長尾巴的不一定是彗星,還有可能是水星!

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Mercury

Mercury

這是一張2022年4月27日在西班牙拉帕爾馬島拍攝的圖片,圖片上方是著名的昴星團,下方帶著尾巴的天體並不是一顆彗星,而是水星。仔細觀察這張照片我們會發現,水星的尾巴呈黃色,上輩子是元素週期表的同學都知道,這是鈉被激發後產生的現象,有一個熟悉的名詞歸納了這種現象——焰色反應

圖1、拉帕爾馬島位於加那利半島,是僅次於夏威夷的天文觀測地點,圖為赫歇爾望遠鏡與雲海

這張照片衍生出兩個問題:水星為什麼會有尾巴?又為什麼會是鈉尾?我們可以很簡單的將這兩個問題解決。如同彗星一樣,水星會有尾巴也是因為受到太陽風的吹拂,特別是作為離太陽最近的行星,受到的太陽風更為猛烈;而鈉尾則表明水星表面含有豐富的鈉,因此才能形成鈉尾。那麼,為什麼含有豐富的鈉呢?這是一個很好的問題,這個問題最終也會指向水星的起源問題。要解決這個問題,我們需要對水星有一些了解。

水星的科學史

水星的科學史

在望遠鏡發明之前,人們對水星是知之甚少的,甚至連水星凌日也觀測不到,伽桑狄於1631年首次觀測到了水星凌日。20世紀,隨著大型望遠鏡和一些儀器的使用,人們對水星有了更多的了解。科學家發現水星表面情況和月球的情況有很多相似的地方:使用光度計測量水星的亮度,科學家最終分析出了水星的表面土壤的某些特徵,這些特徵與月球十分相似,而水星的土壤甚至更暗一些。通過偏振計研究水星的土壤,水星便有了環形山存在的證據。此外,水星有一個特點是月球沒有的,而且超乎大家的想象——水星上有大氣:天文學家試過很多種方法去發現水星大氣的存在,最終水手十號於1976年提供了一個最堅實的證據。不過這個大氣並非我們習慣認知中的大氣層,而是一個外逸層:不斷有物質從中離開水星,鈉自然也是其中之一。

令人意想不到的是,水手十號還發現水星具有一個穩定的磁場,而且是全球性的磁場,強度尾地球磁場的1%。水星有一個由鐵和鎳等金屬組成的熔融的核心,直徑約為水星的3/4,體積約為水星的57%(地球分別為1/2和 17%)。另外,水星的密度僅僅是略低於地球,但是如果排除引力壓縮的影響,水星可以稱得上是密度最大的行星。這樣特殊的情況超出了太陽系內行星的常態,科學家們提出疑問:原因是什麼?

圖2、水星核心與地球核心比較

圖2、水星核心與地球核心比較

水星形成假說

水星形成假說

目前最為廣泛接受的理論是巨型碰撞假說[1]。這種假說認為,水星在形成早期和其他類地行星沒有區別,但是被一顆質量為水星1/6的行星撞擊,由於水星的逃逸速度較低,而且水星軌道上碰撞行星之間的相對速度較高,這次撞擊剝離了水星大部分的地殼和地幔,這樣導致水星巨大的核佔比。關於水星的大碰撞理論進一步指出,水星初始可能在今天的小行星帶的位置,被碰撞之後轉入了今天的軌道。在這個意義上,水星和月球相似度進一步提高了,因為月球目前最為廣泛的起源假說也是碰撞說。

圖3、月球:我真的有一個親戚嗎?

圖3、月球:我真的有一個親戚嗎?

另外一種假說認為,水星可能是受到原始太陽星雲的影響,在恆星雲的後期,水星的位置溫度可能高達2500-3500°K,這樣的溫度可以融化大部分的岩石地幔並將他們帶走[2]。還有一種假說認為太陽在水星形成早期阻礙了水星的吸積,這導致水星得不到一個足夠厚的地殼,而且2011-2015年環繞水星的信使號的探測發現水星地表的鉀和硫等物質含量高於預期[3][4],這對於大碰撞和星雲假說都是一個挑戰。或許最終是第三種假說勝利,不過,進一步的討論需要新的探測器,科學就是這樣在不斷否定自我中前進的。

鈉尾的預測與發現

鈉尾的預測與發現

一個重要的關係是,水星外逸層的組成與地殼的物質組成是有關係的,因此科學家們可以從外太空的研究中推斷出水星地殼的化學組成,反過來,也能通過水星的化學組成對其空間的一些現象做出解釋。這就是科學家為什麼對水星大氣如此感興趣的原因了。

1985年,Drew Potter 和 Tom Morgan在檢測水星大氣的夫琅禾費光譜時發現了鈉的存在[7]。這些鈉是怎麼產生的呢?一些學者認為,這是來自於水星外殼和隕石撞擊之間產生的物質,而水星自身的高金屬含量也成為鈉的重要來源。將鈉噴射到外逸層是熱蒸發、光子激發、衝擊蒸發與離子濺射等多個過程綜合的結果。

圖4、可見光範圍內的太陽光譜與夫琅和費線,其中兩條D線便是著名的「鈉雙線」

不過,有意思的地方就來了,這些過程每個都有自己的時空依賴性,而且大多數不能將鈉加速到逃逸速度,那麼會形成鈉尾嗎?兩位學者模擬了太陽輻射對從不同表面發生的鈉原子軌跡的影響,他們得出結論,只要初始速度大於2公里/秒,鈉原子便可以從輻射加速度中獲得足夠的能量,形成類似於彗星的那種鈉尾。

圖5、2km時鈉亮度分佈,這是一張來自1986年的論文插圖

在2000年和2001年,他們終於觀察到了預測的水星鈉尾。之所以如此難觀測是因為水星常年在太陽附近,只有在很少的時間段能在日出前後半小時內觀測到。他們發現,太陽輻射對鈉尾的加速最終使得鈉尾末端的速度高達11公里/秒,橫向速度也有2-4千米/秒。根據他們的估計,尾部鈉的總通量約為1×1023個原子/秒,對應於地球上鈉估計總生產率的1%-10%,顯然,這是一個非常高的數值,僅僅是水星散逸出來的鈉尾便達到如此水平。一開始對鈉尾的拍攝還是比較模糊的,隨著科學儀器的最佳化,我們才得到瞭如今這張漂亮的圖片。

圖6 2020年5月的一張鈉尾照片,看來好照片都是有著一個強大的後期

不過,上輩子建成過科學大廈的同學們都知道,自己的頭頂一開始可能只是兩朵烏雲,但可能突然就是烏雲漫天了。鈉的分佈在時間上與空間上的分佈呈現豐富的多樣性(低情商:複雜甚至看起來隨機);作為一種離子,它與水星磁氣圈又密切相關;除此之外,科學家還發現輻射加速似乎不能提供完全的能量;以及與離子濺射、隕石蒸發等等之間的關係。(還有好多讓人眼花繚亂難以組織語言的東西)

由於我們對水星可獲取資料的限制,科學家們只能通過有限的資料建立更多的聯繫,這或許便是一種對抗內卷的方法吧。

Mercury

Mercury

我們現在對水星好像知道很多,但又好像什麼都不知道~

有獎問答

我們在這裡準備了幾個與本文密切相關的問題,大家可以通過留言回答。前三位全部答對者可以獲得石頭科普工作室定製的帆布包一個哦~(文章發佈後24小時內作答有效;24小時後將在評論區精選所有作答的評論,並公示中獎者)

  1. 在去除引力的情況下,太陽系密度最大的行星是?

  2. 合理推測,鈉尾中還應該有哪種物質?

    A. 鉀 B. 鐵 C. 鎂

  3. 夫琅和費線中的兩條D線是著名的什麼線?

大家快來踴躍作答吧~

References

[1] Benz W, Slattery W L, Cameron A G W. Collisional stripping of Mercury’s mantle[J]. Icarus, 1988, 74(3): 516-528.

[2] Cameron A G W. The partial volatilization of Mercury[J]. Icarus, 1985, 64(2): 285-294.

[3] https://www.csmonitor.com/Science/2011/0929/Messenger-s-message-from-Mercury-Time-to-rewrite-the-textbooks

[4] https://www.chemistryworld.com/news/messenger-sheds-light-on-mercurys-formation/3002463.article

[5] Hunten D M, Morgan T H, Shemansky D E. The mercury atmosphere[J]. Mercury, 1988: 562-612.

[6] Killen R, Cremonese G, Lammer H, et al. Processes that promote and deplete the exosphere of Mercury[J]. Space science reviews, 2007, 132(2): 433-509.

[7] Smyth W H. Sodium Atmosphere of Mercury.(Title only)[C]//Bulletin of the American Astronomical Society. 1985, 17: 712.

[8] Potter A E, Killen R M. Observations of the sodium tail of Mercury[J]. Icarus, 2008, 194(1): 1-12.

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