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长尾巴的不一定是彗星,还有可能是水星!

长尾巴的不一定是彗星,还有可能是水星!
2022年07月31日 19:43 新浪网 作者 石头科普工作室

  Mercury

  这是一张2022年4月27日在西班牙拉帕尔马岛拍摄的图片,图片上方是著名的昴星团,下方带着尾巴的天体并不是一颗彗星,而是水星。仔细观察这张照片我们会发现,水星的尾巴呈黄色,上辈子是元素周期表的同学都知道,这是钠被激发后产生的现象,有一个熟悉的名词归纳了这种现象——焰色反应

图1、拉帕尔马岛位于加那利半岛,是仅次于夏威夷的天文观测地点,图为赫歇尔望远镜与云海

  这张照片衍生出两个问题:水星为什么会有尾巴?又为什么会是钠尾?我们可以很简单的将这两个问题解决。如同彗星一样,水星会有尾巴也是因为受到太阳风的吹拂,特别是作为离太阳最近的行星,受到的太阳风更为猛烈;而钠尾则表明水星表面含有丰富的钠,因此才能形成钠尾。那么,为什么含有丰富的钠呢?这是一个很好的问题,这个问题最终也会指向水星的起源问题。要解决这个问题,我们需要对水星有一些了解。

  水星的科学史

  在望远镜发明之前,人们对水星是知之甚少的,甚至连水星凌日也观测不到,伽桑狄于1631年首次观测到了水星凌日。20世纪,随着大型望远镜和一些仪器的使用,人们对水星有了更多的了解。科学家发现水星表面情况和月球的情况有很多相似的地方:使用光度计测量水星的亮度,科学家最终分析出了水星的表面土壤的某些特征,这些特征与月球十分相似,而水星的土壤甚至更暗一些。通过偏振计研究水星的土壤,水星便有了环形山存在的证据。此外,水星有一个特点是月球没有的,而且超乎大家的想象——水星上有大气:天文学家试过很多种方法去发现水星大气的存在,最终水手十号于1976年提供了一个最坚实的证据。不过这个大气并非我们习惯认知中的大气层,而是一个外逸层:不断有物质从中离开水星,钠自然也是其中之一。

  令人意想不到的是,水手十号还发现水星具有一个稳定的磁场,而且是全球性的磁场,强度尾地球磁场的1%。水星有一个由铁和镍等金属组成的熔融的核心,直径约为水星的3/4,体积约为水星的57%(地球分别为1/2和 17%)。另外,水星的密度仅仅是略低于地球,但是如果排除引力压缩的影响,水星可以称得上是密度最大的行星。这样特殊的情况超出了太阳系内行星的常态,科学家们提出疑问:原因是什么?

图2、水星内核与地球内核比较

  水星形成假说

  目前最为广泛接受的理论是巨型碰撞假说[1]。这种假说认为,水星在形成早期和其他类地行星没有区别,但是被一颗质量为水星1/6的行星撞击,由于水星的逃逸速度较低,而且水星轨道上碰撞行星之间的相对速度较高,这次撞击剥离了水星大部分的地壳和地幔,这样导致水星巨大的核占比。关于水星的大碰撞理论进一步指出,水星初始可能在今天的小行星带的位置,被碰撞之后转入了今天的轨道。在这个意义上,水星和月球相似度进一步提高了,因为月球目前最为广泛的起源假说也是碰撞说。

图3、月球:我真的有一个亲戚吗?

  另外一种假说认为,水星可能是受到原始太阳星云的影响,在恒星云的后期,水星的位置温度可能高达2500-3500°K,这样的温度可以融化大部分的岩石地幔并将他们带走[2]。还有一种假说认为太阳在水星形成早期阻碍了水星的吸积,这导致水星得不到一个足够厚的地壳,而且2011-2015年环绕水星的信使号的探测发现水星地表的钾和硫等物质含量高于预期[3][4],这对于大碰撞和星云假说都是一个挑战。或许最终是第三种假说胜利,不过,进一步的讨论需要新的探测器,科学就是这样在不断否定自我中前进的。

  钠尾的预测与发现

  一个重要的关系是,水星外逸层的组成与地壳的物质组成是有关系的,因此科学家们可以从外太空的研究中推断出水星地壳的化学组成,反过来,也能通过水星的化学组成对其空间的一些现象做出解释。这就是科学家为什么对水星大气如此感兴趣的原因了。

  1985年,Drew Potter 和 Tom Morgan在检测水星大气的夫琅禾费光谱时发现了钠的存在[7]。这些钠是怎么产生的呢?一些学者认为,这是来自于水星外壳和陨石撞击之间产生的物质,而水星自身的高金属含量也成为钠的重要来源。将钠喷射到外逸层是热蒸发、光子激发、冲击蒸发与离子溅射等多个过程综合的结果。

图4、可见光范围内的太阳光谱与夫琅和费线,其中两条D线便是著名的“钠双线”

  不过,有意思的地方就来了,这些过程每个都有自己的时空依赖性,而且大多数不能将钠加速到逃逸速度,那么会形成钠尾吗?两位学者模拟了太阳辐射对从不同表面发生的钠原子轨迹的影响,他们得出结论,只要初始速度大于2公里/秒,钠原子便可以从辐射加速度中获得足够的能量,形成类似于彗星的那种钠尾。

图5、2km时钠亮度分布,这是一张来自1986年的论文插图

  在2000年和2001年,他们终于观察到了预测的水星钠尾。之所以如此难观测是因为水星常年在太阳附近,只有在很少的时间段能在日出前后半小时内观测到。他们发现,太阳辐射对钠尾的加速最终使得钠尾末端的速度高达11公里/秒,横向速度也有2-4千米/秒。根据他们的估计,尾部钠的总通量约为1×1023个原子/秒,对应于地球上钠估计总生产率的1%-10%,显然,这是一个非常高的数值,仅仅是水星散逸出来的钠尾便达到如此水平。一开始对钠尾的拍摄还是比较模糊的,随着科学仪器的优化,我们才得到了如今这张漂亮的图片。

图6 2020年5月的一张钠尾照片,看来好照片都是有着一个强大的后期

  不过,上辈子建成过科学大厦的同学们都知道,自己的头顶一开始可能只是两朵乌云,但可能突然就是乌云漫天了。钠的分布在时间上与空间上的分布呈现丰富的多样性(低情商:复杂甚至看起来随机);作为一种离子,它与水星磁气圈又密切相关;除此之外,科学家还发现辐射加速似乎不能提供完全的能量;以及与离子溅射、陨石蒸发等等之间的关系。(还有好多让人眼花缭乱难以组织语言的东西)

  由于我们对水星可获取资料的限制,科学家们只能通过有限的资料建立更多的联系,这或许便是一种对抗内卷的方法吧。

  Mercury

  我们现在对水星好像知道很多,但又好像什么都不知道~

  有奖问答

  我们在这里准备了几个与本文密切相关的问题,大家可以通过留言回答。前三位全部答对者可以获得石头科普工作室定制的帆布包一个哦~(文章发布后24小时内作答有效;24小时后将在评论区精选所有作答的评论,并公示中奖者)

  在去除引力的情况下,太阳系密度最大的行星是?

  合理推测,钠尾中还应该有哪种物质? 

  A. 钾   B. 铁   C. 镁

  夫琅和费线中的两条D线是著名的什么线?

  大家快来踊跃作答吧~

  References

  [1]  Benz W, Slattery W L, Cameron A G W. Collisional stripping of Mercury's mantle[J]. Icarus, 1988, 74(3): 516-528.

  [2]  Cameron A G W. The partial volatilization of Mercury[J]. Icarus, 1985, 64(2): 285-294.

  [3]  https://www.csmonitor.com/Science/2011/0929/Messenger-s-message-from-Mercury-Time-to-rewrite-the-textbooks

  [4]  https://www.chemistryworld.com/news/messenger-sheds-light-on-mercurys-formation/3002463.article

  [5]  Hunten D M, Morgan T H, Shemansky D E. The mercury atmosphere[J]. Mercury, 1988: 562-612.

  [6]  Killen R, Cremonese G, Lammer H, et al. Processes that promote and deplete the exosphere of Mercury[J]. Space science reviews, 2007, 132(2): 433-509.

  [7]  Smyth W H. Sodium Atmosphere of Mercury.(Title only)[C]//Bulletin of the American Astronomical Society. 1985, 17: 712.

  [8]  Potter A E, Killen R M. Observations of the sodium tail of Mercury[J]. Icarus, 2008, 194(1): 1-12.

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