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水星有一顆與衆不同的“心”

水星是太陽系八大行星中最小的,也是離太陽最近的一顆行星。它也是一顆岩石質行星,跟金星、地球和火星一起,同屬于類地行星。

所有類地行星的結構,從裡到外都由地核、地幔和地殼三部分組成。地核主要由金屬,尤其是鐵組成;地幔和地殼則含鐵量較少,主要由矽酸鹽組成。

核心所占比例高得異乎尋常

說水星有着與衆不同的“心”,主要是水星的鐵質核心占其總質量的70%,這一比例遠遠高于太陽系中其他岩石質行星。譬如,地球的地核隻占總質量的34%。

水星核心所占比例高得如此異乎尋常,科學家猜想,可能過去發生過什麼事情,使得水星的地幔和地殼一部分被剝離;由于含鐵量少的表層被剝去,所以鐵核所占的比例就上來了。

一種可能是,水星在年輕時經曆了一次碰撞,外層熔化了——地球就是經曆了類似的碰撞後,一部分物質飛出去形成了月球。考慮到水星沒有衛星,碰撞之後濺射到太空的物質可能都掉進太陽了。

但美國的“信使号”探測器在2011年至2015年環繞水星飛行期間,在水星表面發現了存在鉀、硫等元素的迹象。這些元素在高溫下是極易蒸發的。如果水星經曆過強烈的碰撞,會形成極高的溫度,其表面就不應該有這些元素。

最近,科學家通過模拟證明,如果水星沒有跟另一個天體碰撞,而是與另一顆行星——最有可能是它的鄰居金星——隻是近距離運行,同樣可以被剝去水星的表層,而且不會産生太多的熱量,使其表面的鉀、硫等元素得以保存。

模拟顯示,年輕的水星隻要以适當的方向自轉,它的表層物質是相對容易被剝離的。假設最初水星跟其他岩石質行星一樣,其核心所占比例是30%,那麼隻需要被金星剝離四次,就能達到目前的水平。

與衆不同的冷卻方式

水星還存在兩個與衆不同的疑點。

一個疑點是,有迹象表明,水星的冷卻導緻其半徑縮小了大約10千米,相當于其半徑的1%,是在行星中縮小幅度最大的。

我們知道,太陽系的行星形成之後,開始都是一團熾熱的火球,都有一個冷卻的過程。冷卻之後,因為熱脹冷縮,體積也随着縮小。另外,科學家發現,在八大行星中,别的行星都是緩慢冷卻的,唯有水星是個例外。水星在形成後的5億年内就基本收縮完成,而别的行星還在緩慢冷卻中。科學家推測,這可能是因為水星的鐵質核心占比較大,導緻它的冷卻方式也與衆不同。

水星還有一個疑點。在太陽系類地行星中,目前隻有地球和水星有着全球性磁場的,其他類地行星或許最初有過全球性磁場,但都在冷卻過程中失去了。

可是,一般來說,行星磁場隻有在熔融的液态核受到劇烈攪動時才能形成。科學家認為,在水星形成的早期,其液态核不會産生足以維持磁場的攪動。所以,我們不知道這個磁場是如何形成和維持的。

這兩個問題也許都可以通過一個模型來解釋,即假設水星早期可能是地核的液态岩漿直接沖出地殼來冷卻的。這實際上是另一種形式的火山噴發,但與普通火山不同的是,普通火山噴發的物質來自地幔,而水星因為塊頭相對較小,内部的壓力不夠大,無法在中心形成固态的核,所以其地核都處于熔融狀态。這些熔融的物質直接自地核噴發出來,而且噴發量更大。

這樣的冷卻方式,首先散熱快,這就解釋了為什麼水星早期收縮得如此之快。其次,迅速的冷卻讓水星的液态核上層和下層産生更大的溫度差,這樣會加劇對流,從而提供了維持磁場必要的劇烈攪動。

水星由于在初期釋放熱量過猛,内部壓力得到極大的緩解,所以在早期的大規模噴發之後,火山活動基本上就停止了,就像水龍頭被關掉一樣。

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