“水星之謎”新解。

NASA信使號探測器拍攝的水星真彩圖像。新研究向傳統(tǒng)水星形成機制認知發(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60年代和70年代開始，從地面射電望遠鏡的數(shù)據(jù)中，開始逐漸注意到了這一現(xiàn)象。1975年水手10號帶回了精確的測量數(shù)據(jù)；而2010年至2015年，信使號提供了最有力的證據(jù)，表明這顆行星的核心確實非常龐大。

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

主流觀點認為，水星之所以會有這么大一個內(nèi)核，是因為它曾經(jīng)和一個質(zhì)量差異特別巨大的天體發(fā)生過碰撞。遠古時代水星的質(zhì)量曾經(jīng)是現(xiàn)今的2.25倍，但后來另一個質(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。但計算機模擬結(jié)果顯示，發(fā)生此類碰撞的概率很低。因為此類碰撞發(fā)生前，天體必須在偏心率極高的的軌道上運行，而這種情況極為罕見。

近日巴黎城市大學(xué)國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。

詳細的數(shù)值模擬顯示，早期太陽系質(zhì)量相近的天體之間發(fā)生碰撞是一種更為常見的現(xiàn)象。水星之所以有今天這樣一個異常巨大的內(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)——而且無論從統(tǒng)計學(xué)還是動力學(xué)的角度來看，這種情形都要合理得多。

早期太陽系是一個相當(dāng)混亂和無序的世界。巖石質(zhì)地的行星胚胎們，仍在為為數(shù)不多的幾個能夠成為行星的名額而互相競爭。這些仍處于演化過程中的天體，在行星的子宮里通過引力相互影響、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“平滑粒子流體動力學(xué)（smoothed particle hydrodynamics）”模擬對他們的設(shè)想進行了驗證。這種方法能夠模擬運動中的氣體、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，如果水星是與一個質(zhì)量差異懸殊的天體發(fā)生的碰撞，那么水星會重新吸積大部分失去的質(zhì)量——而這樣一來，水星今天的內(nèi)核和地幔比例就不會失衡。

因此可以設(shè)想，在太陽系早期，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，則需要進行深入的研究。

水星撞擊事件的模擬畫面。原始水星質(zhì)量約為地球的0.13倍。粉色代表其幔，藍綠色代表其內(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，與今天水星的實測質(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