水星，這顆堅硬如卵石般的行星在太陽系內部巡邏，長期以來一直是一個有點神秘的矮子。但現在科學家們終於有機會近距離觀察它，水星正被證明和它那些較大的兄弟姐妹一樣，具有十足的個性。
太陽系中最小的行星在 2008 年之前並沒有受到太多研究關注，當時 NASA 的信使號宇宙飛船在前往今年早些時候進入水星軌道的途中進行了首次飛掠。[在此處閱讀更多關於信使號旅程的資訊。]
正如卡內基科學研究所華盛頓行星科學家和信使號首席研究員肖恩·所羅門所說，水星曾被視為一顆“燃盡的煤渣”，但事實證明它絕非如此。自信使號於 3 月進入水星軌道以來，第一批大量研究結果描繪出一幅行星的景象，它不符合預期，也與太陽系中的其他天體不太相符。《科學》雜誌 9 月 30 日刊登的七項基於早期信使號資料的研究揭示了一個世界，它擁有廣闊的火山活動足跡、奇異的表面成分以及遍佈其表面的令人費解的地質特徵。
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“我認為這是一個比人們預期的更有趣的地方，”卡內基科學研究所的宇宙化學家、新研究的首席作者拉里·尼特勒說。水星一直被機器人探測器忽視，部分原因是它難以到達。在 20 世紀 70 年代，世界只看到了 NASA 的水手 10 號宇宙飛船的短暫訪問，而且在信使號到來之前，一半的行星甚至從未被拍攝過照片。直到 1985 年，一位名叫陳萬彥的研究人員才設計出一種將軌道飛行器送往那裡的實用方法。進一步任務的動力並沒有因為水星看起來像一個死寂、乾涸的世界，一個超大版本的地球衛星月球而得到加強。“當水手號拍攝了這片佈滿隕石坑的地形，並且它看起來像月球時，這有點令人失望，”布朗大學的行星地球科學家詹姆斯·海德說。
即使水手 10 號在飛掠水星時只看到了它的一部分，它也確實表明這顆行星擁有平坦的平原，那裡的撞擊坑已被抹去或填滿。但是，水星的平原是被古代熔岩覆蓋，還是被隕石撞擊噴射出的物質覆蓋，尚不確定。“35 年來，我們真的不知道水星上的平原是否是火山成因，”海德說。“現在，我是一名火山學家，這真是令人沮喪。”
信使號對水星的三次飛掠解決了這個問題——平原是在數十億年前的一次溢流火山活動中被填滿的。現在信使號已經更充分地探索了這顆行星，那次火山活動的規模正變得清晰起來。海德和他的同事在新研究中的一篇報告中指出，北半球的火山溢流平原覆蓋了近五百萬平方公里，超過了水星表面積的 6%。（相比之下，北部熔岩平原的面積是德克薩斯州的七倍。）根據熔岩填充的隕石坑的寬度，研究人員估計，火山平原在某些區域的厚度為一到兩公里。
海德和他的同事們總結說，大約在 38 億年前，火山活動在塑造水星表面方面發揮了重要作用。“我們在這裡發現的是，我們認為，有證據表明水星非常熱，並且在非常短的時間內噴發了大量的熔岩，可能就像我們在早期地球上看到的那樣，”海德說。
今天的水星表面與地球截然不同——幾乎與任何可以與之比較的天體都不同。信使號上的 X 射線光譜儀顯示，這顆最靠近太陽的行星表面富含元素硫，其丰度是地球上的 10 倍以上。硫是一種揮發性元素，這意味著它很容易汽化並從表面逸出。而它留存下來的事實說明了水星形成的條件。“事實證明，當岩石融化時，硫的行為方式在很大程度上取決於氧化態，”表面化學研究的首席作者尼特勒說。尼特勒說，硫的丰度表明，水星是由氧化程度低於形成其他類地行星的物質形成的物質形成的。
這可能與水星在太陽系中的位置有關；附近的太陽可能將有助於形成行星的原行星顆粒與伴隨它們的富氧冰分離開來。一些被稱為頑輝石球粒隕石的隕石也可能作為低氧化性的構建塊，促成了行星的形成。
另一項使用信使號上不同光譜儀進行的研究也表明，球粒隕石是水星可能的建造材料。該研究發現，水星含有過多的鉀，另一種揮發性元素，這與早期涉及極端加熱的形成理論不符。
“水星現在靠近太陽，它可能形成於靠近太陽的地方，並且它的內部具有使其金屬成分比例非常高的過程，”所羅門說。有些人曾提出這樣的想法，即水星曾經有一個岩石外殼，但後來被一次巨大的撞擊炸飛了。所羅門說，人們的期望是，水星應該富含能夠承受如此極端條件的難熔元素和化合物。“最令人驚訝的事情之一顯然是，水星顯示出大量證據表明它保留了揮發性成分，”他說。
尼特勒和他的同事們還發現，相對於月球岩石，水星的鋁和鈣含量較低，這表明該行星表面上與月球的相似之處掩蓋了一個非常不同的地殼。
信使號才剛剛開始揭示水星的表面成分——它還無法分辨出細微的區域差異——但即使是其初步資料也是前所未有的。“它告訴我們水星表面的化學成分是什麼樣的，這是我們以前根本不知道的，”尼特勒說。“我們有很多想法，但資料卻非常非常少。”
水星表面近距離觀察的樣子也是如此。來自信使號的高解析度影像揭示了一種奇特的地貌，其發現者稱之為“窪地”，位於許多撞擊坑的底部。窪地是淺窪地，其中一些長達幾公里，其中許多具有明亮的內部。它們類似於某種外星的塌陷坑。從信使號影像中識別出窪地的研究人員表示，他們尚不知道是什麼產生了這些奇怪的窪地。“這真是一個驚喜，”約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室的行星科學家大衛·布萊維特說，他是這項研究的負責人。“在任何月球隕石坑中都沒有類似的東西。”
窪地可能是與水星大規模火山活動相關的塌陷坑，也可能是地殼中揮發物的另一個例子。例如，凝結的火山氣體可能被熔岩流掩埋，從而與逸入水星稀薄大氣層的氣體隔絕。“後來，當它被撞擊或某種東西暴露出來時，它就會升華消失，”布萊維特解釋說。“我們發現的大多數窪地都與隕石坑有關，所以你會認為容易形成窪地的物質是從地表下暴露出來的物質。”
在人類首次近距離觀察這個最靠近太陽的世界僅僅六個月後，有一件事已經很清楚：水星，儘管身材矮小，但在行星群中卻顯得格外突出。“信使號真的揭示了一顆行星，它在我們能夠測量的每一個特徵上都是一個完全的怪胎，”布萊維特說。“我們不知道表面上有什麼型別的岩石，我們不知道是什麼導致了它的顏色，它的重力很奇怪，它的磁場也很奇怪。它就是一顆奇怪的行星。”