“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核。地球的內核和火星的內核分別只占行星質量的30%和25%，而水星的內核竟然占到了行星總質量的70%之多?？茖W家稱之為“水星之謎”。

科學家自上世紀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，內核直徑約1800千米；地球直徑約12700千米，內核直徑約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核，是因為它曾經(jīng)和一個質量差異特別巨大的天體發(fā)生過碰撞。遠古時代水星的質量曾經(jīng)是現(xiàn)今的2.25倍，但后來另一個質量只有其1/6的天體與其發(fā)生了劇烈碰撞，導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。

近日巴黎城市大學國家科研中心全球物理研究所的Patrick Franco，率領一眾科學家在《自然：天文學》上刊文指出，雖然水星和另一天體的碰撞是導致其內部結構異常的原因，但與之發(fā)生碰撞的天體質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核，其原因可能并非與一次雙方質量差異懸殊的大碰撞有關。一個質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)今異常的內部結構——而且無論從統(tǒng)計學還是動力學的角度來看，這種情形都要合理得多。

早期太陽系是一個相當混亂和無序的世界。巖石質地的行星胚胎們，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（smoothed particle hydrodynamics）”模擬對他們的設想進行了驗證。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核和主要成份為硅酸鹽的水星幔殼。

研究人員假設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又去了哪里？

模擬結果顯示，如果水星是與一個質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量——而這樣一來，水星今天的內核和地幔比例就不會失衡。

因此可以設想，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，當時存在大量星子和行星胚胎，它們的引力作用驅散了這些碎片。

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。原始水星質量約為地球的0.13倍。粉色代表其幔，藍綠色代表其內核。與原始水星相撞的天體則用黃色內核和紅色的幔表示。二者以32.5的角度，以較慢的速度發(fā)生碰撞。碰撞后物質飛散，重新形成的水星質量為地球的0.056倍，與今天水星的實測質量（地球質量的0.055倍）非常接近。

Franco / 自然：天文學

參考

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

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