Starrix 星匯點 – 再遇水星

再遇水星

6 月 12, 2015 Einstein 天文資料庫, 專題文章 0

33年前，海員10號接近水星，拍攝了水星總面積的45%。2008年1月14日，美國信使號太空船 MESSANGER 第一次飛近水星，在近距離下，拍攝了人類從未看到的水星影像，讓我們一同見證這個歷史時刻……

2008年1月14日，信使號在水星表面200千米處飛過。科學家利用這次的接近進行了大量的科學觀測及研究，包括大規模拍攝從未有太空船拍攝的水星表面。

Messager 信使號

為何再次探測水星？

水星、金星、地球和火星都屬於石質行星。這類行星中，以水星最極端：它體積最細小、密度最高、擁有最古老的表面、表面溫度差距最大以及最少被探測的行星。探測水星可讓科學家瞭解太陽系中的行星如何形成和發展。為了對水星有更深入的瞭解，科學家草擬了信使號計劃，利用先進的飛行器，帶著科學儀器接近水星，集中解決六個關鍵問題。

問題一：為何水星密度如此高？

每一個地質行星都有一個密度高、充滿鐵質的核心，而表面主要由鎂和鐵質矽酸鹽 (Magnesium and iron silicates) 的石質組成。每一個行星的密度也提供了相對鐵質核心的大小資料和地穀成份。水星未被壓縮的密度 (未計算中心行星自身引力的內在密度) 都已經有大約每立方厘米5.3克，已超越所有如金、火、地等等的地質行星。此外，科學家相信水星擁有最少60%的金屬核心，相比金、火、地的核心還要大兩倍。水星大約60%的行星質量已經差不多是整個行星75%的半徑了。

現時有三個理論去解釋為何水星密度如此的高。第一個理論是當太陽系形成初期，較輕的、近太陽的太陽系星雲氣體被太陽所吸收，反之較重的、還位於水星軌道內，形成了水星。這個理論正確的話，水星的石質在任何地方應沒有任何差異，只是相對的多與少。第二個理論認為早期的星雲把原水星外圍的石層吹走。這個理論將可推論水星石層成份應只有較少量的易揮發的如鈉和鉀等元素。第三個理論是當原水星形成後，曾出現大型的撞擊，擊起了底層的地穀，這個理論預言今天的水星表面曾是內層的地質成份，應有較多的鋁和鈣等元素。

信使號可以利用X射線、伽瑪射線和中子分光儀去測量水星的石質表面，也可以利用可見紅外線的分光儀去測量礦物成份。分析完成後，更可知道水星地穀的厚度，再者推論出水星的形成過程和演化。

太陽系形成初期 Credit: William K. Hartmann

問題二：水星的地理歷史是怎樣的？

自從海員十號探測水星後，已經超過30年沒有太空船到達水星，而當時只拍攝了整個水星的45%。看起來如同我們的月球。較年輕的隕石坑位於較古老的隕石坑上。

下圖是海員十號拍攝的相片，可見水星上其中一條最長的斷崖，稱為Discovery Rupes。這段陡坡長550千米，高一米以上。若能細心分析這個斷崖的形成，對於瞭解水星的熱力學歷史和水星內部結構有很大的幫助。

信使號帶著的攝影機比海員十號的有更高的解像度，相信今次的探索將可以把水星近距離的面貌重組出來。

問題三：水星的磁場有甚麼特性？

水星接近太陽，太陽風與水星的磁場及磁氣圈有相互作用。

水星的磁場與地球的兩極相似，你可以想像地球內部有一個巨型的磁石，其兩極就在南北極。相反地，金星、火星和我們的月亮都沒有證據支持其有兩極的磁場。

地球磁場的變化與太陽的變化是非常互動的，它經常受到太陽的活動而改變，包括太陽風和太陽表面的火焰變化。我們在地球上可用不同的方法測量這些變化。海員十號在飛近水星時也發現水星與太陽之間有這個互動的關係，但由於當時海員十號沒有帶備足夠的儀器去量度水星的磁場，也未曾瞭解水星磁場的強度有多大。

信使號將會圍繞水星近四個水星年 (每個水星年等於地球的88日)，詳細紀錄它的磁場位置與變化，這有助瞭解水星內部結構及它與太陽風之間的互動變化。

水星磁場與太陽風之間的複雜互動關係
Credit: J. A. Slavin, NASA Goddard Space Flight Center

問題四：水星的核心是怎樣的？

正如前文所說，海員10號發現水星擁有一個鐵質核心及全球性的磁場。較近期的資料顯示，地球利用雷達觀測水星仍有大部份的金屬核心至今仍然是液體。水星雖然從形成至今已冷卻近數十億年，但核心仍未全變成固體，在其熱力學歷史及演化上一定有重要的參數存在。

但海員十號當年的測量有很多限制和不全面。例如核心的組成部份是甚麼？這些基本問題仍未解決。如果核心是由純鐵組成，由於鐵的溶點很高，其核心應該已全變成固體。但若核心部份有其他元素像硫磺，已有可能把核心的熔點降低，變成液體。此外，有多少部份的核心是液體呢？這些問題仍未解決。

信使號利用激光的高度計 (laser altimeter)，測量水星液體部份的行星天平動。天平動是行星圍繞它的自轉軸的輕微擺動。石質的部份的天平動比浮在液體外核心上的天平動大兩倍。而信使號也會利用電波測量其引力場，從而幫助估計水星的核心大小和組成成份。

地球與水星核心的比較
Credit: NASA and APL.

問題五：水星的極地有甚麼不尋常的物質嗎？

水星的自轉軸與公轉軌道幾乎成直角，這使太陽照射到水星的兩極照射到陽光的區域有一個接近相同的日照角度。在極地的一些巨大隕石坑內，有一些永遠不能照到陽光，保持著冰凍的地方。在地球的雷達影像顯示，水星極地的地面上有一些高度反射雷達波長的區域。這些雷達反射的現象與火星極地的冰塊及木星月亮的冰塊非常相似。在非常接近太陽的星體上仍有冰塊確實是有趣的想法。

在終年照射不到陽光的地方相信溫度也足以讓水份結成冰塊。也有可能是因為彗星撞擊水星時，在極地留下水份，被凍結上數以億年的時間，也有可能是從水星內部氣化至極地時結成冰塊的結果。除此之外，雷達在水星北緯72度也發現有反射度高的物體在其內部。在這些較溫暖的區域要長時間有穩定的冰塊就較困難了。有些科學家認為，反射雷達的並非冰和水，而是一些其他的物質，例如硫磺。硫磺在永久不能照耀的水星極地內相信也是穩定的。也有人認為，一些自然形成的石塊的非常冰凍的環境中形成，也可以高度反射雷達的。

信使號將利用它所攜帶的儀器去找出這個答案。

問題六：水星易揮發的大氣物對水星有甚麼重要性嗎？

水星被一層很薄的氣體包圍著。它薄得不像金星、地球和火星的大氣層那樣。水星的大氣粒子不會互相撞擊，反而它會在表面如彈彈球那樣撞來撞去，這又被稱為「外氣層」(exosphere)。

有六種已知的元素在外氣層中包括氫、氦、氧、鈉、鉀、鈣。相對水星的年齡，這些物質在其外氣層上極不穩定。科學家相信氫和氦可利用炎熱和離子化的太陽風傳送到水星上。但是其他元素似乎來自外太空的物體，包括小型的隕石和彗星。當然也有其他的方法可把這些物質傳送至水星的外氣層中，例如：撞擊後，石塊的蒸發；因為陽光的照射，石塊中蒸發出較重的元素；或由水星內部出來；甚至由太陽風的離子濺射過來。

上圖是在不同日期測量水星表面的鈉大氣分佈情況，圖中可見圓形是水星的輪廓。Credit: A. E. Potter (Potter et al., Icarus, 2007)

信使號的儀器：

太空船的設計是任何太空任務的主要部份。每一千克的太空船，要攜帶很多千克的太空燃料使太空船達到逃逸速度擺脫行星的萬有引力，所以工程師和科學家會嘗試將太空船的重量包括結構和所攜帶的儀器做到最輕和最節省能源的程度。信使號所攜帶的儀器都很細小，並放在面向水星的位置，一個輕型的隔熱板將防止太陽光的直接照射。雖然大部份的儀器都固定在機身中，但由於信使號的軌道可包圍水星，以致測量水星表面、搜集數據和影像變得可行了。

信使號的儀器，Credit: JHU/JPL

Mercury Dual Imaging System (MDIS)	兩部相機拍攝水星表面
Gamma-Ray and Neutron Spectrometer (GRNS)	探測水星表面放射性元素
Magnetometer (MAG)	繪畫水星磁場
Mercury Laser Altimeter (MLA)	利用激光的反射，可準確描繪水星地型
Mercury Atmospheric and Surface Composition Spectrometer (MASCS)	測量紅外線和紫外光，量度大氣氣體
Energetic Particle and Plasma Spectrometer (EPPS)	量度帶電粒子的成份、分佈和能量
X-Ray Spectrometer (XRS)	量度太陽照射水星表面後反射出來的 X 射線
Radio Science (RS)	利用多普勒效應量度太空船環繞水星時速度的輕微變化，讓科學家明白水星的質量分佈，包括地殼的厚度

信使號的軌道：

為了圍繞水星公轉，信使號將會圍繞太陽系內軌道的行星，包括一次飛近地球、兩次飛近金星和三次飛近水星的軌道。

下圖是信使號的軌道，看來很複雜，但我們可簡單地看到兩次飛近金星和水星的日期。信使號利用地球和金星的引力，慢慢接近水星，這樣可節省很多能源。今次2008年1月14日是首次接近水星，而下次將會在2008年10月6日再次接近水星。2009年9月29日第三次接近水星，2011年3月18日進入水星的軌道。

信使號的軌道 (按上圖可放大)

信使號首次接近水星

2008年1月，信使號接近水星。美國太空總署發表新聞稿，信使號拍攝的影像讓科學家首次看到水星地貌如同我們的月球一樣。科學家很驚訝能看到這個獨一無二的世界的多樣化地型及與30年前所看到的非常不同的磁氣圈。

經過長達二十億公里和三年半的時間，美國太空總署的信使號 (MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging 水星表面，宇宙環境，地質化學探測計劃的簡寫) 終於在2008年1月14日接近水星，也是人類第一個計劃去圍繞並探測這個最接近太陽的行星。太空船的照相機和高技術的儀器搜集1213張圖片和進行其他科學的觀測。上次探測水星是1975年3月16日的海員十號。

「今次的接近令我們看到一些從未見過的部份，我們細小的探測器在預定的日期像為我們帶來了一個金礦。」首席研究員Sean Solomon說：「從太空船的表現和飛行的準確度，這個計劃到目前為止可說是近乎完美，我們也很高興，所有的科學數據現在都來到地球。科學人員讚賞計劃經過這般複雜的飛行軌道，太空船也能承受如此接近太陽的酷熱環境。如果沒有數以百計在應用物理實驗室 (APL) 的工程師和技術人員以及很多協助的機構努力設計、改良、測試現時的太空探測船，我們也沒有可能搜集到這些科學數據。」

人類從未見過的這般高解像度的水星照片 (按上圖可放大)
Credit: MESSAGER

科學家 Edgar Rhodes 於網上講解量度伽瑪射線和中子光譜儀的重要性
http://messenger.jhuapl.edu/news_room/rhodes01.html

水星蜘蛛

「信使號告訴我們，水星與我們的月球大有分別。」科學家 James Head 說：「蜘蛛。」這一類的影像從沒在月球上看到。在一塊隕石坑的中心，向外圍散發出數以百計狹窄、平地般的低谷，又稱為地溝 (graben)，這種被科學家稱為蜘蛛的結構的形成原因仍不清楚。(見圖)

上圖顯示信使號於2008年1月14日首次接近水星時探測水星的方法和次序，
(按上圖可放大) 相關動畫可參看下面網址：
http://messenger.jhuapl.edu/the_mission/movies/M1_Phase_B_final_text_small.mov

次級撞擊

不像月球，水星有很多很大的山谷和陡坡，主要原因是高密度和細小的水星，其引力卻有地球的38%，但卻與火星差不多一樣的引力，而水星的直徑只有火星的40% (火星是水星體積的2.7倍)。因為引力在水星比月球高很多，以致撞擊後的隕石坑與月球的不相同。當物質撞擊在水星上，所濺起的物質會再次被水星引力所吸引，形成很多的第二次撞擊現象。

科學家發現今次拍攝的相片，相比30年前看到的，可見很多新的撞擊隕石坑。

圖中可見水星表面的撞擊現象
Credit: MESSAGER

最大隕石坑卡路士盆地 (Caloris basin)

信使號讓科學家看到卡路士盆地，其直徑由海員十號估計的800英里升至960英里 (大約1550千米，由邊緣的頂至另一邊緣的頂部計算)。這個盆地有其獨特性，相比在月球看到的盆地，其反照率非常高，這是水星另一個新的謎團。

上圖為卡路士盆地的整個位置 (左面是海員十號拍攝的，右面是信使號拍攝的)，經過信使號完整的把整個區域拍攝後，發現其大小比原先估計的區域為大，它是太陽系中最大的隕石坑，下圖是盆地中可見的一些小型隕石坑。

(按上圖可放大)

水星內部磁場

至於水星的內部磁場，信使號發現它與30年所發現的差不多一樣。在計算太陽風影響的修正後，其兩極的平均值只有數%的強度差異和有相同輕微的傾斜。如地球的磁場，主要是由深入行星內部的外層液體金屬核心所製造。在四個的類地行星中，只有水星和地球，最細小和最大的行星，才有這種結構。地球的磁場抵禦著太陽風，形成一個圍繞著地球表面的保護層，加上地球的大氣層，便可以抵擋著太陽的高能量粒子及來自星系的宇宙射線。地球的磁場並非時常一樣，它會隨著地質的年齡，在極地週期性地翻轉，此時也會使危險的粒子進入地球表面。相同的原理發生在水星，但其真正的原理和何時會發生週期性改變在此時仍是未解之謎。

未來兩次飛近水星，將會繼續解開水星磁場的謎底，這麼細小的行星可以長年擁有液體的核心，這個重要的研究有助明白地球磁場的歷史及為何金星和火星沒有全球性的磁場系統。

利用紫外線和可見光的分光儀，清楚表示水星的薄薄的外氣層擁有鈉、鈣和氫。在太陽的相反方向，發現水星有充足的鈉在外氣層的「尾」部伸延至25000英里 (40000千米) 外。信使號這次飛近，發現到水星的南北兩面尾部，在鈉和氫的密度上有強烈的對稱性，這可能是太陽風與水星的磁場的互動現象。