什么？水星？我知道啊！我家路由器就是水星的！
不是這個(gè)水星！這里說(shuō)的是離太陽(yáng)最近、而且還經(jīng)常“隱沒(méi)在晨光中”的那個(gè)水星！
太長(zhǎng)不看版
水星是太陽(yáng)系八大行星中距離太陽(yáng)最近的。
水星較難觀測(cè)，在'大距'的時(shí)候最為適宜。
水星與地球的會(huì)合周期與其自轉(zhuǎn)周期存在一些巧合，使得人們一度以為水星公轉(zhuǎn)周期與自轉(zhuǎn)周期相等，然而并不是如此。
水星的近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的一個(gè)驗(yàn)證。
水星表面地貌與月球很相似。
組成水星的主要物質(zhì)是金屬和硅酸鹽，密度很大。
水星有微弱磁場(chǎng)，幾乎沒(méi)有大氣。
人類只有兩個(gè)探測(cè)器造訪過(guò)水星，對(duì)水星尚知之甚少。
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“嬌羞”的回眸
水星是太陽(yáng)系八大行星中離太陽(yáng)最近的一顆星星，守著“光明的源泉”。眾所周知，行星自身不會(huì)發(fā)光，只能靠太陽(yáng)饋贈(zèng)的光芒，來(lái)彰顯它們的存在。與其他行星相比，水星本可以多分得一碗羹，顯得更加閃耀[1]。然而恰恰是因?yàn)樗x太陽(yáng)太近了，它的光芒在大部分時(shí)間里，幾乎都被太陽(yáng)的耀眼光輝無(wú)情地?fù)屃孙L(fēng)頭。只盼著一年中為數(shù)不多的幾天，水星和地球的相對(duì)位置使得它看起來(lái)離太陽(yáng)最遠(yuǎn)（稱為“大距[2]”），才能微弱地刷一波存在感。即使是在這幾天，由于它緊隨太陽(yáng)左右，我們也只能在日出日落前后，才能捕捉到它的蹤影。古希臘的天文學(xué)家們就曾經(jīng)以為早晨、晚上看到的水星是兩顆不同的星星。
圖1 晨光中的月亮、水星和射電望遠(yuǎn)鏡，作者Pierluigi Giacobazzi（圖片來(lái)源：APOD）
天文學(xué)家們通常選擇最適宜觀測(cè)的時(shí)機(jī)——也就是“大距”——對(duì)水星進(jìn)行觀測(cè)，有趣的是，他們發(fā)現(xiàn)每次觀測(cè)的時(shí)候看到的水星相差無(wú)幾，也就是說(shuō)每次觀測(cè)的時(shí)候水星朝向地球的總是同一面。調(diào)皮的水星似乎嬌羞了起來(lái)，不肯給我們露出它的面容。每次相見(jiàn)回眸，都只能一睹她的背影。這正像我們幾乎每晚都能看到的月亮一樣，月亮一直以一面對(duì)著我們（準(zhǔn)確地講由于月球天平動(dòng)，我們?cè)诘厍蛏峡梢钥吹酱笥谝话氲脑虑虮砻妫＿@給科學(xué)家們?cè)斐闪瞬恍〉恼`導(dǎo)：月亮繞地球的公轉(zhuǎn)周期與自轉(zhuǎn)周期相等（這被稱為潮汐鎖定），當(dāng)年的天文學(xué)家以為水星與太陽(yáng)之間形成了潮汐鎖定，因此每當(dāng)?shù)厍颉⑺桥c太陽(yáng)三者運(yùn)行到構(gòu)成“大距”的構(gòu)型的時(shí)候，水星的自轉(zhuǎn)方位才總是相對(duì)確定，給我們呈現(xiàn)相同的一面。這個(gè)解釋看起來(lái)合理，而且在觀測(cè)和理論上都說(shuō)得通（潮汐鎖定是天體力學(xué)中比較常見(jiàn)的狀態(tài)），然而卻并不真實(shí)。
圖2 潮汐鎖定的示意圖（圖片來(lái)源：Wikipedia）
如果水星真的有一面永遠(yuǎn)面向太陽(yáng)，那么朝向太陽(yáng)的那一面必然是極高的溫度，另一面則是嚴(yán)酷的寒冷。1962年，天文學(xué)家們通過(guò)微波輻射對(duì)水星進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)之前認(rèn)為水星背對(duì)太陽(yáng)的那一面的溫度并沒(méi)有預(yù)料中的那么寒冷，這表明那一面不可能永遠(yuǎn)背對(duì)太陽(yáng)。1965年，天文學(xué)家又直接向水星發(fā)射雷達(dá)信號(hào)并觀察了反射信號(hào)的多普勒效應(yīng)[3]，直接測(cè)定了水星的自轉(zhuǎn)周期，約為59天。早前的觀測(cè)還計(jì)算得水星的公轉(zhuǎn)周期約為88天，與地球的會(huì)合周期（即水星、地球和太陽(yáng)三者連續(xù)兩次回到同一組相對(duì)位置[4]的時(shí)間間隔）約為116天[5]（這在我國(guó)漢代《三統(tǒng)歷》中已有記載，而且和現(xiàn)代測(cè)量值相差無(wú)幾，向我們的老祖先的智慧致敬~）。細(xì)心的讀者可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這三個(gè)時(shí)間大致呈2:3:4的比例。這意味著，每一個(gè)會(huì)合周期內(nèi)，水星都恰好自轉(zhuǎn)了兩周，這才使得，每次最佳觀測(cè)時(shí)機(jī)，我們都只能看到水星的同一面。
[1] 水星視亮度的影響因素還包括水星距離地球的遠(yuǎn)近等。
[2] 當(dāng)內(nèi)陸行星（水星、金星）在太陽(yáng)東面，與太陽(yáng)角距離最大時(shí)，稱為“東大距”，此時(shí)內(nèi)陸行星出現(xiàn)于黃昏時(shí)分的西方低空；當(dāng)內(nèi)陸行星在太陽(yáng)西面，與太陽(yáng)角距離最大時(shí)，稱為“西大距”，此時(shí)內(nèi)陸行星出現(xiàn)于黎明時(shí)分的東方低空。
[3] 當(dāng)火車飛馳而過(guò)的時(shí)候，你聽(tīng)到的鳴笛聲聲調(diào)會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)這種變化的程度你可以推斷出火車的速度，這里也是同樣的原理。
[4] 由于行星的公轉(zhuǎn)軌道存在傾角和進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象，這里的“同一組”并非嚴(yán)格相同。
[5] 以上幾句話中的“天”指的都是地球日。
2
瘋狂的舞蹈
另一個(gè)讓天文學(xué)家摸不著頭腦的迷是水星詭異的公轉(zhuǎn)軌道。水星的軌道是八大行星中偏心率[6]最大的，約為0.21。其近日點(diǎn)的位置也并非一成不變，而是繞著太陽(yáng)不斷移動(dòng)——這稱為“進(jìn)動(dòng)”（如圖）。這本來(lái)也是行星軌道的常見(jiàn)現(xiàn)象，然而水星又給天文學(xué)家們使了個(gè)絆子，水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)的速度與經(jīng)典力學(xué)的預(yù)測(cè)相比總是每世紀(jì)多出43角秒。這曾一度令天文學(xué)家陷入迷茫。
圖3 水星公轉(zhuǎn)軌道進(jìn)動(dòng)的圖示
法國(guó)天文學(xué)家勒維耶（Urbain Jean Joseph Le Verrier, 1811-1877）在處理天王星軌道異常的問(wèn)題時(shí)，認(rèn)為在天王星外存在一顆新行星（即海王星），并推算出了它的軌道。當(dāng)時(shí)，海王星的軌道剛剛得到驗(yàn)證不久，勒維耶正十分振奮，試圖第二次發(fā)現(xiàn)一個(gè)新行星。于是他分析了水星異常的進(jìn)動(dòng)軌道，認(rèn)為在水星軌道的內(nèi)側(cè)還存在著一個(gè)行星，稱為“火神星”（Vulcan），還對(duì)它凌日的時(shí)間等做出了預(yù)測(cè)，然而多次嘗試都沒(méi)有觀測(cè)到這個(gè)“火神星”的存在。直到廣義相對(duì)論被應(yīng)用于水星的軌道問(wèn)題上之后，這個(gè)問(wèn)題才得到了比較好的解釋，于是“火神星”逐漸站不住腳。水星近日點(diǎn)的異常進(jìn)動(dòng)便成了愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的三大驗(yàn)證[7]之一。
[6] 行星的軌道一般是橢圓，偏心率反映軌道偏離圓軌道的程度，偏心率越大軌道越扁。
[7] 另外兩個(gè)是“引力透鏡”和星系的譜線紅移。
3
瘡痍之海
水星是離太陽(yáng)最近的行星，根據(jù)開(kāi)普勒定律，它運(yùn)行的周期在八大行星里也最短，公轉(zhuǎn)速度也最快，探測(cè)器造訪水星必須具有較大的速度，使得控制難度大大增加；要想進(jìn)入環(huán)繞軌道甚至著陸的話，又必須把速度降到一定程度以被水星引力捕獲，這需要利用燃料變軌，給設(shè)計(jì)和發(fā)射帶來(lái)了難度。因此，盡管水星是離地球第三近[8]的行星，目前人類僅有兩個(gè)探測(cè)器成功造訪了水星。其中水手10號(hào)僅以掠過(guò)的方式（即沒(méi)有進(jìn)入環(huán)繞軌道）對(duì)水星進(jìn)行了探測(cè)，信使號(hào)探測(cè)器則進(jìn)入了環(huán)繞水星的長(zhǎng)橢圓軌道。
圖4 水手10號(hào)探測(cè)器（圖片來(lái)源：百度百科）
兩個(gè)探測(cè)器給水星拍攝了大量照片，從照片中我們發(fā)現(xiàn)水星的地貌與月球十分相似——那里最引人注目的就是隕石坑和環(huán)形山。這主要是由于沒(méi)有大氣層[9]的保護(hù)（水星有一層極為稀薄的大氣，許多地方都稱水星沒(méi)有大氣），許多彗星和小行星可以順利無(wú)阻地撞擊水星表面；而且在沒(méi)有大氣的環(huán)境里，也就沒(méi)有風(fēng)化等作用，因此水星的地貌忠實(shí)地記錄著它經(jīng)歷過(guò)的種種滄桑。
圖5 信使號(hào)探測(cè)器（圖片來(lái)源：百度百科）
沒(méi)有大氣層的另一個(gè)后果是溫度不能受到大氣層的調(diào)節(jié)，這使得水星的“晝夜”[10]溫差非常大。白天的最高溫度與水星離太陽(yáng)的距離有關(guān)，但即使在遠(yuǎn)日點(diǎn)時(shí)也高達(dá)約280攝氏度，在近日點(diǎn)時(shí)更是高達(dá)約430攝氏度以上，這足以熔化某些熔點(diǎn)較低的金屬（如鉛）而到了晚上，溫度則走向另一個(gè)極端：降到零下180攝氏度左右。
圖6 水星表面（圖片來(lái)源：NASA）
借由這兩個(gè)探測(cè)器傳回的數(shù)據(jù)，我們對(duì)水星的物理性質(zhì)和地貌有了初步的了解。首先來(lái)看它的質(zhì)量——水星在這里也跟我們賣了個(gè)關(guān)子，想隱瞞它的體重呢~通常我們推算一個(gè)星體的質(zhì)量是通過(guò)圍繞它旋轉(zhuǎn)的其他星體的軌道參數(shù)計(jì)算而得的（中心天體質(zhì)量、軌道半長(zhǎng)軸和運(yùn)行周期之間有確定的關(guān)系，在萬(wàn)有引力常數(shù)已知的前提下，可以推算出中心天體的質(zhì)量；而萬(wàn)有引力常數(shù)則已經(jīng)被卡文迪許用精妙的扭秤實(shí)驗(yàn)測(cè)得），可是水星沒(méi)有衛(wèi)星——這讓我們初期的測(cè)量有了一定困難。好在我們有一些替代方法。德國(guó)天文學(xué)家恩克[11]（Johann Franz Encke, 1791-1865）曾通過(guò)分析一顆經(jīng)過(guò)水星附近區(qū)域的彗星所受的水星的引力攝動(dòng)，估算了水星的質(zhì)量。后續(xù)較為精密的測(cè)量則仍然是通過(guò)分析已經(jīng)成為水星衛(wèi)星的信使號(hào)探測(cè)器的軌道參數(shù)來(lái)進(jìn)行的，測(cè)算值約為3.3*10^23千克。
圖7 水星內(nèi)核示意（圖片來(lái)源：Wikipedia）
探測(cè)器還測(cè)定了水星的直徑，約為4879千米。進(jìn)而可計(jì)算得水星表面的重力加速度約為3.7m/s2，相當(dāng)于地球表面的40%左右，這意味著你在水星上會(huì)感到身輕如燕。
還可算得水星的平均密度約為5.4g/cm3，僅次于地球（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“壓縮”而增大了，對(duì)于水星，這種作用則較弱。因此水星的密度更加“貨真價(jià)實(shí)”（即反映了其組成物質(zhì)的密度，這意味著水星上重元素的比重比較大），剔除了這種作用后進(jìn)行估算，水星的密度則大于地球。探測(cè)表明，水星大約由70%的金屬和30%的硅酸鹽組成。而且根據(jù)其密度可以推知，水星的富含重元素的核心約占總質(zhì)量的75~80%左右，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出地核占地球總質(zhì)量的比例（33%左右）。這種現(xiàn)象的成因還有待進(jìn)一步探索[12]。
另一個(gè)我們尚未搞清的問(wèn)題是水星的磁場(chǎng)。水星的磁場(chǎng)很弱，但對(duì)于其較小的“身材”卻是出人意料。關(guān)于天體磁場(chǎng)的產(chǎn)生，目前最流行的解釋機(jī)制是“發(fā)電機(jī)機(jī)制”，即天體內(nèi)部存在著旋轉(zhuǎn)或?qū)α髦膶?dǎo)電流體——這要求天體內(nèi)部存在一個(gè)物質(zhì)處于熔融狀態(tài)的高溫環(huán)境。通常，天體是靠著自身的引力的巨大壓強(qiáng)來(lái)提供這種環(huán)境的，不過(guò)我們“嬌小”的水星顯然無(wú)法滿足這種要求。為此，天文學(xué)家們提出了一些假說(shuō)，比如水星內(nèi)部存在放射性物質(zhì)，依靠其衰變提供熱量；水星內(nèi)部的金屬與其他物質(zhì)組成了熔點(diǎn)較低的化合物；太陽(yáng)對(duì)水星的潮汐作用使其內(nèi)部被加熱……除“發(fā)電機(jī)機(jī)制”外，也有科學(xué)家假設(shè)水星磁場(chǎng)是以前磁場(chǎng)的殘余（即水星是個(gè)“大磁鐵”），這種假設(shè)避免了“高溫內(nèi)核”的困難。
[8] 距離地球最近的是金星，其次是火星。
[9] 后文中提到，水星的磁場(chǎng)很弱，又距離太陽(yáng)如此近。由于幾乎沒(méi)有磁場(chǎng)的保護(hù)，大氣都被太陽(yáng)風(fēng)“吹”走了。
[10] 感興趣的讀者請(qǐng)利用第一節(jié)末尾的數(shù)據(jù)大致推算一下水星的一天——也就是太陽(yáng)連續(xù)兩次經(jīng)過(guò)天空同一位置的時(shí)間間隔——與水星一年的長(zhǎng)短關(guān)系，看看哪個(gè)更長(zhǎng)。
[11] 著名的2P/Encke彗星就是為了紀(jì)念他而命名的。
[12] 其中一種假設(shè)是水星在形成初期質(zhì)量和體積比現(xiàn)在都要大，后來(lái)經(jīng)歷了一次與其他星體的碰撞導(dǎo)致其外殼被剝離，留下殘存的薄外殼。
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結(jié)語(yǔ)
覺(jué)得夏天很熱嗎？想想水星夏季區(qū)域的人民吧！（好在水星上沒(méi)有生命，嗯，至少我們尚未發(fā)現(xiàn)）地球上還是很舒坦滴~
謎一樣的水星是否勾起了你的興趣？無(wú)數(shù)的天文愛(ài)好者們可都為它著迷呢~（由于當(dāng)時(shí)觀測(cè)條件的限制，哥白尼一輩子都沒(méi)有看到過(guò)水星，甚是遺憾）不過(guò)今非昔比啦，現(xiàn)在跟著青天會(huì)就有機(jī)會(huì)看到水星哦~（有圖為證）
圖8 2017年4月青天會(huì)外出觀測(cè)時(shí)，在華海田園觀測(cè)到的水星（箭頭所指，圖片來(lái)源：謝豐羽 攝）
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