

密度這麼大的一個直接推論就是水星上含有超高比例的重元素，尤其是鐵或鐵的化合物——因為鐵是太陽系中最常見、數量最多的重元素。在重力影響下，經過幾十億年的漫長時光，水星上的重元素大都沉入內部，構成了一個富含重元素的核心 (core)。從水星的密度可以推知，它的這一核心約佔總質量的 75-80% 左右，遠高於地核佔地球總質量的 32.5% 的比例。相應地，水星的類似地幔和地殼的部分在總質量中所佔的比例則比地球及其它類地行星 (Earth-like planet) 小得多，堪稱是一種「皮薄餡厚」的奇特結構。

水星為什麼會有超高比例的重元素及「皮薄餡厚」的奇特結構呢？這是它給天文學家們出的又一道難題——一道側重物理的難題。初看起來，這題目似乎並非真的很難，因為太陽系形成之初，離原始太陽這一「光明的源泉」越近的區域溫度越高，從而使得行星盤中較輕的、易揮發的物質傾向於被驅離到遠處，留下來的則富集了不易揮發的重元素。這個特點在定性上與太陽系中固態的類地行星離太陽近，氣態的巨行星 (gas giant) 離太陽遠的大格局基本一致。按照這個特點，離太陽最近的水星理應有最高比例的重元素。

不過，定性上雖能說通，定量上卻還差點。計算表明，由上述因素所產生的「非壓縮密度」只能達到 4.5 克/厘米3 左右，與 5.0 克/厘米3 以上的實際值尚有不小的偏差。為了解釋這一偏差，一些天文學家做出了一個大膽的猜測：猜測水星原本是一個比現在大得多的行星，只是在演化的早期不幸遭遇了一次超級撞擊，撞擊的雙方分別為質量約為目前水星質量兩倍的「原水星」 (proto-Mercury) 和一個質量約為目前水星質量 1/5 的「大隕石」。這種比形成「卡洛里盆地」的撞擊還要恐怖無數倍的超級撞擊的後果可就不是什麼隕石坑，或「對跖點效應」了，它不僅使「原水星」的成長中途「夭折」，而且還對整個外層造成了毀滅性破壞，大部分物質慘遭剝離，使原本正常大小的核心相對於殘存的外層來說變得異乎尋常的大。

這種猜測可靠嗎？實在很難說。在太陽系形成的早期，超級碰撞的發生本身當然不是不可思議的，但對於這種發生在幾十億年前的災變型事件，想尋找確鑿證據卻是極其困難的。而這種事件的規模之劇烈，不定因素之眾多，又使得理論計算註定只能是粗略的。如果一定要對這種難以精密驗證的猜測進行評價的話，也許只能耍滑地說上一句「希望與挑戰並存」：這種猜測能定性地解釋諸如超高比例的重元素、「皮薄餡厚」的奇特結構那樣的特徵，從而是有希望的；但它也面臨一些挑戰，比如按這種猜測，水星外層最易被剝離的揮發性物質的含量應該微乎其微，但「信使號」水星探測器卻在水星外層發現了數量較多的揮發性物質。看來，關於水星的這道側重物理的難題還有待進一步探索。

水星給天文學家們出的另一道側重物理的難題則是我們前面提到過的水星的磁場。那磁場的強度只有地球磁場強度的 1% 左右，但強度雖小，它出現在像水星這樣「小塊頭」的行星上卻仍然是出乎意料的。水星的磁場是如何產生的呢？這也是一道難題。

關於天體磁場的產生，目前最流行的機制是所謂的「發電機機制」 (dynamo mechanism)，它要求天體內部存在旋轉或對流著的導電流體。這對於像地球這樣「大塊頭」的行星或像太陽那樣的恆星來說是輕而易舉就能實現的要求，但對水星來說卻有點麻煩。因為水星的質量實在太小了一點，是被假設有可能存在發電機機制的質量最小的天體。質量小為什麼有麻煩呢？這是因為天體內部導電流體的存在需要一個能熔化內部物質的高溫環境，而後者的產生又通常有賴於天體「自重」帶來的巨大壓強。因此，發電機機制對天體質量有一定的要求，而像水星這樣質量較小的行星似乎難以滿足要求，從而有點麻煩。

為了解決麻煩，天文學家們提出了一些假設，比如假設水星內部存在較多的放射性物質 (它們衰變產生的能量有助於實現高溫環境)，或假設存在特殊的隔熱物質防止熱量散失 (從而有助於維持高溫環境)。造就高溫環境的另一種可能的幕後推手是水星所受太陽引力的潮汐作用，這種作用對於像水星這樣離太陽近，而且軌道偏心率大的行星是比較顯著的，它會使水星因形變而產生能量。

除了造就高溫環境外，降低水星內部物質的熔點也有助於導電流體的存在。這方面的一種假設是認為水星內部某些區域的鐵與其他物質 (比如硫) 組成了熔點較低——從而更容易成為流體——的化合物，比如硫化鐵——它的熔點比鐵低 300 多度。這種假設有一個額外的好處，就是水星的密度雖然很高，卻也沒有高到鐵的程度，假設一部分鐵與像硫那樣密度較低的元素組成化合物，從密度角度講也有一定的合理性。

當然，上述假設並非互相排斥，而是有可能共同起著作用。除發電機機制外，也有天文學家猜測目前的水星磁場乃是過去曾經有過的磁場的殘餘。這種猜測的好處是不必假設水星內部目前仍存在導電流體，從而不必煞費苦心地為這種存在尋找理由。缺點則是水星的磁場雖然微弱，作為殘餘磁場卻似乎又太強了。

真正的答案是什麼呢？目前還無法知曉。我們確切知曉的是：所有這些有關水星磁場的假設或猜測都有賴於水星內部的物質分布，而後者又有賴於對水星更詳細的觀測來間接推算。在目前這種觀測數據比較匱乏的情形下，推算不出唯一的模型，確立不了模型的可靠性，都是不足為奇的。

關於水星我們就介紹到這裡，沒有空氣、酷熱、嚴寒…… 是水星環境的主要標誌，這樣的環境無疑是「糟透了」，但在行星大世界裡，它遠不是最糟糕的——事實上，跟它的鄰居、離太陽次近的金星相比，水星的環境已經算不錯的了。

注釋

這兩個距離的相對差別之大在太陽系行星里是創紀錄的，它所對應的軌道偏心率 (eccentricity) 約為 0.21，僅次於曾經是行星、後來遭「降級」的冥王星。

不過在最最有利的條件下，水星也有一小段時間能在黑暗或很接近黑暗夜空的背景下被觀測。不過這種「最最有利的條件」只有某些特殊緯度的觀測者在特殊時段里才有機會享受。感興趣的讀者不妨想一想，地球、水星、太陽處於什麼樣的相對位置才能產生出這種「最最有利的條件」？

假如水星與地球的公轉軌道是同一平面上的同心圓，則會合周期的計算是相當容易，感興趣的讀者可利用水星公轉周期約為 88 天，地球公轉周期約為 365 天這兩個數據自行計算一下。不過，由於水星與地球——尤其是水星——的公轉軌道並非圓形，更不是「同一平面上的同心圓」， 116 天實際上只是一種平均，水星與地球的會合周期會在 105 天到 129 天之間變化。

當然，這一誤導所影響的主要是對水星自轉周期的確定 (因為公轉周期是很容易測定的)。在那段被誤導的時期內，天文學家們普遍認為水星自轉周期與公轉周期一樣，約為 88 天。另外值得說明的是，由於像水星與地球的會合周期很接近水星自轉周期的兩倍那樣的巧合只是近似成立，因此只要連續觀測足夠長時間，哪怕每次選擇的都是最有利於觀測的機會，原則上也仍可以看到水星表面的其他部分，從而發現「水星總是以同一面朝向太陽」這一假設的錯誤的 (因為按這一假設，但凡在最有利於觀測水星的機會觀測，就只能看到水星的同一面)。不過也許是觀測水星本身就很困難之故，再加上先入之見的影響，雖有人發現過蛛絲馬跡，卻都未敢確認，從而使歷史並未沿這一途徑前行。

有關海王星發現的詳細歷史，可參閱拙作《那顆星星不在星圖上：尋找太陽系的疆界》 (清華大學出版社 2013 年 12 月出版)。

這方面的一位先驅人物正是預言海王星位置的兩位天文學家之一的法國天文學家勒維耶 (Urbain Le Verrier)，他於 1859 年報告了這一當時以為是每 100 年 38 [角] 秒的偏差。不過勒維耶猜測這種偏差是一顆比水星離太陽更近的行星造成的，這後來被證實為是錯誤猜測——關於這一猜測及觀測努力，可參閱拙作《那顆星星不在星圖上：尋找太陽系的疆界》 (清華大學出版社 2013 年 12 月出版)。

2015 年 4 月 30 日美國東部夏令時 (EDT) 下午 3 時 26 分 (北京時間 2015 年 5 月 1 日凌晨 3 時 26 分)，「信使號」水星探測器成功地撞擊了水星，以在水星上產生出第一個「人造隕石坑」的戲劇性方式結束了自己的水星探測使命。據估計，「信使號」撞擊水星的速度約為每小時 14,000 公里，撞擊產生的「人造隕石坑」直徑約為十幾米。這是迄今人類航天器與水星的唯一一次「親密接觸」，不過很難稱得上是「登陸」。

當然，說是沒有大氣層，其實也並非絕對沒有，只是微乎其微而已。水星有一個極稀薄的大氣層，由原子或離子狀態的氫 (H)、氦 (He)、氧 (O)、鈉 (Na)、鈣 (Ca)、鉀 (K) 等成分組成。

阿西莫夫這篇小說是一個被稱為「幸運之星系列」 (Lucky Starr series) 的系列科幻中的一篇。這個系列科幻我們在後面還會提到，它名為「幸運之星」 (這譯名其實是小說主人公名字的意譯)，實則很不幸地處在了行星探索取得大進展的前夕，結果是小說問世不久，其所描述的很多行星環境就被證實為是大謬不然。相對而言，關於水星這篇還算過得去的，畢竟水星沒有大氣這一特點是正確的，不過當時人們還普遍以為水星總是以同一面朝向太陽，阿西莫夫的故事也有賴於這一點。

當然，這裡的時間概念全都對應於將水星上的「天」類比成地球上的天 (因此每個「小時」約相當於地球上的一星期)。這裡還假定了溫度最高時水星恰好運動到近日點附近，並且陽光是直射的 (否則的話，溫度將會有所不同，因為溫度是與具體位置有關的)。另外可以順便提醒的是，水星上太陽的升落並不像地球上那樣規律，而是存在某些有趣的複雜性，比如在近日點附近，水星的公轉角速度可以超過自轉角速度，從而在水星上某些地方可以看見太陽的逆行。

之所以用「水冰」這樣古怪的名稱，是因為當我們離開熟悉的地球環境來討論其他天體上的「冰」時，在地球上通常只以液態或氣態存在的物質——比如通常只以氣態存在的二氧化碳——也能加入「冰」的行列，從而有必要加以界定。

也有一種猜測是撞擊產生的碎片直接砸到了「對極點」上。