飞往水星
第一财经日报
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在太阳系的行星中,水星的存在一直是个谜。它有着和月球相似的外表,却隐藏着比火星更大的金属内核;地球的运行轨道是椭圆的,而水星的运行轨道偏偏是另类的椭圆,还有它隐秘的磁场。对于人类而言,诸多迹象预示着这颗离太阳最近的行星是如此的神秘莫测。
水星有一个大名鼎鼎的崇拜者,那就是爱因斯坦。爱因斯坦发现仅凭牛顿的地心引力学说不足以解释水星的运行规律。由此,这种奇怪的运行规律反而成为首个证明相对论正确的佐证。而今天的天文学家们还认为水星中隐藏着另一个秘密:太阳系是如何形成的。“水星是我们揭秘太阳系的关键。”美国马里兰州的约翰霍普金斯大学教授拉尔夫马科奈特如是说。如果人类能解释水星是如何形成的,也就能依此类推出别的星球的形成过程。
三十多年的时间里,人们对于水星的存在仿佛“视而不见”。虽然,在1975年,美国航空航天局的海星10号曾经靠近过水星,并观测了近44%的水星表面,但仍有大半水星不可知。可喜的是,发射于2004年8月的信使号飞船正在改变这种局面,信使号将于2008年首次发回完整的水星照片,而其最终任务是于2011年3月18日进入绕水星轨道。这将是人类第一次与水星的亲密接触。
为什么水星会有磁场?
水星有着密度极大的铁核,由此还在水星内部形成一个磁场,尽管很弱,但于人类而言,这都是一个谜团。
通常关于磁场产生的解释是,由于星球的内部物质熔化而产生循环电流,进而形成磁场。科学家发现,水星内部的铁核比人们想象的巨大,虽然它与地球的内核相比还是小巫见大巫,但它如何形成的?人类还无法解释。
在水星外包裹着一层绝缘的岩石层,虽然只是薄薄的一层,但是却足以说明水星的内核释放热量并伴随固化过程,假如内核压力经过了释放,因此绝没有可能形成磁场。而科学家认为,唯一的丁点形成磁场的可能是水星所蕴含的“化石磁场”,它指的是伴随着水星固化的进程,磁性材质堆积在水星外壳岩石层处所形成的磁场。这种磁场曾经在月球和火星上被检测到,但是也只是局部的现象。不过,人类至今依旧难以用“化石磁场”的说法去解释水星的磁场现象。
另外,科学家们还疑惑于水星内部不断熔化的过程是如何实现的。一般对此的解释是水星内部是铁与硫磺的混合物,这种混合物很容易降低至冰点,从而让一部分的内核保持液态。
以上是诸多科学推论,而事实是否如此呢?信使号的探测水星行动将不断为人类揭示水星的内部构造,“信使号最近将和水星只有200千米的距离,这将帮助我们解决疑问。”马科奈特教授说道。
水星到底什么样?
1975年,海星10号围绕太阳进行探测,这就让其有机会不断地经过水星。但是,因为水星缓慢的自转速度等原因,海星10号看见的都只是对着太阳的半边水星星球,而另一半边的模样则永远隐藏在黑暗中,人类不得而知。这样一来,海星10号勘测到的仅仅是水星44%的表面,这对于人类想要真正认知水星而言是远远不够的。信使号飞船是史上第一个近距离观测水星的飞船,它将于2008年1月间(进入水星轨道之前)首次接触到水星不为人知的另一半,拍摄下图片,并且在预计10月6日进行的第二次勘测中得出确凿的数据,让人类一览水星的全貌。
令科学家们兴奋的是,信使号将首次清晰地观测到水星上的卡洛里盆地地貌,这被认为可能是由小行星撞击所遗留下来的陨石坑。水星上的卡洛里盆地也被公认为是整个太阳系中最大的冲击结构。
如果一切顺利的话,信使号传送回的数据将有助于人类描画出水星地图,这样一来,天文学家将能以此为依据,演绎出水星生命周期中太阳周围所发生的冲击的频率和强度,这对于解释太阳系如何形成的理论体系的建立将大有裨益。
倾斜的轨道
在所有的主要行星中,水星有着最为奇特的运行轨道。椭圆形的轨道导致水星绕行至近日点时,距离太阳只有4600万公里,而在远日点时,则有7000万公里。一眼看来,水星特殊的轨道形状是曾受到巨型物体撞击的最有力证据。但大多数科学家认为,这样的解释如今不足以使人信服。
美国航空航天局的科学家们认为,并不一定只有庞然大物才能造成轨道倾斜的结果,其实引力的互动性作用也能办到。当两大行星不断地靠近彼此时,这种引力就会发生作用。水星轨道的改变很有可能就是在太阳系形成的过程中,别的行星与水星之间发生的引力作用之结果。
虽然此次信使号的任务并不能找到水星椭圆轨道由来的有力证据,但是信使号获得的数据将有助于描绘出水星形成的历史,届时人类就能知道当初是否真有巨大撞击的存在。如果无法证实这一可能性,那么解释水星倾斜的轨道的学说将再次关注于引力作用之上。
超越爱因斯坦
在爱因斯坦的理论中,水星——这颗离日最近的行星,是解释广义相对论的最佳物体。水星绕太阳的轨道并不是固定不变的,而是每转一周,椭圆轨道的长轴便会向东偏过一点,这就是所谓的“水星的近日点进动”。但是用牛顿的万有引力定律并无法解释水星的近日点进动。
直到1915年,爱因斯坦发表了广义相对论,水星近日点的进动就是当时证明广义相对论正确的一个例子。按照广义相对论导出的引力理论,爱因斯坦得出水星的近日点应当有42"91的进动,这与观测值惊人的一致,从而解决了天文学上长达半个世纪悬而未决的水星近日点进动问题。
当然,信使号并不会担负检验物理学理论的责任。马科奈特认为,在信使号绕水星运转的过程中,会感受到相对论所导出的引力作用,并且会修正一部分的理论架构。不过,这绝不是信使号的首要任务。好在,信使号并不是唯一的水星任务飞船。欧洲和日本的航天机构计划在2013年联合进行一次水星探测任务,而且这一次探测将会带着检验物理学理论的重任上天。这次探测任务被命名为BepiColombo,水星探测器计划于2013年发射升空,飞行约70亿公里后将于2019年进入绕水星轨道。BepiColombo的规模较之信使号任务将会更大,并且一共有两艘宇宙飞船将进行探测任务。一艘将仔细勘查水星的表面,另一艘则将关注于水星的磁场问题。
引力物理学家和天文学家都坚信,广义相对论并不应该局限在某一标准的精度里,些许的改变将引发新的科学思考,诸如有一些新的能量场将被用来解释空间的加速扩张。如果BepiColombo的勘测任务能让广义相对论所导出的引力理论发生某种微妙的偏移,那么,科学家们就能发现更多能量场的神秘特质。
陈梦喆
