揭秘水星“水”的奥秘

原文来自《Astronomy》12月刊,作者James Berg,张滨泓编译

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     曾经有科学家提出假说,在水星南北两极的环形山内可能存在永远处在阴影中的区域,这些地方长年照射不到阳光,因此是水星上最寒冷的地方,那么水星上的水就有可能以冰的方式长期保存在这些地方,这些假说或许是行星探测史上最令人着迷的传说。而就在一年前,这个传说终于变成了现实,随着“信使号”水星探测器飞越水星极区上空,水星极区的环形山内存在固态水的假说正式被确认。水星上存在水的发现给我们地球上的科学家带来了巨大的惊喜,当然新的问题也就随之展开。

   数十年来,科学家们一直就认为在太阳系内部,水是无处不在的,即使在水星这个最为炎热的世界,水都可能存在于水星的某个角落里。当时的科学家就认为水星上是存在比较寒冷的区域的,通过当时的观测似乎也支持这些论断。加利福尼亚大学的行星科学家David Paige就向我们强调了水星存在水的重要意义:“信使号的发现证明了科学家们是正确的,他们的想象和理论是这么的符合现实,这一点我们应该为我们自己感到自豪。不过详细的观测和分析也是必要的,理论和实践必须相辅相成,科学家们的理论可以为观测指明方向,而观测结果则可以论证理论的正确与否。”

   根据水星自转和公转的特征,科学家们早已意识到了水星上存在一些特殊的小区域,在这些小区域内,温度低到足够让水冰形成并保持数十亿年。然而,在40年前人类首次探测水星的时候,并没有观测证据表明水星上存在水,美国的“水星10号”是“信使号”之前人类唯一的一次水星探测,因此关于水星上是否存在水的问题在这40年里也就悬而未决。不过,地面雷达观测倒是发现了水星极区存在不同寻常的反射区,但是谁也不敢保证这意味着什么,只能说这些观测结果只是初步现象。

解开水星的迷结

   尽管这颗行星距离我们地球并不遥远,但是它却是地面上最难以观测的大行星。因为水星距离太阳太近了,从地面上看去水星永远处在距离太阳不远的地方,水星的光芒在太阳面前显得是那么的微不足道,从而在地球上观测水星的机会并不多,条件也不好。因此数个世纪以来,天文学家们对水星的物理结构和组成是了解得最少的。

   19世纪末到20世纪初,意大利天文学家Giovanni Schiaparelli和法国希腊裔天文学家Eugène Antoniadi在观测水星的过程中发现水星上的一些表面特征在短时间内没有移动的迹象,而且在同样的水星大距的时候这些特征会重复地出现,这些观测现象暗示着水星有可能被太阳潮汐锁定了。月球就是一个潮汐锁定最直观的例子,它的自转周期等于绕地公转周期,因此地球上的人们永远只能看到月球的一面。

   如果水星被太阳潮汐锁定了,那么这就意味着水星有一面永远指向太阳,而另一面永远背对着太阳,这样指向太阳的那一面将会非常的炎热,而背对太阳的那一面则暗无天日,只有在晨昏线附近的区域会因为水星椭圆公转轨道的原因而有周期性的日出和日落,这点有如月球的天平运动,使得我们地球上的人们可以看到大于50%的月面。在20世纪早期,天文学家们一致认为水星是月球以外潮汐锁定的另一个例子。

   但是随着地面天文台的不断发展,天文望远镜的精度越来越高,地面观测发现所谓的水星背面的温度远比想象中的要高,这样的观测结论与潮汐锁定理论就形成了巨大的矛盾,照理说永远处在阴影中的背面应该是非常寒冷的,当时的科学家为了解释这一矛盾甚至提出了水星具有厚实的大气层的观点,通过大气的热量传输使得水星正面获得的太阳热量能够传递到水星背面。但是这些观点都无法很好地拟合观测结论,即使是水星大气假说。

   直到1965年,地面上的雷达技术得到了长足的发展后,科学家们向水星发射了功率强大的雷达射束,通过研究水星反射回来的无线电波波长的微小变化,这才发现水星的自转速度比我们之前推测的要来得快,这样水星就不再是被潮汐锁定的大行星了,在水星上太阳也有日出日落。

   通过雷达观测结果,我们现在知道水星每自转3周,它就绕太阳公转2周,这样的运动周期被称为3:2轨道共振,也是潮汐锁定的一种形式,这样奇异的轨道运动方式也就带给了水星不同于其他大行星的特征。首先,水星上的一天,也就是从一次日出到下一次日出所经历的时间要经历两个水星年,水星表面既要经受住长时间的太阳炙烤也要经历长时间的寒冷冰冻;其次,并不是所有的经线都要经历同样长时间的太阳照射,因为水星的轨道偏心率比较大,因此其在过近日点的时候公转速度要比过远日点的时候快很多,相隔90°的两条经线所接受到的正午太阳照射时间可以相差2倍之大,3:2的轨道共振意味着水星上某些区域所接受的太阳热量将永远比其他地方多,这也就造成了水星上具有两个最热的区域,这两个区域位于赤道上正好相对着的地方,这里的温度高达452℃。最后,水星实际的自转周期有58.8个地球日,刚好是水星相对于地球的回合周期的一半(116天),这也就是为什么之前的天文学家会观测到水星在每次大距的时候都会出现相同的表面特征。这对于地面上的观测者来说可不是什么好消息,因为这样的话我们就只能观测到水星上固定的区域,也就造成了过去我们一直认为水星是一颗被太阳潮汐锁定的大行星。总之水星的面纱通过地面观测是难以被揭去的,除非我们能够亲临水星上空对其进行观察。

寒冷的水星极区

   通过最近几年更好的观测结果,科学家们计算出水星的自转轴倾角为89.99°,近乎垂直于其公转轨道平面,这是因为太阳巨大的引力对水星施加的长期影响造成的,这样的结果就可能使水星极区的某些较深的环形山底部长期照射不到阳光,而水冰则可以在这些区域稳定地存在数十亿年的时间。

   虽然水星的自转轴几乎垂直于其公转轨道平面,但是因为其公转轨道平面和地球公转轨道平面(黄道面)具有7°的夹角,因此在地球上我们是可以观测到水星的两极地区的。1991年,科学家们再次向水星发射了强大的雷达束,这一次使用的是位于美国加利福尼亚州的戈德斯通射电望远镜和新墨西哥州的甚大阵射电望远镜,他们发现水星极地地区具有不同寻常的较强的反射信号,在后来的使用波多黎各的阿雷西博射电望远镜(直径305米)进行类似的研究中也发现了同样的结果。

   通过结合上世纪70年代中期“水手10号”三次飞越水星所传回的水星地表遥感图片分析,在某种程度上,这些高雷达反射的区域看起来都位于极区较深的环形山内。尽管水冰的存在是最有可能导致这种情况发生的原因,但是谨慎的科学家们还是提出了其他不同的解释:或者这是冰冻的硫磺、或者是富含钠离子、或者是某种未知的过度冷却的地表特征。为了解开这个谜底我们只有等待更加详细的观测数据。



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上世纪90年代地面雷达观测描绘出的水星极区的明亮区域。

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地面雷达反射信号图和“信使号”探测器的遥感图像相叠合,我们会发现雷达上明亮的区域和环形山的位置匹配的非常完美。



“信使号”揭秘

   为了解开水星的这些谜团,美国国家航天航空局(NASA)在2004年发射了“信使号”水星探测器,为了使“信使号”能够减速进入水星轨道,工程师们给它设计了最大的反推系统,这样才使得它能够在飞向太阳系内部的时候逐渐地减速从而以合适的速度进入水星轨道。经过了7年的旅行,其中还三次飞越水星上空后,“信使号”终于在2011年3月17日进入了环绕水星运转的轨道。

   经过了“信使号”在轨飞行一年的观测和分析后,NASA于2012年11月公布确认水星上存在水冰的结论。水星上的水冰是真实存在的,但不同于此前科学家们的各种猜测,换句话说,这些发现展示了更多更有趣更意想不到的地方。理论指导了实践,而实践给理论带来更多的补充。

   “信使号”项目的首席科学家同时也是哥伦比亚大学拉蒙特地球观测实验室的负责人Sean Solomon在这里给我们介绍了“信使号”的科学团队是如何煞费苦心地寻找证据来证明水星的极区有冰的存在。首先,研究人员们要检验的是高雷达反射区域的情况,这些区域按照科学家们之前的推测是最有可能存在水冰的地方。“通过对水星两极区域持续多个水星日的连续观测表明,所有的极区沉积物都位于环形山的永久阴影区内”,Solomon说。这些极区的环形山足够的深,以至于阳光永远都照不进环形山底部,在水星这种没有大气的世界,没有阳光的照射就意味着极端的寒冷。

   其次,科学家们使用探测器上携带的中子频谱仪发现水星北半球的极区沉积物中,氢原子的丰度很符合水冰的组成条件,另外还发现其大部分的水冰沉积表面还覆盖了一层数十厘米厚的低氢原子丰度的物质。

   接着,“信使号”上的雷达高度计也提供了第三条证据。这台仪器是用来精确地描绘水星表面的地形和起伏用的,它也可以用来寻找水冰存在的证据。Solomon告诉我们说:“通过高度计的反射测量显示出大部分极地沉积物在近红外波段(1064纳米)是比较暗的,但是在某些高纬度的极地沉积却比水星平均反照率要来得明亮很多。”

   最后,“信使号”研究团队的科学家们也发现之前确定的温度较低的区域可以和最新的图像匹配的很好。Solomon介绍说:“通过激光高度计描绘出来的水星地形图而形成的精确的水星热力模型向我们展示出了在水星的这些寒冷区域,水冰的确可以长期稳定地存在,这些区域也就是激光反射率较高的区域。而另外一些区域,水冰可以在数十厘米厚的不易挥发物质的覆盖下稳定存在。”这些组成还不是很清楚的物质挥发性要比水冰来得低,因此也就意味着它们可以在更高的温度环境下保护水冰不被蒸发。



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由“信使号”两个水星年的观测制作的水星表面温度分布图,显示出环形山的内部存在着较冷的区域,蓝色和紫色代表着温度最低的地方。

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图中大部分区域都是红色的热区,但是那些较深的环形山底部温度能够低到紫色的50开氏温度(-223℃),这些地方是水冰的最好栖息地。

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灰色区域是温暖的不可能存在冰的地方,而红色区域代表着冰可以在地表下存在,白色区域的水冰则可以直接裸露在地表。




黑色的保护层

   “信使号”任务的科学家们没有预料到会发现这么一种类似于“外套”的保温的暗色物质。Paige说:“这个发现很难用现有知识进行解释,这些物质总是伴随着水冰沉积出现,我们目前的假说认为这些物质是类似于我们在彗星上或者原始的外太阳系天体上发现的暗色富有机质沉积物。如果这个假说可以被证明,那水星上可以出现这种物质的确是一件令人惊讶的事情”。

   Solomon也认可这样的说法:“这些覆盖在水冰沉积物上的物质并不是典型的水星风化层土壤(这种松散岩石-土壤层已经在许多太阳系天体表面被发现),这些物质的反照率只有水星平均水平的一半。这种特殊的反射现象和极限温度我们可以在彗星、陨石或者外太阳系天体上找到匹配物质——富有机质物质。”另外Solomon还补充到这些物质的特殊性质暗示着水冰和有机质是通过同样的途径来到水星极区的环形山中的。

   研究人员发现这样存在暗色保护层的水冰沉积的环形山可以出现在距离两极一定距离的区域内,它们的分布很明显地避开了因水星特殊的3:2轨道共振而形成的“热点”区域。而在离“热点”经线90°开外的“冷区”,这些沉积物则可以延伸到较低的纬度。这些现象和之前科学家们估计的情况八九不离十。

   越靠近极点,温度也就越低,在这些区域水冰就可以不需要任何保护而稳定地存在了。这里的水冰非常纯净,并且是直接面对真空的环境。Paige说:“我们原本只是来寻找水冰存在的证据,结果这些明亮的水冰直接就出现在我们面前,并且非常符合热力学模型的预期结果,这不得不说是个惊喜。不过这也向我们提出了新的问题,因为这样直接裸露的水冰必须需要有一个快速的转移补充过程,否则随着星际尘埃的撞击和太阳紫外辐射的影响下水冰会逐渐分解消失。”



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中子频谱仪探测原理:高能宇宙射线可以激发水星地下物质释放中子辐射,如果存在冰层的话,冰中的氢原子将会吸收中子辐射,通过对中子辐射强度的测量我们就可以判断水星上是否存在水分子。

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本图就是“信使号”中子频谱仪的观测结果,如果水星上不存在冰的话,那么观测到的中子流量将是一个常数(紫线);如果存在冰的话,中子流量和纬度的关系将是黄线所示的情况,“信使号”的观测结果(红线)非常接近黄线的情况。




水星上的生命?

   根据NASA太空生物学计划在寻找地外生命的时候遵循的“跟着水的印迹去寻找”原则,我们就会发出疑问:水星上的水冰是否也是生命一个潜在的栖息地?对于这个问题,至少到现在为止,我们的答案还是否定的。

   Solomon告诉我们说:“水星上存在液态水的可能性是微乎其微。”在水星两极地区的环形山内只可能存在固态的或者气态的水。“在受到阳光照射或者是地表热量的影响后,融化的水冰只可能存在简单的过渡阶段,”Solomon继续说到,“至少我们在现阶段的轨道观测中并没有发现液态水改变水星地表或者近地表的证据。”

   Paige补充说:“我们不认为在这些沉积物中存在液态水,这里实在太冷了。虽然在地表和近地表水冰沉积物周围的土壤中,其温度或许可以维持一个宜居的区域存在(即液态水可以存在),但是水星上没有空气,因此在这些温暖的区域的任何液态水都将会迅速地沸腾蒸发到宇宙空间中。”

   水星上只要足够冷的地方,那里的冰就会稳定地存在很长一段时间。Paige说:“它们已经在水星上存在了数十亿年之久,占了太阳系历史的大部分时间,我们现在还不是很清楚这些水冰的来源和更新的速率,因此我们并不能给出这些水冰的准确历史。”

   这些水冰是否存在一个连续的圈层?就像地球上的冰盖一样,从底层到表层也就代表着地质历史的进程。如果是这样的话,那么未来我们登陆水星的探索家们将可以从这些冰层中寻找到水星地质历史的信息,这将是关于我们太阳系活动的记录。在地球上我们的科学家正在进行类似的工作,地质学家们从南极洲和格陵兰的冰盖中提取的冰芯里面寻找着地球早期的气候变化史。

   “这的确是一个很有趣的可能,但是很遗憾我们现在并没办法求证”,Paige承认到。他推测水星上如果存在结构清晰的地层结构,那么就说明水星地质可能经历了数百万年的混合、转化和迁移。这些特征将随着时间不断消逝。




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“信使号”的运行轨道使其能够更好地观测水星北极地区,而南极地区相对比较难以观测。不过通过这张“信使号”拍摄制作的水星南极区域拼接图也可以看到和北极一样的环形山中的永久阴影区。

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该图显示了在水星北极地区,阳光倾斜地照射过来。如果环形山比较深的话,那么就会存在一个永久阴影区,永久阴影区的温度只有80K,远远低于阳光照射区域的350K。当彗星等富含水分的天体撞击水星表面的时候,水冰就会填满整个环形山,不过经过阳光一照射,水冰就只能呈倾斜状存在于永久阴影区里了。



下一阶段的研究

   “信使号”还将继续运行在环水星轨道上,接下去它将以更靠近水星表面的轨道运行,这样能够更好地探索我们特别感兴趣的区域。在探测器最后一年的运行中,任务小组打算让它降落到距离水星表面25千米的轨道上运行,以使其能够观测到更详细的水星表面细节。

   直到那个时候,“信使号”才能说达到了科学家们的预期目标。对于Solomon来说水冰的探测是“信使号”探测目标中最得优先考虑的,原因有二:“首先,其对探测仪器来讲比较困难,“信使号”的轨道距离水星的极区比较远,所以极区的沉积物只占关键遥感仪器视场中的一小部分而已;其次,水冰存在的证据需要各种线索高度一致才能揭露出答案,就像侦探小说一样,各种线索需要不断地挖掘,而最终的结果只有一个,只要一个线索被证伪则原先的假设就将不复存在。”

   Paige补充到:“科学家们从上世纪60年代开始就在研究月球和水星极区的水冰了。现如今,“信使号”的观测结果则给这个研究画上了圆满的句号,或者说至少也是一篇长篇小说的一个章节完成了。”

   约翰霍普金斯大学应用物理实验室的David Lawrence,他是“信使号”中子频谱仪设计团队的主管,“信使号”正是通过他设计的仪器检测到了水星水分子的存在。他强调说月球和水星上极区的水冰反映了不同的现象。水星比月球要炎热得多,但是其却拥有更多的纯净的水。“为什么月球和水星上水的存在方式这么的不同,这仍然是一个谜,我们接下去需要做的是登陆其表面并取回样本。”David说。

   实际上,在现今的技术条件下,证实水星极区水冰的存在的确是一个很大的挑战。未来着陆器会是更好的选择,或者像“深度撞击”彗星探测任务的撞击器配合轨道器那样的探测方式也是很不错的,轨道器可以采用气凝胶来收集由撞击器撞击水星表面而激起的尘埃物质,然后带回地球进行化学分析。

   总而言之,这些新的目标将由年轻一代的行星科学家去完成,关于水星极区水冰的故事还将继续书写。


/ 1 Comment
博主这么懂这些,真棒
2014-04-22 16:43 回复

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