水星是實心的嗎？探測水星的自轉和重力，發現內核是固態的！

2020-10-18 博科園

如何在不著陸情況下探索一顆行星的內部？從觀察行星的自轉開始，然後非常非常仔細地測量太空飛行器是如何繞其軌道運行的，這正是NASA行星科學家所做的，他們使用了NASA前水星任務的數據進行研究發現了一些秘密。人們早就知道水星和地球都有金屬內核。和地球一樣，水星的外核也是由液態金屬構成，但只有跡象表明水星最內層核心是固態的。現在，在一項新研究中，來自馬裡蘭州格林貝爾特NASA戈達德太空飛行中心的科學家們發現了證據，證明水星內核確實是固態的，而且大小與地球的內核非常接近。

博科園：一些科學家將水星比作一顆炮彈，因為它的金屬核心佔據了整個星球近85%的體積。與太陽系中其他巖石行星相比，這顆巨大核心一直是關於水星最引人入勝的謎團之一。科學家們也想知道水星是否有一個堅固的內核。發表在《地球物理研究快報》(Geophysical Research Letters)中描述水星固體內核的發現，肯定有助於更好地理解水星，但還有更大的影響。行星的核心有多麼相似，又有多麼不同，這可能會給我們一些線索，讓我們了解太陽系是如何形成，以及巖石行星是如何隨著時間而變化的。

  • 這張彩色水星圖片是由信使號主要任務期間彩色基色地圖成像運動的圖像製作。圖片：NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington

羅馬薩皮恩扎大學(Sapienza University of Rome)助理教授安東尼奧·熱諾瓦(Antonio Genova)在美國宇航局戈達德(NASA Goddard)領導了這項研究。水星內部的冷卻速度比地球內部要快。水星可以幫助我們預測地核冷卻時地球磁場的變化。為了弄清楚水星核心是由什麼構成的，熱那亞和同事們不得不象徵性地靠近水星。該小組利用信使號任務(水星表面、空間環境、地球化學和測距)的幾個觀測結果來探測水星內部。最重要的是，研究人員觀察了這顆行星的自轉和重力。

信使號宇宙飛船於2011年3月進入水星軌道，花了四年時間觀察這顆離太陽最近的行星，直到2015年4月它被故意帶到水星表面。信使號無線電觀測被用來確定重力異常(局部質量增加或減少的區域)及其旋轉極點位置，這使科學家能夠了解行星的方位。每顆行星都繞著一個軸旋轉，這個軸也被稱為極。水星自轉比地球慢得多，它的一天大約持續58個地球日。科學家經常利用物體旋轉方式的微小變化來揭示其內部結構線索。2007年從地球上進行的雷達觀測揭示了水星自轉的微小變化，稱為天平動，這證明水星的一些核心一定是液態熔融金屬。

  • 水星內部結構圖示，圖片：Antonio Genova

但是，僅僅對自旋速率的觀察還不足以清楚地測量出內核是什麼樣。科學家們想知道是否有一個堅固的內核潛伏在地下？重力可以幫助回答這個問題。戈達德的研究人員桑德·古森斯(Sander Goossens)說：重力是觀察行星內部深處的有力工具，因為它取決於行星的密度結構。信使號在執行任務的過程中繞水星軌道運行，並越來越接近水星表面，科學家們記錄了飛船在行星重力影響下是如何加速的。行星密度結構可以在太空飛行器軌道上產生微妙的變化。在任務後期，「信使號」在地面上空飛行了120英裡，在最後一年飛行了不到65英裡。

最後低空軌道提供了迄今為止最好的數據，並能使熱那亞和團隊對水星的內部結構進行迄今為止最精確測量。Genova和團隊將信使號上的數據輸入一個複雜電腦程式，這個程序可以調整參數，並計算出水星的內部組成，以匹配水星自轉的方式和宇宙飛船圍繞水星加速的方式。結果表明，為了最佳匹配，水星必須有一個大的，堅實的內核。估計固態鐵核約有1260英裡(約2000公裡)寬，佔水星整個核心(約2440英裡，約4000公裡)的一半。相比之下，地球的實心直徑約為1500英裡(2400公裡)，佔整個地核的三分之一多一點。

NASA戈達德行星科學家埃爾萬·馬扎裡科說：從許多領域收集信息，測地學、地球化學、軌道力學和重力，以找出水星的內部結構。科學家們需要接近水星以了解其內部的更多信息，這樣精確地測量水星自轉和重力在地球上是不可能的。此外，這個結果使用了MESSENGER多年來收集的數據，所有科學家都可以使用這些信息。幾乎可以肯定，信使號檔案中一定會有關於水星的新發現，每一個關於太陽系行星鄰居的發現，都讓我們更好地了解水星之外的世界，關於我們太陽系的每一個新信息都有助於我們了解更大的宇宙。

博科園-科學科普｜研究/來自: 美國宇航局的戈達德太空飛行中心

參考期刊文獻:《地球物理研究快報》

DOI: 10.1029/2018GL081135

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