水星的神秘起源：相似天體碰撞揭秘其形成之謎

水星的形成仍然是一個未解之謎。作為離太陽最近的行星，水星擁有一個異常大的金屬核心——占其質量的約70%——以及相對較小的巖石地幔。直到現在，最廣泛接受的解釋是水星在與一個大型天體發生災難性碰撞后，失去了大部分的地殼和巖石層。然而，動態模擬結果顯示，這種涉及質量差異很大的天體的碰撞事件是極其罕見的。

一項新的研究提出了一種替代解釋，基于一種在早期太陽系中更為常見的事件——相似質量天體之間的近碰撞。研究結果已經在期刊 Nature Astronomy 上 發表。

該研究的第一作者是帕特里克·弗朗哥，他是一位擁有巴西國家天文臺博士學位的天文學家，并在法國巴黎地球物理研究所擔任博士后。

弗朗哥表示：“通過模擬，我們表明水星的形成并不需要什么特殊的碰撞。兩個相似質量的原行星之間的輕微碰撞可以解釋其成分。從統計和動態的角度來看，這是一種更合理的情況?！?/p>

“我們的工作基于之前模擬中發現的結果，即質量差異很大的天體之間的碰撞是極其罕見的事件。質量相似的物體之間的碰撞更為常見，本研究的目標就是驗證這些碰撞是否能產生像水星那樣的行星特征?！?/p>

這種可能的碰撞發生在太陽系形成的較晚階段，那時，相似大小的巖石體在靠近太陽的內層區域爭奪空間。

“它們是不斷演化的天體，處在行星胚胎的搖籃里，通過引力相互作用，擾動彼此的軌道，甚至發生碰撞，直到只剩下我們今天所知的那些明確且穩定的軌道配置?！备ダ矢缃忉尩?。

為了重現這一假設場景，研究人員使用了一種稱為“平滑粒子流體動力學”（SPH）的數值計算方法。SPH可以模擬氣體、液體和運動中的固體材料，特別適用于大變形、碰撞或破碎等情況。

廣泛應用于宇宙學、天體物理學和行星動力學，以及工程和計算機圖形學，這種方法采用了拉格朗日函數，該函數是由約瑟夫·路易·拉格朗日（1736–1813）提出的。該函數通過考慮每個組成點或粒子在空間中隨時間的個體運動，描述了系統的演變過程。

與歐拉形式（由萊昂哈德·保羅·歐拉于1707–1783年提出）不同，拉格朗日函數則從移動粒子的“視角”出發，觀察系統的演變。

“通過對平滑粒子流體動力學進行詳細模擬，我們發現可以非常精確地重現水星的總質量和它異常的金屬與硅酸鹽比。模型的誤差范圍小于5%，”弗朗哥說。

這個提議有助于解釋為什么水星雖然有一個大的金屬核心，但總質量卻較低，以及為什么它只保留了一層薄薄的巖石層。

研究人員解釋道：“我們假設水星最初的成分與其他類地行星相似。碰撞可能剝離了其原始地幔的多達60%，這就能解釋它的金屬含量為何較高?！?/p>

碎片在哪里？

此外，新的模型克服了之前模型的一個局限。

弗朗哥辯稱：“在這些模型中，碰撞中撕裂的物質被行星自身重新吸收。如果真是這樣，水星就不會出現核心和地幔之間的這種不成比例。但在我們提出的模型中，根據初始條件，部分被撕裂的物質可能會被噴射出去，永遠不會返回，這保留了核心和地幔之間的不成比例?！?/p>

那么，顯而易見的問題就是，噴射出去的物質到底去了哪里。

“如果碰撞發生在附近的軌道上，一種可能性是這些物質被另一個正在形成的行星吸收，可能是金星形成的過程。這是一個仍然需要深入研究的假設，”研究人員說。

根據弗朗哥的說法，這個模型還可以用來研究其他巖石行星的形成，并有助于我們理解早期太陽系中的分化過程和物質損失。研究的下一步應包括與隕石的地球化學數據以及研究水星的太空任務樣本的比較，例如BepiColombo，它是歐洲航天局（ESA）和日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）的聯合計劃。

“水星是我們太陽系中探索最少的行星。但目前情況正在改善。現在有新一代的研究和任務正在進行，未來還有很多有趣的發現等著我們，”弗朗哥說。