“水星之谜”新解。

NASA信使号探测器拍摄的水星真彩图像。新研究向传统水星形成机制认知发起了挑战。NASA / Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory / Arizona State University / Carnegie Institution of Washington

不知为何，水星有一个极其巨大的内核。地球的内核和火星的内核分别只占行星质量的30%和25%，而水星的内核竟然占到了行星总质量的70%之多。科学家称之为“水星之谜”。

科学家自上世纪60年代和70年代开始，从地面射电望远镜的数据中，开始逐渐注意到了这一现象。1975年水手10号带回了精确的测量数据；而2010年至2015年，信使号提供了最有力的证据，表明这颗行星的核心确实非常庞大。

水星直径约2400千米，内核直径约1800千米；地球直径约12700千米，内核直径约7000千米。NASA-APL / IsadoraofIbiza

主流观点认为，水星之所以会有这么大一个内核，是因为它曾经和一个质量差异特别巨大的天体发生过碰撞。远古时代水星的质量曾经是现今的2.25倍，但后来另一个质量只有其1/6的天体与其发生了剧烈碰撞，导致其失去了大部分的幔和壳，变成了今天这副模样。但计算机模拟结果显示，发生此类碰撞的概率很低。因为此类碰撞发生前，天体必须在偏心率极高的的轨道上运行，而这种情况极为罕见。

近日巴黎城市大学国家科研中心全球物理研究所的Patrick Franco，率领一众科学家在《自然：天文学》上刊文指出，虽然水星和另一天体的碰撞是导致其内部结构异常的原因，但与之发生碰撞的天体质量与水星相比差异并不悬殊。

详细的数值模拟显示，早期太阳系质量相近的天体之间发生碰撞是一种更为常见的现象。水星之所以有今天这样一个异常巨大的内核，其原因可能并非与一次双方质量差异悬殊的大碰撞有关。一个质量与原始水星相近的天体，与原始水星以“擦边”的方式发生碰撞，也可以解释水星现今异常的内部结构——而且无论从统计学还是动力学的角度来看，这种情形都要合理得多。

早期太阳系是一个相当混乱和无序的世界。岩石质地的行星胚胎们，仍在为为数不多的几个能够成为行星的名额而互相竞争。这些仍处于演化过程中的天体，在行星的子宫里通过引力相互影响、干扰、碰撞，直至剩下少量轨道明确且稳定的个体。在这样的环境中，质量相近的天体更容易发生碰撞。

Franco和他的同事们使用所谓的“平滑粒子流体动力学（smoothed particle hydrodynamics）”模拟对他们的设想进行了验证。这种方法能够模拟运动中的气体、液体和固体，尤其适用于研究行星之间的碰撞。

模拟以小于5%的误差，详细地还原了水星的总质量，及其异常的金属-硅酸盐比例。所谓“异常的比例”，指的就是主要成份为金属的水星内核和主要成份为硅酸盐的水星幔壳。

研究人员假设水星的初始成分与其他类地行星相似，碰撞剥离了其原始地幔的60%——这可以解释其较高的金属含量。但如果是这样，那么水星失去的物质又去了哪里？

模拟结果显示，如果水星是与一个质量差异悬殊的天体发生的碰撞，那么水星会重新吸积大部分失去的质量——而这样一来，水星今天的内核和地幔比例就不会失衡。

因此可以设想，在太阳系早期，存在某些环境因素，能够在水星发生碰撞后，阻止其重新获得质量。

早期太阳系存在多种环境因素，能够阻止天体碎片的重新吸积。一种可能是，当时存在大量星子和行星胚胎，它们的引力作用驱散了这些碎片。

而另一种可能是，水星的邻居——金星获得了这次撞击产生的碎片。这或许就是金星的质量比较大的原因。研究人员称，撞击发生后，碎片被邻近轨道形成中的行星吸收，这在理论上是有可能的。但究竟是不是这样，则需要进行深入的研究。

水星撞击事件的模拟画面。原始水星质量约为地球的0.13倍。粉色代表其幔，蓝绿色代表其内核。与原始水星相撞的天体则用黄色内核和红色的幔表示。二者以32.5的角度，以较慢的速度发生碰撞。碰撞后物质飞散，重新形成的水星质量为地球的0.056倍，与今天水星的实测质量（地球质量的0.055倍）非常接近。Franco / 自然：天文学

参考

Collision between two bodies of similar mass may explain the formation of Mercury