為何水星是顆硬橘子，而不是軟桃子？

十七世紀末，牛頓提出的萬有引力理論象徵現代天體力學的開始；人們利用物理原理來描述天體運行，並藉由天文觀測逐步修正理論或計算方法的缺失。以天王星的發現為契機，科學家開啟了一連串對行星軌道的研究；這些事件不但成為天體力學發展史的重要標誌，最終竟促成重力理論的演進，甚至延續到現今，反應在我們對黑洞的觀察上。

這一切，都要從 1781 年，英國天文學家赫雪爾（William Herschel，1738-1822）在自家庭院，從望遠鏡中看到一顆彗星說起……

天王星的詭異行徑

在赫雪爾將發現回報給皇家學會後，其他科學家也紛紛對這顆彗星進行調查。很顯然的，它似乎沒有彗星尾巴，而且運行軌跡較接近圓形，不像其他彗星以非常扁的橢圓軌道繞行太陽；與其說是彗星，它更像是在土星軌道之外環繞太陽的行星──這就是天王星的發現。

儘管已驗明正身，天王星仍然困惑著接下來數十年的天文學者：它的實際軌道和牛頓萬有引力理論的預測並不相同。這是牛頓理論的失敗嗎？還是觀測錯誤了呢？1846 年，法國天文學家勒維耶（Urbain Le Verrier，1811-1877）利用數學計算提出預測：存在某個未知星體影響了天王星的運行，造成理論和觀測的差異；他也指出該星體的軌道、質量和位置大約為何。

一陣子之後，柏林天文台收到勒維耶的報告，便馬上著手進行未知星體的搜尋工作；只花不到一個小時，海王星就被找到，與勒維耶預測的位置相差不到一度──史上第一次，單純憑藉數學計算發現新行星[1]。

水星的運行軌道也存在異常

隨著海王星的發現，牛頓萬有引力理論可說獲得空前勝利。然而，天文學家拿重力理論來推估行星運行的嘗試並未到此為止。1859年，勒維耶再度出擊，聲明水星軌道的進動也跟牛頓萬有引力理論的計算有所出入。

在理想狀況下，依據牛頓萬有引力理論，水星環繞太陽的運行軌道應該要固定不變；然而在實際上，因為受到其他行星的重力拉扯（和另外一些次要因素），水星軌道的近日點（以及軌道本身）會緩慢產生變化──這稱為水星的近日點進動。

勒維耶分析了從 1697 年到 1848 年的水星觀測資料，發現水星的近日點進動，與用牛頓萬有引力理論考慮其他行星的影響所算出來的進動數值，每世紀差了三千六百分之三十八（38/3600）度[2]──這是多麼微小的數值，卻又真實存在！

因為之前海王星的成功經驗，勒維耶猜想：介於太陽和水星軌道之間，可能存在未曾發現過的星體，影響了水星的運行；他將其命名為瓦肯星（Vulcan）[3]。

無奈地，這一次任憑天文學家花費幾十年尋找，甚至勒維耶也已去世良久，瓦肯星始終不見蹤影；而水星近日點進動問題便懸而未決，延續到二十世紀。在 1915 年，愛因斯坦才利用廣義相對論成功將此問題劃上句點。

根據我們目前所知，水星的近日點每世紀會移動約 574/3600 度，其中牛頓萬有引力效應佔了 532/3600 度，而廣義相對論造成的效應幾乎剛好就是兩者之差。廣義相對論針對牛頓萬有引力定律所描述的重力，做出了細緻的修正──這個修正在大多數狀況下，微小到可以忽略；只有在水星近日點進動這樣的例子，差異才會顯現出來。可以說，水星近日點進動問題的解決，是幫助廣義相對論得到世人認可的重要原因之一。

廣義相對論的黑洞測試

科學家拿星體運行來測試重力理論的故事就到此為止了嗎？非也。既然原本得到廣泛驗證的牛頓萬有引力定律，因水星近日點進動現象而被找到缺陷，那麼現在大獲全勝的廣義相對論，自然也有可能在某種特殊環境下暴露弱點──科學家於是把腦筋動到了黑洞頭上。

黑洞堪稱宇宙裡數一數二極端的天體，龐大的重力吞噬一切，無疑是測試重力理論的理想選擇。就像水星繞行太陽會產生進動，是否，繞行黑洞的星體，其軌道也會有進動現象呢？又是否完全可以用廣義相對論來解釋？

針對廣義相對論的正確性問題，一群科學家團隊花了二十七年，觀測環繞無線電波源人馬座A*（Sagittarius A*）運行的恆星S2，並於今年（2020）四月，在《Astronomy & Astrophysics》期刊發表最新成果。

人馬座A*位於銀河系中心，距離地球約兩萬六千光年，質量估計為四百多萬倍太陽質量，據信極可能是超大質量黑洞；環繞於外的 S2 具有十多倍太陽質量，與人馬座A*的最近距離是十七光時（海王星到太陽距離的四倍），軌道週期為 16 年（海王星軌道週期是 165 年）。研究發現，S2近心點（pericenter，最靠近重力中心的點）的進動約為每軌道週期 12/60 度，與廣義相對論的預測相符──即使在重力如此強大的環境，廣義相對論依舊通過試煉。

本次研究的意義

儘管沒有發現廣義相對論的破口，這次的成果仍然別具意義：它是人類第一次確認以黑洞為中心的進動現象；再者，若人馬座A*附近存在某些看不見的物質（如暗物質，或其他小型黑洞等等），科學家也能依據數據給出嚴格的質量上限。可以肯定的是，隨著觀測技術的發展，我們對於宇宙、或者黑洞的理解，將持續進步；說不定哪天，還真能發現廣義相對論的問題呢。

參考資料

• Classical Dynamics of Particles and Systems, Marion and Thornton, 4^th edition, 1995, Harcourt Brace & Company
• Dance around the heart of our Milky Way
• Urbain Jean Joseph Le Verrier
• A star orbiting the Milky Way’s giant black hole confirms Einstein was right
• Wikipedia: Discovery of Neptune
• Wikipedia: Tests of general relativity
• Wikipedia: Vulcan
• Wikipedia: S2 (star)

註釋

• [1] 實際上，勒維耶計算出的海王星軌道，與真正的海王星軌道仍有一些差距。但這並無礙於發現海王星的偉大成就。
• [2] 多年後，其他科學家重新評估牛頓萬有引力理論和實際觀測的差距，得出每世紀三千六百分之四十三（43/3600）度的數值，跟現代觀測吻合。
• [3] 就跟《星際爭霸戰》（Star Trek）裡的瓦肯星同名。不過可以確定勒維耶並不是因為看了《星際爭霸戰》才這麼命名的。

• 關於作者：李昫岱（天文學博士，歡迎來「屋頂上的天文學家」臉書和部落格，一起航向宇宙，浩瀚無垠！）

人類很早就知道天上有7顆會發亮的天體：太陽、月亮、水星、金星、火星、木星和土星，這些天體和一般的星星不一樣，它們在天空中的位置會移動。

古代的天文學家透過觀察，認為宇宙是由一層一層的球殼組成的，地球位在球殼的中心，最外側的球殼是天球，所有的星星都鑲在天球上，而這七顆發亮的天體，各自有一個球殼，它們繞著地球運行，由外而內排列的順序是土星、木星、火星、太陽、金星、水星和月球。

這7顆日月行星是人類最熟悉的天體，後來它們就成了每天生活的一部分，它們各代表一個星期中的一天，星期的「星」指的就是這七個天體，它們合稱七曜。

七曜日的順序有邏輯嗎？

你可能知道日本將星期訂為日曜日（日）、月曜日（一）、火曜日（二）、水曜日（三）、木曜日（四）、金曜日（五）和土曜日（六），但是你知道為什麼是這樣的順序嗎？這個排列看起來似乎很混亂，其實是有邏輯的。

用一個簡單的七角形（下圖），順時針方向在每一個頂點上標示七曜由外而內的排列（土、木、火、日、金、水、月），然後沿著紅色箭頭的方向就是曜日的順序！

不過真正要探究曜日的來源，就要先了解古代的行星時（Planetary hours）。

根據行星時的觀念，每天日出的時候，是一天24小時的開始，每一小時用一顆行星來代表，七曜依土、木、火、日、金、水、月的順序輪值。

下表中每一橫列代表一天，第一天中的第一個小時是土星，第二小時是木星，依序下去。輪替24小時後，第二天的第一小時是太陽，第三天的第一小時則是月亮，接下來幾天的第一小時就是火星、水星、木星和金星。每天第一個小時的行星也是當天的代表，這樣就會出現日、月、火、水、木、金、土的順序，這就是七曜日順序的由來。

七曜日不僅僅代表日月行星，它們還有自己的符號以及代表的希臘眾神。

另外古代有7種人類熟悉的金屬，它們是金、銀、汞、鐵、錫、銅和鉛，古代的人把這7種金屬和天上的日月行星相對應。接下來就對日月行星七曜做一一介紹。

太陽☉

星期日的英文字是Sunday，是由英文字Sun太陽這個字來的，也就是太陽日，日曜日代表日文的星期日。

☉這個符號你可能見過，它就像甲骨文的日，也就是太陽。它是一個圓和中間一個點組成，有人說中間的那個點代表太陽黑子，表示古時候的中國人就觀察到太陽表面的巨大黑點。

不只是古代的中國人，現代的天文學家也用☉來代表太陽，M☉代表太陽的質量，而 L☉則代表太陽的光度，天文學家用這它們來作為量測恆星的單位，例如織女星的質量和光度分別是 2.1 M☉和 40 L☉，表示織女星的質量和光度是太陽的 2.1 倍和 40 倍。

希臘羅馬神話中的太陽神是阿波羅（Apollo），他代表著光明。

黎明時，他會駕駛著黃金馬車，從東方的海平面升起，往西方奔馳，展開一天的開始。不意外地，金黃色的黃金代表著太陽，就像阿波羅的馬車就是黃金打造的，而金這種元素的符號也就是☉！

月球☽

星期一是Monday，是從英文 Moon 月亮這個字來的，也就是月亮日，日文中的月曜日就是星期一。

☽是日月行星中，最容易讓人辨識的符號，不用解釋就知道是月亮。☽也代表眉月，眉月出現在日落後的傍晚，比日出前凌晨的殘月☾還讓人熟悉。

阿提蜜絲（Artemis）與黛安娜（Diana）分別代表希臘與羅馬神話中的月亮女神，神話故事中阿提蜜絲和阿波羅是一對龍鳳胎，他們是宙斯和勒托（Leto）的小孩。

神話中勒托是獨自一人生下他們，阿提蜜絲比阿波羅還早一天出生，勒托在生阿波羅時遇到難產，阿提密斯還幫忙接生阿波羅，阿提蜜絲體會媽媽生小孩的辛苦，所以決定終生不嫁。

夜晚的月亮，雖然有眾星陪伴，但總是給人一種孤單的感覺。李白的詩中有「舉杯邀明月，對影成三人」，沒人作伴孤獨的詩人只能對著月亮和自己影子喝酒。

哪一種金屬最能代表月亮呢？沒錯就是銀，銀色月亮提供古往今來騷人墨客無盡的靈感，而銀的符號就是☽！

火星♂

星期二是Tuesday，是從北歐神話中的戰神提爾Tyr來的，相當於羅馬神話中的瑪爾斯（Mars），星期二是火星日，日文中的火曜日就是星期二。

♂這個符號很常見，是代表雄性的符號，這個符號中的圓代表戰神的盾，而箭頭則是他的矛。天文上，火星的符號也是♂。

火星看起來是紅色的，它每2年多的時間會靠近地球一次，那個時候紅色的火星會特別明顯，為什麼火星是紅色的呢？因為火星的表面有許多的氧化鐵，也就是鐵鏽，紅色的鐵鏽讓火星看起來呈紅色。

羅馬的戰神稱為瑪爾斯，相當於希臘的阿瑞斯（Ares）。阿瑞斯是宙斯和天后希拉的兒子，他喜歡戰爭，無役不與，但是卻不善於打仗，比較像是有勇無謀的莽夫。7種金屬中就以鐵最適合代表戰神，因為鐵最堅硬，適合用來製造武器，所以鐵這種金屬的符號也就是♂。

水星☿

星期三是 Wednesday，是從北歐神話中的最主要的神奧丁 Woden，星期三也是水星日，日文則是水曜日。

☿代表水星，也就是信使之神，☿是信使之神的信物，稱為雙蛇杖或商神杖，因為信使之神也是商業之神，圓形上的兩個像角的代表雙蛇杖上的一對小翅膀，兩條蛇就簡化成一個圓。

墨丘利（Mercury）和荷米斯（Hermes）分別是羅馬和希臘神話中的信使，他飛快的速度，負責為眾神傳遞訊息。

水星最靠近太陽，是行星中移動速度最快的，這和信使之神的形象相符。

哪一種金屬最適合代表水星？

其實從他的羅馬名字就看得出來，Mercury的另一個意思就是汞，也就是水銀。水銀在常溫下是流動的銀色液體，所以汞在英文上也稱為quicksilver，不意外地，汞的符號就是☿。

木星♃

星期四是Thursday，是用北歐神話的雷神索爾Thor名字命名的，星期四也就是木星日，日文則是木曜日。

♃這個符號很特別，有點像是阿拉伯數字的2，再加上一豎，或像阿拉伯數字的4。♃代表木星，有人說它是宙斯的老鷹，也有人說其中2的形狀，其實是Z，是宙斯Zeus名字的縮寫，中間的一豎代表宙斯的武器閃電，這個武器和雷神索爾相呼應。

木星是太陽系中最大、最重的行星，非常的有威嚴，它的衛星數量也最多，目前已知的衛星有69顆。木星的大氣也會出現閃電，它的威力最高可達到地球閃電的一千倍！可見宙斯閃電的威力！

朱庇特（Jupiter）是羅馬神話中的眾神之神，一般人比較熟悉的反而是希臘神話中的宙斯（Zeus），宙斯非常的風流，木星已命名的衛星中，大多都是以宙斯愛人的名字命名。

錫這種金屬相當特別，除了顏色閃閃發亮外，當錫棒被彎折時，會發出喀喀的聲音，想像力豐富的古人就把錫和宙斯的雷電聯想在一起，所以錫就代表木星，而它的符號就是♃。

金星♀

星期五是Friday，是從北歐神話奧丁的妻子弗麗嘉Frigg名字來的，弗麗嘉是愛和美的女神，星期五是金星日，也是日文的金曜日。

♀這個符號代表雌性，代表美神手上拿的鏡子。

♀和♂常常成對出現，不過美神和戰神並不是夫妻，他們常常背著另一半，偷偷地在一起。金星的符號是♀，是天空中第三亮的天體，僅次於太陽和月亮。

金星是距離地球最近的行星，它厚厚的大氣層中有硫酸雲，硫酸雲的反射率很高，就像是鏡子一樣會反射大量的太陽光，所以金星看起來會特別明亮。

維納斯（Venus）和阿芙蘿黛蒂（Aphrodite）指的都是同一位神，也就是愛神，只是前者是羅馬名，後者是希臘名。

阿芙蘿黛蒂相傳是從海中的泡沫中誕生，出生後就驚為天人，她成了眾神追求的對象，宙斯當然不落人後，不過被阿芙蘿黛蒂拒絕了，宙斯在惱羞成怒的情況下，把阿芙蘿黛蒂嫁給自己的兒子火神，於是造成不幸福的阿芙蘿黛蒂常常出軌。

阿芙蘿黛蒂的符號是手上的鏡子，古代鏡子是用銅做的，也就是銅鏡，所以銅的符號就是♀。

土星♄

星期六是Saturday，是從英文Saturn土星這個字來的，星期六是土星日，也是日文的土曜日。

♄代表農業神手上拿的鐮刀，羅馬和希臘的農業神分別是撒頓（Saturn）和克洛諾斯（Cronus）。天文上，♄代表土星，土星是七曜中移動最緩慢的，大約30年才會在天球上移動一圈。

克洛諾斯用鐮刀打敗了父親烏拉諾斯（Uranus），取得統治世界的權力，於是鐮刀就成了克洛諾斯的象徵。當克洛諾斯取得權力時，就被他的父親詛咒，將來也會被自己的小孩擊敗，所以克洛諾斯把每個生下來的孩子都吞下肚子。宙斯的母親不忍小孩一個一個被克洛諾斯吃掉，所以用一塊包著布的石頭代替宙斯被克洛諾斯吞下。宙斯長大後，用計將克洛諾斯肚子裡的兄姐救出，最後打敗克洛諾斯，獲得世界的統治權。

鉛是密度很高的金屬，因為像鉛一樣的沈重，所以土星在七曜中移動的最慢，鉛的顏色也最暗沈，就像農業神腳踩的土壤一樣，所以鉛的符號也就是♄。

太陽跟我們的日常作息密不可分，月亮則在夜晚守候著我們，水星和金星是比地球還靠近太陽的兩顆行星，火星很可能是人類移民的目標，而木星和土星則是太陽系裡最大的兩顆行星。七曜日月行星並不是遙遠的天體，它們和我們每天的生活連結在一起，找個天氣好的夜晚，看看這些和我們息息相關的天體吧！

本文編修自作者部落格《屋頂上的天文學家》

• 編按：大家都記住七曜日了嗎？這樣以後突然被問到「月曜日是星期幾？」就不會答不出來了吧！

就在幾天後──預計是在台灣時間的 2015 年 5 月 1 日凌晨 3 點 25 分，老牌的水星探測船「信使號」(MESSENGER) 即將迎接一生中最耀眼燦爛的殞落：以約 4 公里的秒速直接撞擊水星。

任職於美國約翰霍普金斯大學，應用物理實驗室 (APL, Applied Physics Laboratory，信使號的共同所屬組織) 的任務系統工程師 Daniel O’Shaughnessy 解釋，「因為信使號隨身攜帶的、用來推進及改變運行軌道的氦氣即將用光，接下來我們只剩一次的軌道調整機會。」最後一次藉由噴氣來改變軌道的時間是在 4 月 24 日，接下來信使號無可避免的會受到水星與太陽強大的重力影響，使得軌道離水星越來越近，導致無法避免的撞擊命運。

信使號的全名為「水星表面、太空環境、地球化學與廣泛探索」(MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry and Ranging)，是美國太空總署 NASA 近 40 年來唯一發射過的水星探測器。它在將近 11 年前 (2004年) 升空，經過漫長的歲月，迂迴於水星、金星、地球之間，終於在 7 年後的 2011 年進入水星軌道。這是個惡劣的環境，來自太陽、高能的電漿離子無情的撞擊信使號上的所有電子儀器，高溫的熱輻射更是讓信使號在面對太陽時，「體溫」可以高達攝氏數百度。不過信使號做足了萬全的準備，來面對這 40 年來唯一的一次機會，可以全面調查水星的各項奇怪特徵。

最靠近太陽的水星一直都是太陽系中最神秘的類地行星，太陽強大的重力、高能粒子與溫度，使得要送一艘太空船來這裡調查，要比送一艘太空船去好幾倍遠的木星還難。因此，睽違許久後再次拜訪水星的信使號，自然身兼多項任務，包括調查水星磁場與大氣，以及表面的地質作用與年代等等。從 2011 年到現在，信使號果然也沒讓我們失望，不只如此，它傳回來的觀測成果在許多方面更是大大超出了我們的預期！

筆者印象最深的發現是在 2012 年年底，NASA 根據信使號對水星極區的隕石坑陰影區的調查，率先宣布了水星真的有水存在！這發現顛覆了許多人對於水星的概念：一顆炎熱、乾燥的死寂星球，居然有水這種重要的化學物質，實在令人不敢置信。目前我們已經知道，在水星的陰暗極區，尤其是在隕石坑的背光面的土壤中，混合著許多水冰與揮發性物質。雖然總量不及火星和地球擁有(或曾經擁有)得多，但這仍然意味著水星上的確有地方，能夠滿足形成生命的簡單有機物質的環境條件。由於陰影區外，強烈的太陽輻射阻隔了每個陰影區之間的交互作用，因此每個陰影區都像是一個獨立的「有機物合成實驗室」，令人很期待後續針對這些未知內容物的調查！

信使號在這4年來，拍攝了超過25萬張的水星照片，取得了關於太空化學與磁場的精密資料。但再怎麼出色的任務，也會有終止謝幕的一天，隨著噴射氣體的用罄，信使號也即將準備好下台一鞠躬。撞擊會發生在水星背向地球的一面，意味著我們無法見到信使號的最後華麗身影，但或許留下的撞擊坑，足夠讓後世的探測船前來憑弔。後世的探測船？沒錯，現在我們完全沒有任何一艘太空船正在前往水星，下一個值得期待的，是預計在 2017 年由 ESA (歐洲太空總署) 和 JAXA (日本宇宙航空研究開發機構) 發射的 BepiColombo (貝皮可倫坡) 號太空船，預計抵達的時間是 2024 年，因此水星又可以享受 9 年無「人」打擾的清幽時光。

延伸連結：

信使號的前十大發現與創新 (英文)

信使號的最後任務 (英文)