為何水星是一顆根據人類理論本不該存在的行星

圖像來源，NASA

• • Author, 喬納森·奧卡拉漢（Jonathan O'Callaghan）
• 5 小時前

水星長久以來讓天文學家困惑：它比理論上應有的體積更小，與太陽的距離也比理論應有的近得多——它違背了我們對行星形成的大部分認知。一項預計在2026年到來的太空任務，或許能解開這個謎團。

乍看之下，水星可能是太陽系中最乏味的行星。它荒蕪的表面缺乏顯著特徵，沒有過去存在水的證據，大氣層也極為稀薄。生命存在於它炙熱的隕石坑中幾乎不可能。然而，仔細觀察，水星卻是一個令人著迷、充滿謎團的世界。

行星科學家對太陽系中最靠近太陽的行星存在感到困惑。這顆奇特的行星非常小，質量僅為地球的二十分之一，寬度幾乎與澳大利亞相當。然而，由於擁有巨大的金屬核心，水星是太陽系中僅次於地球的第二高密度行星。

水星的軌道緊貼太陽，也處於一個天文學家難以解釋的位置。所有這些現象指向一個關鍵問題：我們完全不知道水星是如何形成的。從理論上看，這顆行星根本不該存在。

「這有點令人尷尬，」法國波爾多大學行星形成與動力學專家尚恩·雷蒙德（Sean Raymond） 說，「我們缺少某個關鍵的細節。」

水星的起源、形成過程以及它為何呈現如今的樣貌，是太陽系最重大的謎團之一。

而答案或許即將要揭曉了。歐洲和日本合作的 「貝皮科倫坡號」（BepiColombo） 於2018年發射，目前正前往水星。這將是十多年來首次有探測器造訪水星。它預計在2026年11月進入軌道，儘管途中因推進器問題延誤，核心任務之一就是弄清水星的起源。

圖像來源，NASA

圖像加註文字，水星表面佈滿隕石坑與熔岩流，但在其下方隱藏著一個巨大的金屬核心。

了解水星的形成，不僅對理解太陽系的起源至關重要，也有助於研究其他恆星周圍的行星——系外行星。

「水星可能是我們擁有的最接近系外行星的行星，」美國麻省理工學院行星科學家薩韋里奧·坎比奧尼（Saverio Cambioni） 說，「它是一個令人著迷的世界。」

1974年和1975年，美國太空總署（NASA）的「水手10號」（Mariner 10）探測器三次飛掠水星，當時太空人就意識到有些事情不對勁。這是人類首次造訪太陽系最內側的行星，這些飛掠提供了水星的初步重力測量，首次讓我們窺見水星的內部結構，並揭示其異常的內在組成。

地球、金星和火星都有富含鐵的核心，約占行星半徑的一半。在地球，核心分為固態的內核與液態的外核，兩者的運動產生保護地球的磁場。核心之上是地幔，再上面是我們居住的地殼。

水星則完全不同。它的核心約占半徑的85%，僅覆蓋一層薄薄的岩石地幔與地殼。這正是水星高密度的原因，但為何它的結構會如此仍不清楚。

「水星的形成是一個重大問題，」德國航空太空中心行星科學家尼古拉·托西（Nicola Tosi） 說，「我們仍不清楚水星為何呈現這樣的樣貌。」

後來，美國太空總署的「信使號」（Messenger）在2011至2015年間環繞水星，卻帶來更多疑問。水星距太陽僅3600萬英里（6000萬公里），白天溫度可高達430°C（800°F），夜晚則降至-180°C（-290°F）。

然而，儘管溫度如此極端，「信使號」發現水星表面存在揮發性元素，如鉀和放射性釷，這些物質理應早已被太陽輻射蒸發。此外，還發現複雜分子如氯，甚至在水星極地陰影隕石坑中發現水冰。

這些發現進一步強化了水星「本不屬於目前位置」的觀點。天文學家長期困惑於水星在太陽系中的位置，因為我們認為在這個區域不可能形成像水星這樣的行星。

我們知道，像太陽系這樣的行星系統起初是一個環繞恆星的塵埃與氣體盤。行星逐漸在這個盤中開闢空隙，並在吸收更多物質後成長。但根據行星形成模型，水星與金星的距離過大，無法合理解釋其形成。

無論動力學家如何調整參數，都無法讓模型產生像今天的水星。「這真讓人頭痛，」尚恩·雷蒙德說，「結果是完全沒有水星。」

天文學家花了多年時間改進模型並測試假說，提出了幾個主要理論。其中最多討論的一個是：水星曾經大得多，可能是現在的兩倍，甚至接近火星大小，並且可能在更遠離太陽的地方運行。

這一理論得到水星表面鉀和釷含量的支持，因為這些元素與火星的成分更為接近，而火星形成於距太陽更遠的位置。

理論認為，在水星存在的最初1000萬年間，這顆「原始水星」曾遭遇一個巨大的天體撞擊，可能是一顆火星大小的行星。這次碰撞剝離了水星的外層——地殼和地幔，只留下富含鐵的核心，形成了我們今天看到的水星。

法國尼斯蔚藍海岸天文台的行星動力學專家亞歷山德羅·莫比德利（Alessandro Morbidelli） 表示，這種解釋目前最受天文學家支持。他說：「普遍的解釋是，水星遭受了一次巨大的撞擊，移除了大部分地幔。」

這次撞擊必須是「擦撞」，沒有完全摧毀水星。然而，雖然早期太陽系中撞擊頻繁，但要剝離如此大量的物質，需要超過224000英里/小時（約每秒100公里） 的高速碰撞，根據薩韋里奧·坎比奧尼的說法，這種情況被認為不太可能，因為大多數天體在太陽周圍運行時速度相近，類似於環形道路上的車輛。

此外，這樣的撞擊理應剝離水星的揮發性元素，包括釷，但「信使號」卻檢測到它們仍存在，這使得理論更加複雜。它們是如何在如此劇烈的事件中倖存的？

即使沒有撞擊，也不清楚這些元素為何仍存在於水星上。「如此接近太陽的天體不應該富含揮發性物質，」英國公開大學（The Open University）行星地質學家大衛·羅瑟里（David Rothery） 說——他共同領導「貝皮科倫坡號」上的水星X射線光譜儀（MIXS）研究，該儀器將分析水星的揮發性元素，「那麼，水星是否起源於更遠的位置？或者形成水星的物質是否來自更遠的地方？」

另一種假說認為，水星並非被撞擊，而是撞擊者本身，曾與另一顆行星（如金星）發生「擦撞」，然後停留在目前的位置。這種「撞了就跑」的碰撞更容易解釋水星為何失去大量質量。比利時魯汶天主教大學的行星地質學家奧利維耶·納穆爾（Olivier Namur） 說：「如果水星是撞擊者而不是被撞擊者，解釋起來更容易。」

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圖像加註文字，水星表面顯示出遠古時期曾有火山活動的跡象。

它並不是早期太陽系中唯一的「行星級炮彈」。我們的月球被認為是由一顆火星大小的天體「忒伊亞」（Theia）撞擊早期地球後形成的，當時剝離了大量物質。

在任何水星撞擊的假說中，仍有一個問題：為何被拋入太空的岩石碎片沒有重新落回水星，或形成衛星（水星沒有衛星）？

一種可能的解釋是一個叫「碰撞研磨」（collisional grinding）的過程，即水星被拋出的物質逐漸被磨碎成塵埃，然後被太陽風的猛烈轟擊吹散。

加拿大多倫多大學行星形成專家珍妮佛·斯科拉（Jennifer Scora） 說：「碰撞研磨指的是碎片彼此摩擦，逐漸分解成越來越小的顆粒。最終，你會得到一顆更小、更高密度的水星。」然而，她指出，要讓這個過程奏效，所需的研磨速率非常高，可能遠超我們預期。

另一種情況是，根本沒有發生巨大撞擊，而是水星確實由靠近太陽、富含鐵的物質形成。

傾向於這種可能的瑞典隆德大學行星形成專家安德斯·約翰森（Anders Johansen） 認為，水星形成於太陽系中比其他行星更熱的區域，年輕的太陽釋放的能量蒸發了水星位置的大部分輕質塵埃，只留下較重、富含鐵的物質凝聚成行星。他說：「這樣就能形成一顆富含鐵的行星。」

但問題在於，如果這理論成立，為何水星沒有繼續增長，而是停留在目前的大小？「周圍應該有大量物質，」約翰森說，因此不清楚為何我們最終只得到一顆如此小的行星。

在其他恆星周圍，我們確實觀測到類似水星的更大版本，被稱為「超級水星」（Super Mercuries）。這些行星富含鐵，密度高，比地球更大、更重，但仍擁有巨大的鐵核心。我們尚未發現與水星大小相同的行星，原因是它們太小，難以在母恆星的強光和引力影響下被探測到。

根據觀測，超級水星在銀河系中可能相當普遍。坎比奧尼說，它們可能佔所有行星的10%至20%。這帶來新的問題：像水星一樣，我們不知道它們是如何形成的——例如，它們太大，無法通過任何撞擊理論形成。「它們的普遍性令人不安。」坎比奧尼說。

還有另一種理論認為，水星的形成與內行星的遷移有關。在某個太陽系模型中，水星、金星、地球和火星可能最初形成於太陽周圍的兩個不同物質環。雷蒙德說，地球和金星水星一起形成於內環，後來因質量較大而「遷移離開，留下水星」。

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圖像加註文字，與其他行星相比，水星確實非常微小——在這張圖中，它正以左側一個小點的形式穿越太陽表面。

牛津大學行星動力學專家馬特·克萊門特（Matt Clement） 的模擬顯示，岩質行星可能最初在水星目前軌道內形成，然後向外遷移。「水星被排除在外，並耗盡了物質，」他說。這一理論無法完全解釋水星為何擁有如此大的核心，除非它移動到富含鐵的區域，但它確實能解釋水星的大小及與金星的距離。「我認為必須有遷移過程。」克萊門特說。

此外還有一些更奇特的假說。例如，水星可能不是典型的岩質行星，而是類似木星的氣體巨行星的裸露核心，其大氣層被剝離。雖然這種想法曾被提出，但坎比奧尼認為不太可能：「要剝離木星大小行星的大氣層非常困難，因為它們擁有巨大的引力。」

所有這些理論為天文學家提供了許多線索，但仍未達成共識，水星究竟是如何形成的。「貝皮科倫坡號」（BepiColombo）或許能帶來一些答案。

當這項任務——事實上是由歐洲太空總署（ESA）與日本太空總署（JAXA）共同操作的兩艘探測器——進入水星軌道時，兩艘探測器將分離，並利用儀器繪製水星表面的組成圖，同時研究該行星的重力、微弱的磁場，以及其他觀測數據。

「貝皮科倫坡號將進行額外測量，幫助我們了解這顆行星的起源。」 德國航空太空中心行星科學家尼古拉·托西（Nicola Tosi） 說。特別重要的是，探測器將揭示水星表面與地下的組成。「了解這些組成能限制（對）行星形成過程（的猜測）。」托西補充道。

如果水星曾經更大，後來被剝離，那麼它應該曾擁有一層暫時熔融的地幔——一片巨大的岩漿海洋，今天我們可能仍能找到其痕跡。「這種固化方式有特定特徵，」托西說，而貝皮科倫坡號可以尋找這些證據。

圖像來源，ESA/ BepiColombo/ MTM

圖像加註文字，貝皮科倫坡號任務已在2025年稍早進行短暫飛掠時，開始傳回水星表面的影像。

然而，要真正理解水星的起源，科學家夢想有一天能登陸水星——這原本是貝皮科倫坡號計劃的一部分，但因成本與複雜性過高而早期取消——甚至希望能將樣本帶回地球。「我們真正想要的是水星的樣本，」羅瑟里說，這將使我們能精確分析水星的組成。

目前沒有任何登陸任務計劃，但已有一些提案。羅瑟里說：「在沒有登陸器的情況下，我們最好的希望是找到一塊源自水星的隕石。」這並非完全不可能，因為地球已發現數百顆來自火星的隕石，但至今沒有任何確定來自水星（或金星）的隕石。

有一種推測認為，地球上一類罕見的隕石——稱為「奧布萊特隕石」（aubrites）——可能是原始水星的碎片，即那顆更大的初始行星在遭受撞擊後留下的殘骸。莫比德利稱這仍屬「大膽猜測」，但因其化學與礦物組成與我們推測的原始水星相似，仍具吸引力。

法國洛林大學岩石學家卡米耶·卡地耶（Camille Cartier） 正領導一項研究，未來幾年將檢驗這一可能性。她說：「我們擁有一個超級收藏」，團隊已收集約20顆奧布萊特隕石樣本，並將在實驗室中分析它們是否真的是水星的碎片。

「我們應該能獲得有力證據，支持或否定這一假說。」卡地耶說。

理解水星的形成，關乎我們對行星形成本質的認識。水星是否僅僅是一個偶然產物，是太陽系中一次高速碰撞的結果，還是更普遍的現象？「或許水星並非如此罕見，而是行星形成的自然結果。」托西說。

目前，水星起源的謎團仍未解開。為什麼我們的太陽系中會有這樣一顆異常小且超高金屬含量的行星？其他恆星系統是否也有類似的水星？

水星表面看似一個灰暗、布滿隕石坑的世界，毫無趣味，但在其深處，這顆神秘的行星可能是太陽系中最令人著迷的地方之一。

「水星可能只是一顆不太可能存在的行星，」斯科拉說，在大多數情況下，它根本不該存在——但在我們的宇宙中，它卻存在著。