新研究揭示水星表面与预想大不相同

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水星可能保存着比科学家曾经预期的更炽热、更极端的内部状态的证据。图片来源：Shutterstock

从微小的玻璃珠和一幅月球地图到水星，一项新研究采用间接方法来确定水星表面的二氧化硅含量。

水星表面的二氧化硅含量似乎远低于研究人员此前的预估。一项新的分析显示，该化合物的质量占比约为37%，比早期的预估低了25%。这一发现表明，水星的火山岩可能是由比先前假设更深层地幔物质熔融形成的。

该研究结果为深入了解与地球截然不同的火山活动历史提供了新视角。水星是最小且距离太阳最近的行星，它可能很早就开始冷却。在这颗行星形成大约10亿年后，其火山活动基本停止，只留下了坚固、连续的地壳。相比之下，地球则通过火山活动和板块构造运动，至今仍保持着地质活跃状态。至于水星早期的火山活动是如何造就出如今我们所看到的地表的，其具体细节仍未明确。

来自德国马克斯普朗克太阳系研究所以及明斯特大学和哥廷根大学的研究人员比以往更精确地测定了水星的二氧化硅含量。他们的研究结果发表在《行星研究》杂志上。

迈向水星的三个步骤。步骤1他们利用来自月球的测量数据和月球样本验证了这一关系。步骤3MPShormesdesign.de

水星所含的二氧化硅比预期的少。

二氧化硅由一个硅原子和两个氧原子组成，在地球上很常见。它以纯形式存在于沙子中，并且是玄武岩、安山岩和花岗岩等火山岩的重要组成部分，其中一些岩石含有高达75%的二氧化硅。

汞看起来不同。

该研究的主要作者、马克斯普朗克太阳系研究所岩浆海洋实验实验室研究小组负责人克里斯蒂安伦格利表示：我们的研究结果表明，水星上的火山岩是由比之前认为的更深层的地幔物质熔融形成的。

首张月球表面二氧化硅含量全球地图。带有标注的白色圆点显示了阿波罗、月球和嫦娥任务从月球带回样本的着陆点。这些样本使得验证地图的准确性成为可能。资料来源：《行星研究》

解释在于年轻行星的地幔在冷却过程中是如何变化的。最初凝固的岩石从剩余的熔融物质中带走的二氧化硅相对较少。随着冷却过程的持续，二氧化硅在熔体中变得越来越富集，因此后来到达行星表面的熔岩可能含有更多的二氧化硅。所以，水星表面相对较低的二氧化硅含量表明其内部温度很高。

研究人员指出另一种可能性：水星早期地壳中可能含有更多的二氧化硅，随后逐渐失去了氧。

没有样本意味着间接测量

确定哪种解释是正确的很困难，因为科学家没有可以直接分析的水星样本。没有着陆器抵达过水星表面，也没有岩石样本被送回地球。相反，研究人员不得不根据望远镜和航天器进行的遥感观测来推断这颗行星的构成。

来自水星表面的红外辐射提供了一种实现该目标的方法。但在将这些测量数据转化为二氧化硅丰度的估算值之前，研究人员需要一种可靠的方式来校准这些数据。

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他们首先在实验室中制备了直径约为半毫米（0.02英寸）的微小玻璃珠，每颗珠子中二氧化硅的比例均经过精确调控。随后，他们测量了这些样品的红外特性。

明斯特大学的艾丽斯韦伯解释说：玻璃珠的作用与天平上的校准砝码类似。它们的重量是精确已知的。因此，它们能让我们正确解读天平的平衡情况。同样，玻璃珠能让我们从红外辐射的特性中得出正确的结论。

月亮对这种方法进行了检验。

在将该校准方法应用于水星之前，研究团队先在一个大得多的自然目标上进行了测试，其测量数据可以进行独立核查：这个目标就是月球。

美国国家航空航天局（NASA）的月球勘测轨道器自2009年以来一直环绕月球飞行，它已以高空间分辨率绘制了月球表面的红外辐射图。利用这些观测数据，研究人员绘制出了首张完整的月球表面二氧化硅分布图。

至关重要的是，他们可以将这些结果与载人及无人任务从不同地点带回地球的实际月球岩石进行对比。这种一致性验证了他们所建立的红外辐射与二氧化硅含量之间的关系。

月球对我们来说就像是一种试金石，也是我们迈向水星过程中重要的概念性垫脚石。研究报告第一作者、马克斯普朗克太阳系研究所岩浆海洋实验实验室研究小组负责人克里斯蒂安伦格利说道。

直到该方法通过这项月球测试后，研究人员才将其应用于对水星的红外观测。这些数据包括使用亚利桑那州斯图尔德天文台的博克望远镜收集的测量数据。

贝皮科伦坡号探测器可以让图像更清晰。

研究人员目前希望欧洲航天局（ESA）的贝皮科伦坡号（BepiColombo）任务能对水星二氧化硅含量异常偏低这一情况进行独立验证。该航天器由欧洲航天局和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）提供的两个可分离探测器组成，计划于2026年11月进入水星轨道。

在此之前，两颗探测器计划于九月分离自运输模块。贝皮科伦坡任务的MERTIS仪器，由德国航空航天中心领导并与明斯特大学行星研究所共同开发建造，预计将收集具有显著更高精度和空间分辨率的红外测量数据。\n\n

克里斯蒂安伦格利表示：我们的研究为从贝皮科伦坡号的测量数据中尽可能获取关于水星表面二氧化硅含量的最准确信息奠定了基础。

参考文献10.53480br74m226

相关知识

水星是太阳系中最靠近太阳的行星，体积小、表面布满陨石坑，没有大气层保护，昼夜温差极大。它绕太阳公转周期约为88个地球日，自转周期则为59个地球日。由于距离太阳近，从地球观测时通常出现在黎明或黄昏的低空，肉眼可见但不易观察。

BY: Max Planck Institute for Solar System Research

FY: AI

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