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科学家发现,水星正在“不可思议地缩小”

Jane · 2018-11-13
水星在数十亿年的时间里都在萎缩。

编者按:科学家们发现自水星诞生以来,其半径已经缩小了14公里到20公里。并且这种收缩造成了水星表面的陡坡构造。本文译自Theatlantic原标题为" The Incredible Shrinking Planet"的文章。

在19世纪,地质学家假设地球上之所以出现了一些突出的地貌特征,是因为随着时间的推移,地球逐渐萎缩,就像一颗多汁的葡萄变成了葡萄干。他们认为,当大地收缩时,地面就会收缩,形成高耸的山脉、陡峭的悬崖和深海盆地。

这个理论只有在假设地球被一层均匀的岩石壳覆盖的情况下才会起作用,而几年之后,事实证明事实并非如此。20世纪中期,随着板块碰撞理论的确立,葡萄干假说被地质学家们抛弃了。

但这仍然是一个很好的理论,而且恰好适用于另一颗行星:水星。

水星是太阳系中最小的行星,它虽小却依然很雄伟,水星处在离太阳很近的地方。地球由板块构造而成,而水星有一层薄薄的单一地壳包裹着它的充满熔铁的核心。水星的金属含量也远远超过岩石;它的液态内核占其体积的60%以上,而我们的星球只有15%。

约翰霍普金斯大学应用物理实验室研究水星的行星科学家Nancy Chabot说:“它基本上是一个被一层岩石包围的大金属球。”

 20世纪70年代,当美国国家航空和宇宙航行局(NASA)的“水手10号”(Mariner 10)宇宙飞船开始考察太阳系内这颗最深处的行星时,人类才第一次近距离看到了水星。这次任务发现水星能产生一个磁场,磁场就像一个无形的气泡,可以保护水星表面免受太阳辐射的伤害。磁场是由水星内部的液态金属内核产生的,它的内核从几十亿年前形成时到现在仍然保持炽热。

“水手10号”还拍摄了一连串的悬崖和山脊,有的像华盛顿州的圣海伦斯山(Mount St. Helens)一样高,绵延数百英里。这些被称为陡坡的地貌吸引了科学家。他们开始解释这种陡坡的起源,并很快排除了几种解释。水星上有火山形成的痕迹,这些痕迹是由熔岩在岩石上流动形成的,但这种活动在几十亿年前就停止了。水星表面也显示出来很久以前经受过大小不同的物体撞击痕迹,但这种强烈的撞击产生的是火山口,而不是山脉。

科学家们检验了水星地貌的形成过程。我们太阳系中所有岩石行星的铁核,包括地球,在45亿年前诞生时非常炙热,后来一直在冷却。当液态铁变成固态时,它会收缩,为上面的地壳也创造了收缩的空间。地面裂开,向上推挤,形成了新的地貌。如果这颗行星覆盖着均匀的地壳,就像盖子一样,收缩的影响应该是可见的。科学家预测,水星上的这种陡坡一定是这种现象的结果。

有了这个假设,科学家们利用“水手”拍摄的图像来计算这些陡坡的长度和高度。他们用这种测量方法来估计水星在其生命周期中收缩了多少。

但科学家们也不能保证估计结果的准确性。“水手”在飞回太空之前只与水星接触过三次,这使得航天器只能拍摄到水星表面的45%。为了验证他们的预测,科学家们需要另一个航天器来再次探测这颗行星,并能停留一段时间。

一艘名为“信使号”(MESSENGER)的水星探测器于2011年抵达火星。这次任务首次提供了水星的全球视野。

“三年来,我每天都像个圣诞节的早上的孩子一样,因为总有一些新的东西要看,而且每次都是令人惊讶的东西,”在此次任务成像系统中工作的查伯特(Chabot)回忆道。

照片显示水星毫无疑问已经缩小了。它的表面蜿蜒着成千上万的陡坡。科学家们研究了大约6000个这样的结构,并计算出,自这个行星诞生以来,其2440公里(1516英里)的半径已经缩小了14公里到20公里(8.6英里到12.4英里)。

科学家已经在太阳系的其他星球上也发现了类似的痕迹,比如月球和火星。北卡罗莱纳州立大学的行星地质学家保罗·伯恩(Paul Byrne)领导了这次“信使号”的研究,他说,在水星上,收缩的迹象更加明显。

“我不知道水星是否比其他星球收缩得更多,”伯恩说。“但我认为可以有把握地说,收缩对水星造成的影响最为明显。”

“信使号”的命运与美国宇航局历史上其他几艘航天器一样:它被发射到水星表面。但另一个替代它的水星探测器已经在进程中了。

上个月,欧洲航天局(European Space Agency)和日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)启动了“比皮科伦坡”BepiColombo任务。BepiColombo由两个模块组成,当七年后探测器一旦抵达水星轨道,这两个模块将分离进入各自的轨道。 就像之前的“水手号”和“信使号”一样,BepiColombo会提供更多水星表面的视图。

伯恩说,他预计他对水星收缩速度的估计不会有太大变化。水星的收缩发生在巨大的时间尺度上,所以在几年之内不太可能有多大的变化。

然而,关于这颗令人难以置信的不断缩小的行星,仍有一些问题。具体来说:它还在收缩吗?如果是,什么时候会停止?

要解开这一谜题还需要对水星进行另一项任务,但这次是要登陆水星表面,那里的温度可以达到430摄氏度(800华氏度)。这个水星探测器需要配备地震检波器来监听水星的震动,而科学家也需要等待很长很长的时间才能得到结果。

伯恩说:“唯一能确定水星没有收缩的途径是:假设我们在水星表面安装了能持续工作几千年的探测地震仪器,却不能探测到由水星活动和冷却造成的地震。我认为,没有任何其他方法能可靠地告诉我们,这个收缩的过程已经结束了。”

编译组出品。译者:刘麦麦 Jane,编辑:郝鹏程。

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