水星奇异的核心或许是与它的“孪生星球”碰撞所致

太阳系中充满了谜团。尽管有时我们似乎已经了解了很多，但随便挑选太阳系中的一个天体，很快就能提出一些尚未解答的问题。对于微小的水星来说，情况无疑也是如此。

水星的谜团在于其核心。20世纪60年代和70年代基于地面的无线电观测表明，它有一个巨大的核心。1975年的水手10号任务是首个前往水星的任务，提供了更精确的测量数据，而2010 – 2015年的信使号任务则提供了最有说服力的证据，证明这颗行星的核心是巨大的。

不知为何，这颗小个子行星的核心质量约占其总质量的70% 。这比地球核心占比（30%）和火星核心占比（25%）要大得多。这有时被称为 “水星问题”。

关于水星问题的主要有效假设认为，这颗行星是与一个不同大小天体碰撞的受害者。这场灾难性碰撞剥离了行星的大部分地幔和地壳，只留下覆盖在巨大核心上的薄薄地壳和地幔。

不幸的是，模拟显示质量差异很大的天体之间的碰撞非常罕见。《自然·天文学》上的一项新研究称，虽然水星与另一个天体的碰撞导致了水星不同寻常的内部结构，但另一个天体并不比水星大。

该研究题为《通过涉及相似质量天体的掠地大碰撞形成水星》，第一作者是来自法国巴黎地球物理研究所、巴黎西岱大学、法国国家科学研究中心的帕特里克·佛朗哥。

“与太阳系的其他岩石行星相比，水星的起源仍然知之甚少，” 佛朗哥和他的共同研究人员写道。“为了解释其内部结构，通常认为它是一次巨大撞击的产物。然而，大多数研究假设碰撞发生在质量差异很大的天体之间，根据N体模拟，这种情况似乎不太可能。”

这种碰撞罕见的原因之一是，撞击体在撞击前必须处于极其偏心的轨道上，而这是很少见的。

大碰撞场景假设，一个质量是当前水星2.25倍的行星胚胎（原水星）与一个比它小六倍的天体发生碰撞，剥离了胚胎的地幔，剩下的部分类似于水星的内部结构。

但如果这种不匹配的碰撞很罕见，那还可能发生了什么呢？根据详细的数值模拟，在年轻的太阳系中，质量相似的天体之间的碰撞要普遍得多。研究人员表示，与大碰撞场景相反，只需一次与相似质量天体的掠地碰撞，就能解释水星及其不同寻常的内部结构。

“通过模拟，我们表明水星的形成不需要特殊的碰撞。两个质量相似的原行星之间的掠地碰撞可以解释其组成。从统计和动力学的角度来看，这是一个更合理的场景，” 第一作者佛朗哥在一份新闻稿中说。“我们的工作基于先前模拟中的发现，即质量极不相等的天体之间的碰撞是极其罕见的事件。质量相似的天体之间的碰撞更为常见，而这项研究的目的正是验证这些碰撞是否能够产生一颗具有水星所观测到特征的行星。”

早期的太阳系比现在混乱得多。岩石行星胚胎在太阳系内部争夺位置，并不清楚哪些最终会成为行星。在那种环境下，质量相似的天体之间的碰撞更有可能发生。

“它们是不断演化的天体，处于行星胚胎的孕育环境中，相互之间存在引力作用，干扰彼此的轨道，甚至发生碰撞，直到只剩下我们如今所知的明确且稳定的轨道构型，” 佛朗哥说。

佛朗哥和他的共同研究人员借助光滑粒子流体动力学（SPH）模拟来验证这一想法。这种广泛使用的方法可以模拟气体、液体和固体在运动时的行为。SPH模拟在行星之间的碰撞情境中尤其有用。

“通过光滑粒子流体动力学的详细模拟，我们发现能够高精度地再现水星的总质量及其不同寻常的金属与硅酸盐比例。该模型的误差幅度小于5%，” 佛朗哥说。其不同寻常的金属与硅酸盐比例是指核心为金属，而地幔和地壳为硅酸盐。

“我们假设水星最初的成分与其他类地行星相似。碰撞可能剥离了其原始地幔的60%，这就能解释其较高的金属含量，” 佛朗哥解释道。

但如果水星是质量剥离碰撞的结果，那么被抛射到太空中的物质发生了什么呢？对不同大小天体之间碰撞的建模结果表明，水星会重新吸积大部分失去的质量，在这种情况下，水星就不会有现在的结构。

“在这些场景中，碰撞过程中被撕裂的物质会被行星自身重新吸收。如果是这样的话，水星就不会呈现出目前核心与地幔之间的不均衡状态，” 佛朗哥说。“但在我们提出的模型中，根据初始条件，部分被撕裂的物质可能会被抛射出去，再也不会回来，这就保留了核心与地幔之间的不均衡，” 佛朗哥认为。

在太阳系早期，某些条件可能阻止了质量的重新吸积。“这项工作中提出的场景发生在行星形成的最初数千万年，当时有几种机制可以阻止大量碎片的重新吸积，” 作者写道。当时会有许多小行星和行星胚胎，它们可能会通过引力散射碎片。

另一种可能性是，它的邻居金星由于这次碰撞最终质量略有增加。“如果碰撞发生在相邻轨道上，一种可能性是这些物质被另一颗正在形成的行星吸收，也许是金星。这是一个仍需更深入研究的假设，” 研究人员说。

要进一步深化这种理解，不仅需要对水星进行地球化学研究，还需要对陨石进行研究，甚至有可能的话，希望能研究来自水星本身的样本。

目前有关于水星样本返回任务的构想，但都还停留在概念阶段。21世纪中期，欧洲航天局研究了一个利用太阳帆进行水星样本返回任务的想法，但这更多是一个思想实验而非正式提案。

不过，太阳帆的想法并未消失。欧洲航天局/日本宇宙航空研究开发机构的贝皮科伦坡任务将于2026年抵达水星，该任务配备了一对互补的轨道器，将对这颗行星进行全面研究。

它们总共携带了20多种科学仪器。它将测量水星的固态和液态核心并确定其大小，还将绘制这颗行星的磁场和重力场图。

研究结果可能不会证实这个新的撞击假设，但更详细的数据无疑将推动科学界对水星的认识。

“水星仍然是我们太阳系中探索最少的行星。但这种情况正在改变。新一代的研究和任务正在进行中，许多有趣的发现即将到来，” 佛朗哥说。