科学家使用磁波分析在水星外逸层中检测到锂 _科学

水星空间环境中拾取离子回旋波的产生机制示意图。来源：《自然通讯》（2025）。DOI:10.1038/41467-025-61516-4
据美国物理学家组织网（Tejasri Gururaj）：《自然通讯》的一项新研究使用了一种尖端的磁波探测技术，首次在水星的外逸层中发现了锂。
水星的外逸层是一个脆弱的环境，气体分子稀少，很少相互作用。自20世纪70年代以来，像水手10号宇宙飞船和后来的信使号这样的任务已经绕水星运行，收集数据。
得益于地球上的任务和望远镜收集的信息，科学家们发现了氢、钾、钠和铁等物种的存在。
钾和钠等碱金属的发现促使科学家根据目前对行星形成的理解推测，锂等其他碱金属应该存在。
多年来，大多数努力都没有取得任何成果，这意味着锂可能以极低的浓度存在于外逸层中。
奥地利科学院丹尼尔·施密德领导的研究小组从一个新的角度进行了搜索。
他们没有直接搜索锂原子，而是使用磁场测量来识别一种名为“拾取离子回旋波”（ICW）的电磁波特征，表明锂的存在。
Schmid向Phys.org表示：“在我们对信使号磁场数据的调查中，我们发现了可归因于新电离锂的拾取离子回旋波的特征。” 。
“这一发现表明，水星表面通过持续的陨石撞击富含挥发性元素，这也促进了它们释放到外逸层和太空中。”
检测签名
ICW是由水星表面和大气层中启动的多个物理过程形成的。
当中性锂原子从水星表面向上进入太空时，它们会遇到强烈的太阳紫外线辐射。这种辐射会从锂原子中剥离电子，将其转化为带电的锂离子。
这些新电离的粒子被来自太阳的太阳风（恒定的带电粒子流）吹走。
当太阳风“吸收”这些新鲜的锂离子时，它会在周围的等离子体中产生不稳定。新形成的锂离子和太阳风粒子之间的速度差产生了在太空中传播的电磁波。
它们产生一个特征信号。它们以锂离子回旋加速器频率振荡，这是一个完全由锂独特的质荷比和局部磁场强度决定的特征频率。
这类似于每个元素都有自己的电磁指纹。
施密德解释说：“拾取离子以特征频率产生波，使我们能够通过它们的磁性特征来识别它们的存在。” 。
“水手10号和信使号上的粒子探测器以及地面望远镜都无法证实锂的存在，尽管基于对其他挥发性元素的探测，人们预计锂的存在。”
研究小组分析了信使号四年来的磁场数据，确定了12个出现ICW的独立事件。每次事件只持续了几十分钟，都为锂释放到水星稀薄的大气层提供了一个短暂的窗口。
流星体轰击
这些检测的零星性和短暂性为锂的起源提供了关键线索。研究人员排除了缓慢作用的过程，包括热加热和持续的太阳风轰击。
相反，所有迹象都指向持续时间较短的爆炸事件，如流星体撞击。
当流星体以每秒110公里左右的速度撞击水星表面时，它们会产生爆炸性撞击，使进入的岩石和水星表面的物质蒸发。
撞击产生的蒸汽云加热到2500-5000开尔文，高到足以将锂原子抛入水星的外逸层。
施密德说：“锂的检测及其与撞击事件的关联有力地支持了这一假设。” 。“这表明流星体不仅能提供新的物质，还能蒸发现有的表面沉积物，将挥发物释放到外逸层中，并维持一个动态的供应循环。”
研究人员估计，负责锂探测的流星体半径在13到21厘米之间，质量在28000到120000克之间。
值得注意的是，这些撞击可以蒸发的表面物质大约是流星体自身质量的150倍。
重写水星的故事
这些发现挑战了关于水星如何获得其成分的传统观点。早期的模型表明，水星靠近太阳应该在行星形成过程中去除了挥发性元素，留下了一个相对贫瘠的世界。
施密德解释说：“水星的质量密度异常高，相对于其岩石地幔，其铁芯尺寸过大。” 。
“有一种假设认为，一次大规模的早期碰撞，再加上这颗行星靠近太阳，剥离了大部分地幔及其挥发物。然而，信使号探测到了大量的挥发性元素，这与这一观点相矛盾。”
相反，这项研究提出了一种不同的说法。数十亿年来，水星表面通过流星体轰击不断富集。这为岩石行星在持续轰击下的演化提供了新的视角。
除了应用于水星，这种方法还可以帮助科学家探索整个太阳系的稀薄大气，特别是在难以直接收集数据的地方。
施密德指出：“他们认为，即使是像月球、火星和小行星这样的无空气天体，在形成后也可能通过外星运输获得挥发物。” 。
“事实上，这已经在月球上得到了证实。这对理解太阳系内部的表面化学和长期空间风化具有重要意义。”