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什么？水星？我知道啊！我家路由器就是水星的！  不是这个水星！这里说的是离太阳最近、而且还经常“隐没在晨光中”的那个水星！  太长不看版
 1 “娇羞”的回眸 水星是太阳系八大行星中离太阳最近的一颗星星，守着“光明的源泉”。众所周知，行星自身不会发光，只能靠太阳馈赠的光芒，来彰显它们的存在。与其他行星相比，水星本可以多分得一碗羹，显得更加闪耀[1]。然而恰恰是因为它离太阳太近了，它的光芒在大部分时间里，几乎都被太阳的耀眼光辉无情地抢了风头。只盼着一年中为数不多的几天，水星和地球的相对位置使得它看起来离太阳最远（称为“大距[2]”），才能微弱地刷一波存在感。即使是在这几天，由于它紧随太阳左右，我们也只能在日出日落前后，才能捕捉到它的踪影。古希腊的天文学家们就曾经以为早晨、晚上看到的水星是两颗不同的星星。   图1 晨光中的月亮、水星和射电望远镜，作者Pierluigi Giacobazzi（图片来源：APOD）  天文学家们通常选择最适宜观测的时机——也就是“大距”——对水星进行观测，有趣的是，他们发现每次观测的时候看到的水星相差无几，也就是说每次观测的时候水星朝向地球的总是同一面。调皮的水星似乎娇羞了起来，不肯给我们露出它的面容。每次相见回眸，都只能一睹她的背影。这正像我们几乎每晚都能看到的月亮一样，月亮一直以一面对着我们（准确地讲由于月球天平动，我们在地球上可以看到大于一半的月球表面）。这给科学家们造成了不小的误导：月亮绕地球的公转周期与自转周期相等（这被称为潮汐锁定），当年的天文学家以为水星与太阳之间形成了潮汐锁定，因此每当地球、水星与太阳三者运行到构成“大距”的构型的时候，水星的自转方位才总是相对确定，给我们呈现相同的一面。这个解释看起来合理，而且在观测和理论上都说得通（潮汐锁定是天体力学中比较常见的状态），然而却并不真实。  图2 潮汐锁定的示意图（图片来源：Wikipedia） 如果水星真的有一面永远面向太阳，那么朝向太阳的那一面必然是极高的温度，另一面则是严酷的寒冷。1962年，天文学家们通过微波辐射对水星进行了研究，发现之前认为水星背对太阳的那一面的温度并没有预料中的那么寒冷，这表明那一面不可能永远背对太阳。1965年，天文学家又直接向水星发射雷达信号并观察了反射信号的多普勒效应[3]，直接测定了水星的自转周期，约为59天。早前的观测还计算得水星的公转周期约为88天，与地球的会合周期（即水星、地球和太阳三者连续两次回到同一组相对位置[4]的时间间隔）约为116天[5]（这在我国汉代《三统历》中已有记载，而且和现代测量值相差无几，向我们的老祖先的智慧致敬~）。细心的读者可能已经发现，这三个时间大致呈2:3:4的比例。这意味着，每一个会合周期内，水星都恰好自转了两周，这才使得，每次最佳观测时机，我们都只能看到水星的同一面。 [1] 水星视亮度的影响因素还包括水星距离地球的远近等。 [2] 当内陆行星（水星、金星）在太阳东面，与太阳角距离最大时，称为“东大距”，此时内陆行星出现于黄昏时分的西方低空；当内陆行星在太阳西面，与太阳角距离最大时，称为“西大距”，此时内陆行星出现于黎明时分的东方低空。 [3] 当火车飞驰而过的时候，你听到的鸣笛声声调会发生变化，根据这种变化的程度你可以推断出火车的速度，这里也是同样的原理。 [4] 由于行星的公转轨道存在倾角和进动现象，这里的“同一组”并非严格相同。 [5] 以上几句话中的“天”指的都是地球日。 2 疯狂的舞蹈 另一个让天文学家摸不着头脑的迷是水星诡异的公转轨道。水星的轨道是八大行星中偏心率[6]最大的，约为0.21。其近日点的位置也并非一成不变，而是绕着太阳不断移动——这称为“进动”（如图）。这本来也是行星轨道的常见现象，然而水星又给天文学家们使了个绊子，水星近日点进动的速度与经典力学的预测相比总是每世纪多出43角秒。这曾一度令天文学家陷入迷茫。  图3 水星公转轨道进动的图示 法国天文学家勒维耶（Urbain Jean Joseph Le Verrier, 1811-1877）在处理天王星轨道异常的问题时，认为在天王星外存在一颗新行星（即海王星），并推算出了它的轨道。当时，海王星的轨道刚刚得到验证不久，勒维耶正十分振奋，试图第二次发现一个新行星。于是他分析了水星异常的进动轨道，认为在水星轨道的内侧还存在着一个行星，称为“火神星”（Vulcan），还对它凌日的时间等做出了预测，然而多次尝试都没有观测到这个“火神星”的存在。直到广义相对论被应用于水星的轨道问题上之后，这个问题才得到了比较好的解释，于是“火神星”逐渐站不住脚。水星近日点的异常进动便成了爱因斯坦广义相对论的三大验证[7]之一。 [6] 行星的轨道一般是椭圆，偏心率反映轨道偏离圆轨道的程度，偏心率越大轨道越扁。 [7] 另外两个是“引力透镜”和星系的谱线红移。 3 疮痍之海 水星是离太阳最近的行星，根据开普勒定律，它运行的周期在八大行星里也最短，公转速度也最快，探测器造访水星必须具有较大的速度，使得控制难度大大增加；要想进入环绕轨道甚至着陆的话，又必须把速度降到一定程度以被水星引力捕获，这需要利用燃料变轨，给设计和发射带来了难度。因此，尽管水星是离地球第三近[8]的行星，目前人类仅有两个探测器成功造访了水星。其中水手10号仅以掠过的方式（即没有进入环绕轨道）对水星进行了探测，信使号探测器则进入了环绕水星的长椭圆轨道。 图4 水手10号探测器（图片来源：百度百科） 两个探测器给水星拍摄了大量照片，从照片中我们发现水星的地貌与月球十分相似——那里最引人注目的就是陨石坑和环形山。这主要是由于没有大气层[9]的保护（水星有一层极为稀薄的大气，许多地方都称水星没有大气），许多彗星和小行星可以顺利无阻地撞击水星表面；而且在没有大气的环境里，也就没有风化等作用，因此水星的地貌忠实地记录着它经历过的种种沧桑。 图5 信使号探测器（图片来源：百度百科） 没有大气层的另一个后果是温度不能受到大气层的调节，这使得水星的“昼夜”[10]温差非常大。白天的最高温度与水星离太阳的距离有关，但即使在远日点时也高达约280摄氏度，在近日点时更是高达约430摄氏度以上，这足以熔化某些熔点较低的金属（如铅）而到了晚上，温度则走向另一个极端：降到零下180摄氏度左右。 图6 水星表面（图片来源：NASA） 借由这两个探测器传回的数据，我们对水星的物理性质和地貌有了初步的了解。首先来看它的质量——水星在这里也跟我们卖了个关子，想隐瞒它的体重呢~通常我们推算一个星体的质量是通过围绕它旋转的其他星体的轨道参数计算而得的（中心天体质量、轨道半长轴和运行周期之间有确定的关系，在万有引力常数已知的前提下，可以推算出中心天体的质量；而万有引力常数则已经被卡文迪许用精妙的扭秤实验测得），可是水星没有卫星——这让我们初期的测量有了一定困难。好在我们有一些替代方法。德国天文学家恩克[11]（Johann Franz Encke, 1791-1865）曾通过分析一颗经过水星附近区域的彗星所受的水星的引力摄动，估算了水星的质量。后续较为精密的测量则仍然是通过分析已经成为水星卫星的信使号探测器的轨道参数来进行的，测算值约为3.3*10^23千克。 图7 水星内核示意（图片来源：Wikipedia） 探测器还测定了水星的直径，约为4879千米。进而可计算得水星表面的重力加速度约为3.7m/s2，相当于地球表面的40%左右，这意味着你在水星上会感到身轻如燕。 还可算得水星的平均密度约为5.4g/cm3，仅次于地球（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“压缩”而增大了，对于水星，这种作用则较弱。因此水星的密度更加“货真价实”（即反映了其组成物质的密度，这意味着水星上重元素的比重比较大），剔除了这种作用后进行估算，水星的密度则大于地球。探测表明，水星大约由70%的金属和30%的硅酸盐组成。而且根据其密度可以推知，水星的富含重元素的核心约占总质量的75~80%左右，这远远超出地核占地球总质量的比例（33%左右）。这种现象的成因还有待进一步探索[12]。 另一个我们尚未搞清的问题是水星的磁场。水星的磁场很弱，但对于其较小的“身材”却是出人意料。关于天体磁场的产生，目前最流行的解释机制是“发电机机制”，即天体内部存在着旋转或对流着的导电流体——这要求天体内部存在一个物质处于熔融状态的高温环境。通常，天体是靠着自身的引力的巨大压强来提供这种环境的，不过我们“娇小”的水星显然无法满足这种要求。为此，天文学家们提出了一些假说，比如水星内部存在放射性物质，依靠其衰变提供热量；水星内部的金属与其他物质组成了熔点较低的化合物；太阳对水星的潮汐作用使其内部被加热……除“发电机机制”外，也有科学家假设水星磁场是以前磁场的残余（即水星是个“大磁铁”），这种假设避免了“高温内核”的困难。 [8] 距离地球最近的是金星，其次是火星。 [9] 后文中提到，水星的磁场很弱，又距离太阳如此近。由于几乎没有磁场的保护，大气都被太阳风“吹”走了。 [10] 感兴趣的读者请利用第一节末尾的数据大致推算一下水星的一天——也就是太阳连续两次经过天空同一位置的时间间隔——与水星一年的长短关系，看看哪个更长。 [11] 著名的2P/Encke彗星就是为了纪念他而命名的。 [12] 其中一种假设是水星在形成初期质量和体积比现在都要大，后来经历了一次与其他星体的碰撞导致其外壳被剥离，留下残存的薄外壳。 4 结语 觉得夏天很热吗？想想水星夏季区域的人民吧！（好在水星上没有生命，嗯，至少我们尚未发现）地球上还是很舒坦滴~ 谜一样的水星是否勾起了你的兴趣？无数的天文爱好者们可都为它着迷呢~（由于当时观测条件的限制，哥白尼一辈子都没有看到过水星，甚是遗憾）不过今非昔比啦，现在跟着青天会就有机会看到水星哦~（有图为证） 图8 2017年4月青天会外出观测时，在华海田园观测到的水星（箭头所指，图片来源：谢丰羽 摄） |
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