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為什么水星會擁有一顆與眾不同的“心”?

2021-11-10  魅力科學君

從體積上來看,水星是太陽系中最小的行星,然而從密度上來看,水星卻是太陽系中密度第二大的行星,探測數據表明,水星的平均密度約為5.4克/立方厘米,而地球作為太陽系中密度第一大的行星,其密度也只有大約5.5克/立方厘米。

需要知道的是,地球的高密度,是因為地球是太陽系中質量最大的巖石行星,其強大的重力會對自身的物質造成擠壓,從而使物質(特別是核心物質)的密度大幅度提高。

實際上,在沒有重力壓縮的情況下,地球的平均密度只有4.4克/立方厘米左右,而由于水星的質量只有地球質量的大約5.5%,因此在同樣的情況下,水星的平均密度大約是5.3克/立方厘米,這比地球高出了很多。

水星的平均密度為什么會如此高呢?

最主要的原因就是,水星擁有一顆與眾不同的“心”。在過去的研究工作中,科學家根據“信使號”探測器測量的水星重力場數據和磁場特征,再結合地球上的觀測設備測量到的水星在自轉過程中的細微動態,早已推測出了水星的內部結構。

(注:“信使號”是迄今為止唯一一個進入了環繞水星軌道的探測器)

如上圖所示,水星擁有一個固態的“地殼”、一個主要由硅酸鹽構成的“地幔”以及一個主要由鐵、鎳元素構成的金屬核心,并且其核心也像地球一樣擁有內、外核結構。

根據探測數據的分析結果顯示,水星核心的體積大約占據了水星總體積的42%,而其質量至少占據水星總質量的60%。正是因為水星的金屬核心在整顆行星上所占的比例非常大,水星才具備了如此高的密度。

實際上,在太陽系已知的所有行星中,水星是唯一擁有占比如此巨大的核心,相比之下,地球核心的體積只占地球總體積的大約16.2%,質量也只有地球總質量的31.5%,火星和金星的核心占比更低,而太陽系中其他的行星要么是氣態行星,要么是冰巨星,其核心占比就更不用提了。

為什么水星會擁有一顆與眾不同的“心”?

對此,科學家給出了多種假說,其中認同度最高的一種假說認為,在遙遠的過去,原始水星比現在要大很多,只是由于某種原因,原始水星的外層物質被剝離了,而現在我們看到的水星,其實就是原始水星留下的內核。

要知道在太陽系誕生之初的混沌時期,大規模的天體撞擊事件可以說是很常見的,例如地球就很可能被一顆與現在的火星差不多大的行星撞擊過,而金星的“逆向自轉”以及火星北極的巨大凹陷坑地,也強烈暗示了金星和火星曾經遭到過大型天體的撞擊。

因此一個合理的推測就是,在遙遠的過去,原始水星也曾經遭到過其他大型天體的撞擊,由于撞擊太過猛烈,因此整顆行星的外層物質都在撞擊過程中被剝離了。

有意思的是,“信使號”探測器發回的探測數據表明,在水星的內部存在著豐富的硫、氯、鈉、鉀等較輕的元素,而從理論上來講,假如原始水星形成于現在的水星所在的區域(離太陽很近),就不可能出現這種現象。

原因很簡單,如果在行星形成之初距離太陽太近,那么像硫、氯、鉀、鈉這類元素就很容易受熱揮發,它們中的絕大多數都會被強勁的太陽風“吹”跑。

這就意味著,原始水星應該形成于距離太陽更遠的區域,科學家根據太陽系行星演化模型推測,原始水星應該誕生在地球與火星之間,而就在這里,它遭到了其他大型天體的猛烈撞擊,在此之后,原始水星就失去了自己的外層物質,其內核則被撞出了原本的軌道,并向太陽系內側一直運動,直到進入現在的水星軌道。

值得一提的是,上述推測不但可以解釋水星為什么會擁有一顆與眾不同的“心”,而且還可以解釋水星軌道為什么會是一個偏心率很高的橢圓形(因為它是從距離太陽更遠的地方“遷徙”過來的)。

(注:水星是太陽系中運行軌道偏心率最高的行星,其遠日點約為0.4667天文單位,近日點約為0.3075天文單位,偏心率高達0.2056)


好了,今天我們就先講到這里,歡迎大家關注我們,我們下次再見。

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