Sao Thủy – Hành tinh nhỏ nhất Hệ Mặt Trời

Hệ Mặt Trời có tám hành tinh thì Sao Thủy (Mercury) là hành tinh nhỏ nhất và có vị trí gần với Mặt Trời nhất.
Đặc điểm Sao Thủy
Chu kỳ quỹ đạo của sao Thủy bằng khoảng 88 ngày Trái Đất. Khi nhìn từ Trái Đất, Thủy Tinh hiện lên với chu kỳ giao hội trên quỹ đạo bằng xấp xỉ 116 ngày, và nhanh hơn hẳn những hành tinh khác. Vì tốc độ chuyển động nhanh này đã khiến người La Mã đặt tên hành tinh là Mercurius – tên của vị thần liên lạc và đưa tin một cách nhanh chóng. Bạn có thể biết đến trong thần thoại Hy Lạp tên của vị thần này là Hermes (Ερμής). Theo hành thủy ngũ hành, Trung Quốc đặt tên là sao Thủy và tên tiếng Việt của hành tinh này dựa theo đó.

Bề mặt Sao Thủy trải qua sự biến đổi nhiệt độ lớn nhất trong số các hành tinh do nó hầu như không có khí quyển để giữ lại nhiệt lượng. Nhiệt độ thay đổi từ 100 K (−173 °C; −280 °F) vào ban đêm tới 700 K (427 °C; 800 °F) vào ban ngày. Mặc dù trục quay của hành tinh này có độ nghiêng nhỏ nhất trong Hệ Mặt Trời (khoảng 1⁄30 độ), nhưng nó lại có độ lệch tâm quỹ đạo lớn nhất. Khi so với hành tinh ở cận điểm quỹ đạo, Sao Thủy ở cách xa Mặt Trời hơn 1,5 lần tại viễn điểm quỹ đạo. Bề mặt sao có rất nhiều hố va chạm nhìn trông giống như bề mặt của Mặt Trăng. Trong hàng tỷ năm trước đến nay hành tinh không còn hoạt động địa chất.
Khác với các hành tinh khác, trên Sao Thủy không có sự biến đổi thời tiết theo mùa bởi vì nó không có bầu khí quyển đáng kể. Thủy Tinh bị khóa thủy triều với Mặt Trời do đó so với các hành tinh khác, nó quay trên quỹ đạo rất khác. Nó tự quay được chính xác ba vòng trong hai chu kỳ quỹ đạo quanh Mặt Trời, khi lấy các ngôi sao cố định làm điểm mốc. Khi nhìn từ Mặt Trời, trong hệ quy chiếu quay cùng với chuyển động quỹ đạo, Sao Thủy hiện lên chỉ quay quanh trục một lần trong hai “năm” Sao Thủy. Điều đó có nghĩa là nếu có người đứng trên Sao Thủy họ chỉ nhận thấy 1 ngày trong 2 năm.
Cũng chính vì lý do quỹ đạo Sao Thủy nằm bên trong quỹ đạo Trái Đất (và của Sao Kim) nên khi nhìn từ Trái Đất thì nó có lúc hiện lên vào buổi sáng hoặc vào buổi tối, nhưng tuyệt nhiên không bao giờ có thể nhìn thấy lúc nửa đêm. Cũng giống như Sao Kim và Mặt Trăng, hành tinh này cũng có các pha quan sát khi nó di chuyển trên quỹ đạo. Thủy Tinh không có một vệ tinh tự nhiên nào. Độ sáng biểu kiến của nó thay đổi từ −2,0 đến 5,5 nhưng quan sát hành tinh này qua kính viễn vọng rất khó và ít khi thực hiện được vì nó quá gần Mặt Trời.
Vào năm 1974 và 1975, phi thuyền Mariner 10 đã ghé thăm sao Thủy. Vào năm 2004, MESSENGER được phóng lên, đã quay quanh sao Thủy hơn 4.000 lần trong vòng bốn năm trước khi cạn kiệt nguồn nhiên liệu và rơi vào bề mặt hành tinh này vào ngày 30 tháng 4 năm 2015. Hiện tại người ta đang lập kế hoạch phóng tàu vũ trụ BepiColombo bay đến Sao Thủy vào năm 2025.
Cấu trúc bên trong
Trong Hệ Mặt Trời, vì tương tự như Trái Đất là hành tinh cấu tạo bằng Đá, Sao Thủy được xếp chung vào trong 4 hành tinh kiểu Trái Đất. Thủy tinh nhỏ nhất hệ Mặt Trời, có bán kính tại xích đạo là 2.439,7 km. Nếu so về kích cỡ, khối lượng, Sao Thủy còn nhỏ hơn các vệ tinh tự nhiên lớn nhất của những hành tinh trong hệ Mặt Trời như Ganymede và Titan. Thành phần cấu tạo của Sao Thủy khoảng 70% là kim loại và 30% silicat. Nó có khối lượng riêng trung bình là 5,427 g/cm³ cao thứ 2 trong Hệ Mặt Trời (Trái Đất cao thứ nhất với khối lượng riêng Trái Đất là 5,515 g/cm³). Mặc dù vậy, trong trường hợp bỏ qua hiệu ứng áp lực nén hấp dẫn, Trái Đất có khối lượng riêng khoảng 4,4 g/cm³ nhưng các vật liệu trên Sao Thủy có thể đặc hơn với khối lượng riêng khoảng 5,3 g/cm³.
Từ khối lượng riêng trung bình của Sao Thủy, người ta có thể sử dụng để phỏng đoán cấu trúc chi tiết bên trong của nó. Khác với Trái Đất, khối lượng riêng lớn do đóng góp chủ yếu của áp lực nén hấp dẫn, đặc biệt tại lõi thì Sao Thủy có thể tích nhỏ hơn và vùng lõi không bị nén mạnh như của Trái Đất. Cho nên, vì hành tinh có khối lượng riêng cao, lõi của nó phải lớn hơn về tỷ lệ kích thước đồng thời chứa nhiều sắt hơn.

Ước tính của các nhà địa chất học ước tính thì lõi của Trái Đất chiếm khoảng 17% thể tích nhưng với Sao Thủy thì con số này là 42%. Có một số nghiên cứu mới gần đây đề xuất rằng Sao Thủy có lõi nóng chảy. Phần bên ngoài lõi là lớp manti bao gồm chủ yếu là silicat, có bề dày từ 500–700 km. Theo dữ liệu từ tàu thăm dò Mariner 10 và những quan sát từ Trái Đất, các nhà khoa học tính được lớp vỏ Sao Thủy dày 100–300 km. Theo các nhà khoa học, một cấu trúc ấn tượng trên bề mặt Sao Thủy là sự tồn tại của nhiều dãy núi hẹp, kéo dài hàng trăm km. Sự hình thành của cấu trúc này được cho rằng là khi lõi và lớp manti của Sao Thủy nguội lại vào lúc mà vỏ đã hóa rắn.
So với các hành tình khác trong Hệ Mặt Trời lõi của Sao Thủy chứa nhiều sắt nhất. Có nhiều giả thuyết đã được đưa ra để lý giải cho việc này.
Trong đó, giả thuyết thứ nhất là Sao Thủy ban đầu có tỉ lệ silicat-kim loại giống với các thiên thạch chondrit phổ biến, được cho là vật chất tạo đá đặc trưng của Hệ Mặt Trời, và có khối lượng gấp khoảng 2,25 lần khối lượng hiện nay của nó. Trong giai đoạn lịch sử sơ khai của Hệ Mặt Trời, người ta cho rằng Sao Thủy có thể đã va chạm với một vi hành tinh có khối lượng bằng 1/6 nó và có đường kính hàng trăm km. Kết quả của cú va chạm có thể đã cuốn đi phần lớn vật liệu nguyên thủy của lớp vỏ và manti, để lại phần lõi có thể tích tương đối lớn. Quá trình tương tự, người ta gọi là giả thiết vụ va chạm khổng lồ, nhằm đề xuất để giải thích sự hình thành Mặt Trăng của Trái Đất.
Dưới một giả thuyết khác thì Sao Thủy hình thành từ tinh vân Mặt Trời trước khi năng lượng phát ra từ Mặt Trời đạt đến sự ổn định. Ban đầu, nó có thể có khối lượng gấp đôi hiện nay, nhưng bởi vì sự thu nhỏ thể tích trong giai đoạn sau khi hình thành Sao, nhiệt độ gần Sao Thủy có thể rơi vào khoảng 2.500 đến 3.500 K ( thậm chí có thể cao đến 10.000 K). Đa phần đá trên bề mặt Sao Thủy có thể đã bốc hơi ở nhiệt độ đó dẫn đến hình thành một lớp khí quyển chứa “hơi đá”, loại “hơi” này sau đó bị gió Mặt Trời thổi ra khỏi hành tinh.
Giả thiết thứ ba thì cho rằng tinh vân Mặt Trời gây ra sự kéo các hạt vật chất đang bồi đắp cho Sao Thủy nghĩa là các hạt nhẹ hơn thay vì bồi đắp về hành tinh này thì chúng bị kéo đi ra xa.
Các giả thiết đều dự đoán thành phần cấu tạo bề mặt khác nhau, và hiện tại 2 tàu thăm dò không gian là MESSENGER và BepiColombo đã và sẽ kiểm tra những giả thiết này.
Theo đó, MESSENGER đã phát hiện hàm lượng lưu huỳnh và kali trên bề mặt của sao Thủy cao hơn dự đoán. Vì kali và lưu huỳnh sẽ bị biến mất cùng các vật chất khác ở nhiệt độ cực cao nên có thể giải thích rằng giả thiết vụ va chạm lớn và sự bay hơn của vỏ và manti đã không xảy ra. Những gì phát hiện được đang được nhận xét phù hợp với giả thiết thứ ba, tuy nhiên việc phân tích dữ liệu sâu hơn nữa là điều cần phải được tiến hành để kết luận được sự chính xác.
Địa hình bề mặt
Tương tự như Mặt Trăng, bề mặt Sao Thủy có rất nhiều hố to nhỏ và lởm chởm, bao gồm các đồng bằng và hố va chạm lớn. Điều này cho thấy nó đã trải qua hàng tỷ năm yên tĩnh địa chất. Dựa trên những quan sát bằng kính thiên văn từ mặt đất và chuyến bay thám hiểm của tàu Mariner năm 1975, các hiểu biết cơ bản về địa chất Sao Thủy dần hình thành tuy nhiên thời điểm đó các nhà khoa học có hiểu biết hạn chế về các hành tinh đất đá. Cho đến khi những dữ liệu gửi về từ tàu MESSENGER được phân tích thì hiểu biết về sao Thủy dần được tăng lên. Thí dụ như các hố va chạm bất thường với các rãnh tỏa tia đã được phát hiện và được gọi là “con nhện”.

Quan sát được từ kính thiên văn, những khu vực có độ phản xạ khác biệt đáng kể gọi là những địa hình phản chiếu. Hành tinh này sở hữu những địa hình giống như các dãy núi xếp nếp, những cao nguyên giống như Mặt Trăng, núi, đồng bằng, vách dốc đứng và thung lũng.
Dựa theo hiểu biết lớp manti của Sao Thủy không đồng nhất về mặt hóa học, các nhà khoa học cho rằng hành tinh này đã trải qua thời điểm đầu của phóng thích macma trong lịch sử của nó. Lớp vỏ phân ra nhiều lớp do sự kết tinh của các khoáng chất và sự đảo lộn đối lưu. Từ đó dẫn đến sự không đồng nhất với những biến đổi lớn về thành phần hóa học đã được quan sát trên bề mặt sao. Do trên hành tinh có các điều kiện hóa học ban đầu có tính khử mạnh hơn so với các hành tinh đất đá khác nên lớp vỏ của nó chứa lượng nhỏ sắt nhưng lại có nhiều lưu huỳnh. Bề mặt chủ yếu là enstatit và forsterit đại diện cho pyroxene và olivin nghèo sắt, cùng với khoáng vật plagioclase giàu natri và những khoáng chất hỗn hợp magiê, canxi và sắt sulphua. Những vùng ít phản xạ của lớp vỏ Thủy tinh lại có hàm lượng cacbon cao mà có thể ở dạng than.
Dựa theo nhiều nguồn tài liệu khác nhau mà tên của các dạng địa hình này trên Sao Thủy được đặt riêng. Những tên đặt theo tên người chỉ hạn chế cho những người đã qua đời. Những hố va chạm thì được đặt theo tên nghệ sĩ, họa sĩ, nhạc sĩ và những tác giả có đóng góp nổi bật trong lĩnh vực của họ. Những dãy núi đặt theo tên những nhà khoa học có đóng góp trong việc nghiên cứu hành tinh này. Các miền võng thì đặt theo tên các công trình kiến trúc. Những núi được đặt tên theo từ “hot” và đồng bằng mang tên thần “Mercury” trong nhiều ngôn ngữ khác nhau. Tên những con tàu của những đoàn thám hiểm khoa học được đặt cho vách dốc. Các thung lũng lại theo tên gọi của các đài quan sát kính thiên văn vô tuyến.
Cách đây 4,6 tỉ năm, sau khi được hình thành thì trong một khoảng thời gian ngắn, Sao Thủy đã bị bắn phá dữ dội bởi các sao chổi và thiên thạch. Điều này tiếp diễn trong một giai đoạn khác cách nay 3,8 tỉ năm trước. Ở giai đoạn bắn phá thứ hai, trên toàn bộ bề mặt của nó xuất hiện rất nhiều hố va chạm. Vì bầu khí quyển của hành tinh quá mỏng nên khó có thể làm giảm sự ảnh hưởng bắn phá do đó sự bắn phá càng thuận lợi dẫn đến sự xuất hiện của các hố càng nhiều. Cũng trong giai đoạn này, Sao Thủy có hoạt động núi lửa,những bồn trũng như bồn trũng Caloris bị macma lấp đầy, tạo thành những đồng bằng phẳng giống như các “biển” (Lunar mare) trên Mặt Trăng.
Vào tháng 10 năm 2008, tàu MESSENGER bay qua hành tinh này và thu thập dữ liệu mới đã giúp các nhà nghiên cứu đánh giá rõ hơn về mức độ xáo trộn tự nhiên trên bề mặt Sao Thủy. So với Sao Hỏa hay Mặt Trăng có địa hình trải dài đáng kể, giống biển và cao nguyên thì bề mặt của Sao Thủy là không đồng nhất như vậy.
Hố và bồn địa va chạm

Tên Sao Thủy, các hố va chạm có đường kính từ các hốc nhỏ cho đến các hố nhiều vành rộng hàng trăm kilômét. Tất cả hố đều ở trạng thái bị “phong hóa” dần, từ các hố tỏa tia tương đối mới cho đến hố tồn tại từ lâu chỉ còn lại dấu vết mờ. Từ hệ quả của trường hấp dẫn mạnh hơn, phạm vi vật liệu bị bắn ra nhỏ hơn sau những cú va chạm của thiên thạch nên các hố va chạm trên Sao Thủy khác rõ rệt so với Mặt Trăng. Theo quy ước của IAU, các hố va chạm mới phát hiện được đặt tên theo những họa sĩ nổi tiếng từ hơn 50 năm trước và đã qua đời hơn ba năm trước ngày đặt tên cho hố va chạm trên hành tinh này.

Bồn địa Caloris có đường kính bằng 1.550 km hiện là hố va chạm lớn nhất được biết đến.
Cú va chạm tạo ra lòng chảo Caloris rất mạnh làm dung nham phun ra và để lại một bờ vành đồng tâm cao hơn 2 km bao quanh hố va chạm. Một vùng diện tích lớn có địa hình đồi mà các nhà khoa học gọi là “Địa hình Kỳ lạ” (“Weird Terrain”) xuất hiện tại điểm đối cực của Bồn địa Caloris. Nguồn gốc hình thành vùng này được giả thuyết có thể là do sóng xung kích từ cú va chạm tạo ra Bồn địa Caloris lan truyền trên khắp hành tinh, hội tụ tại điểm đối cực của nó (ngược 180 độ). Kết quả của sự hội tụ nén sóng xung kích đã làm đứt gãy bề mặt hành tinh tại vùng này. Một giả thuyết khác thì lại cho rằng do sự hội tụ của vật liệu bắn ra từ cú va chạm mạnh này mà “Địa hình Kỳ lạ” hình thành.

Hiện tại các ảnh đã chụp được cho thấy có khoảng 46 lòng chảo va chạm trên toàn bề mặt Sao Thủy. Lòng chảo Tolstoj có đường kính 400 km, nhiều bờ vành với đặc trưng nổi bật là vật liệu bắn ra từ lòng chảo này kéo dài tới 500 km từ bờ vành và phần trong lòng chảo đã bị các vật liệu lấp đầy thành địa hình bằng phẳng. Có phạm vi vật liệu bắn ra tương tự, bồn địa Beethoven có đường kính bờ vành 625 km. Tương tự như Mặt Trăng, bề mặt Sao Thủy chịu tác động của quá trình phong hóa không gian, bao gồm gió Mặt Trời và tác động của những thiên thạch nhỏ.
Đồng bằng
Trên Sao Thủy có hai vùng đồng bằng khác nhau về mặt địa chất trên Sao Thủy. Trước khi bề mặt hành tinh bị bắn phá bởi các thiên thạch, các đồng bằng liên miệng núi lửa / hố va chạm là những đặc điểm cổ nhất trên bề mặt. Các đồng bằng liên miệng núi lửa dường như bị làm mờ đi bởi những hố va chạm sớm hơn trước đó và thường chỉ có những hố với đường kính dưới 30 km. Các nghiên cứu hiện tại vẫn không biết rõ chúng có nguồn gốc từ những hố va chạm hay là miệng núi lửa.
Các vùng rộng lớn có cao độ thấp và hình dáng giống “biển” trên Mặt Trăng là vùng đồng bằng trơn phẳng. Điển hình là, chúng chiếm đầy một vành rộng quanh Bồn địa Caloris. Không tương tự biển trên Mặt Trăng, các đồng bằng trơn phẳng trên Sao Thủy có suất phản chiếu ánh sáng như của các đồng bằng liên miệng núi lửa cổ. Mặc dù thiếu đi các đặc điểm của sự hoạt động núi lửa, địa mạo giống thùy cục bộ đã góp phần khẳng định giả thuyết cho rằng chúng có nguồn gốc núi lửa. Tất cả đồng bằng trơn phẳng đều hình thành sau Bồn địa Caloris bởi chúng có khá nhiều hố va chạm nhỏ so với vùng có vật liệu bắn ra từ Bồn địa. Phần nền của Bồn địa Caloris chứa nhiều địa hình phẳng phân biệt về mặt địa chất, ngăn cách bởi các dãy đất cao và các khe nứt gãy xếp thành hình đa giác. Người ta vẫn chưa xác định được rõ ràng là địa hình này do do vật liệu nóng chảy xuất hiện từ các vụ thiên thạch rơi xuống hay dung nham núi lửa lấp đầy.
Trên bề mặt hành tinh này còn một điểm khác thường là sự xuất hiện của nhiều vách núi cắt qua các đồng bằng. Khi lõi Sao Thủy lạnh đi, lớp vỏ của nó co lại và dẫn đến địa hình bề mặt bị biến dạng, sụt xuống tạo ra các vách đá này. Các nếp gấp này còn xuất hiện bên trên những hố va chạm hay ở đồng bằng trơn phẳng và có thể các nếp gấp / vách đá này mới được hình thành gần đây. Do chịu sức hút của lục thủy triều từ Mặt Trời nên bề mặt Sao Thủy như được dâng lên giống như thủy triều lên xuống. Người ta so sánh lực thủy triều của Mặt Trời tác động lên Sao Thủy lớn gấp 17 lần lực thủy triều của Mặt Trăng lên Trái Đất.
Núi lửa
Trên sao Thủy, người ta tìm ra các bằng chứng có những luồng mạt vụn núi lửa từ các vùng núi lửa thấp, nằm nghiêng trên Sao Thủy. Từ các tàu nghiên cứu, hiện có 51 mỏ vụn núi lửa đã được chụp ảnh trong đó 90% được tìm thấy nằm trong các hố va chạm. Có nghiên cứu về trạng thái suy thoái của những hố va chạm có chứa nhiều khoáng chất mảnh vụn núi lửa đã cho thấy rằng trong một thời gian dài, hoạt động mạt vụn núi lửa đã xảy ra trên Sao Thủy.
Bên trong bờ tây nam của lòng chảo Caloris có một “vùng trũng không vành” gồm ít nhất 9 hố va chạm xếp chồng lên nhau, mỗi hố va chạm riêng biệt có đường kính và có thể lên đến 8 km. Cho nên, nó là một hệ thống “núi lửa kép”. Các đáy của miệng phun nằm thấp hơn bờ miệng hố một ít khoảng là 1 km và gần giống với hố va chạm được chạm trổ bởi các vụ phun trào hoặc biến đổi do bị suy sụp tạo thành các khoảng trống, hình thành bởi sự rút đi lượng nham thạch trở theo một đường dẫn. Mặc dù không thể ước tính tuổi của hệ thống núi lửa kép nhưng các nhà khoa học cho rằng có thể nó tới một tỷ năm tuổi.
Môi trường bề mặt và khí quyển
Từ ảnh radar chụp cực bắc Sao Thủy, NASA xác định có tại một lượng lớn băng nước vĩnh cửu tồn tại trong các hố va chạm tối tăm ở đây. Do sự thiếu vắng bầu khí quyển (khí quyển cực kỳ mỏng) và gradient nhiệt độ biến đổi mạnh giữa xích đạo và các cực, tại vĩ độ 0° kinh bắc và 0° kinh tây, nhiệt độ bề mặt của Sao Thủy dao động từ 100 K (-173 °C) đến 700 K (427 °C). Tại điểm cận nhật, vùng được Mặt Trời chiếu sáng có nhiệt độ gần 700 K sau đó ở điểm viễn nhật thì giảm xuống 550 K. Nhiệt độ trung bình mặt tối của Sao Thủy là 110 K. Cường độ bức xạ Mặt Trời trên bề mặt Sao Thủy được ước tính nằm trong khoảng 4,59 đến 10,61 lần hằng số Mặt Trời (1.370 W•m−2).

Nhìn chung, tuy rằng nhiệt độ ban ngày trên bề mặt Sao Thủy cực kỳ cao nhưng thông qua những quan sát được thì các nhà khoa học cho rằng băng (nước) có tồn tại trên hành tinh này. Đáy của các hố va chạm sâu ở các cực chưa bao giờ tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng Mặt Trời và nhiệt độ ở đây duy trì dưới 102 K; rất thấp so với nhiệt độ trung bình của Sao Thủy. Băng nước phản xạ rất mạnh sóng radar cộng với những quan sát từ kính thiên văn Goldstone đường kính 70 m và VLA trong đầu thập niên 1990 đã chỉ ra rằng có các “miền” phản xạ rất mạnh sóng ra đa ở gần các cực. Mặc dù băng không phải là nguyên nhân duy nhất gây ra sự phản xạ mạnh ở những vùng này, các nhà thiên văn học vẫn tin rằng điều này có khả năng xảy ra rất cao.
Những vùng đóng băng ước lượng chứa khoảng 1014–1015 kg băng và có thể bị phủ bởi một lớp regolith ức chế sự thăng hoa của chúng. Đem so với những hành tinh khác ví dụ như các lớp băng ở Nam Cực trên Trái Đất có khối lượng khoảng 4×1018 kg và chỏm băng ở cực nam của Sao Hỏa chứa khoảng 1016 kg nước. Nguồn gốc băng trên Sao Thủy vẫn chưa được biết rõ nhưng hai nguồn có thể xảy ra là từ sự thoát hơi nước trong lòng của nó hoặc đến từ những sao chổi rơi xuống hành tinh.

Vì khối lượng nhỏ, Sao Thủy không đủ sức bảo tồn bầu khí quyển của nó.Vì sức hút của trọng lực quá yếu dẫn đến các nguyên tử trong bầu khí quyển liên tục bị mất vào trong không gian. Sao có một “tầng khí quyển ngoài” rất mỏng chứa hiđrô, heli, oxy, natri, canxi, kali và những nguyên tố khác. Vùng ngoại quyển này không ổn định, các nguyên tử liên tục bị mất và bổ sung từ nhiều nguồn khác nhau. Có thể gió Mặt Trời mang các nguyên tử hiđrô và heli đến, khuếch tán vào từ quyển của Sao Thủy trước khi thoát trở lại vào không gian.
Một nguồn khác cung cấp lượng heli, cũng như natri và kali đến từ hân rã phóng xạ của các nguyên tố trong lớp vỏ của hành tinh này. Tàu MESSENGER đã phát hiện một tỉ lệ lớn các nguyên tố canxi, heli, hydroxide, magiê, oxy, kali, silic và natri. Nó cũng phát hiện ra hơi nước và điều này được lý giải có thể là hơi nước được giải phóng từ nhiều quá trình kết hợp như: sao chổi va quẹt vào bề mặt, hình thành từ sự kết hợp của hiđrô từ gió Mặt Trời và oxy từ trong đá hay thăng hoa từ các bể băng bị chôn vùi vĩnh cửu trong các hố va chạm tại hai cực tối. Sự kiện phát hiện ra một lượng lớn nước liên quan đến các ion như O+, OH-, và H3O+ (hydroni) là một điều khiến các nhà khoa học ngạc nhiên. Bởi vì số lượng các ion này xuất hiện trong môi trường không gian bao quanh Thủy Tinh nên các nhà khoa học đoán rằng những phân tử này có thể là được gió Mặt Trời thổi đi từ bề mặt hoặc ngoại quyển.
Vào thập niên 1980-1990, trong bầu khí quyển của sao Thủy, các nhà khoa học cũng phát hiện sự tồn tại của natri, kali và canxi. Họ cho rằng những nguyên tố này là kết quả của sự bốc hơi các đá trên bề mặt khi các tiểu thiên thạch va chạm vào Sao Thủy. Đến năm 2008, thiết bị trên tàu MESSENGER đã phát hiện ra nguyên tố magiê. Thông qua các nghiên cứu chỉ ra rằng, sự phát thải natri xuất hiện ở một số khu vực tương ứng với các cực từ của Sao Thủy. Điều này được phỏng đoán có thể là kết quả của sự tương tác giữa từ quyển và bề mặt của hành tinh.
Ngày 29 tháng 11 năm 2012, NASA công bố xác nhận rằng từ các hình ảnh chụp từ không gian của tàu MESSENGER đã phát hiện các hố va chạm ở cực bắc có chứa băng nước. Chia sẻ với tờ The New York Times, Sean C. Solomon nói rằng lượng băng trên Sao Thủy “đủ để bao phủ Washington, D.C., trong một lớp băng dày hai dặm rưỡi.”
Từ trường và từ quyển
Tuy rằng Sao Thủy có kích thước nhỏ và vận tốc quay quanh trục chậm nhưng nó có một từ trường đáng chú ý và có vẻ như là phân bố trên toàn bộ hành tinh này. Theo kết quả dữ liệu đo lường từ tàu Mariner 10, so với từ trường Trái Đất, từ trường của hành tinh này mạnh hơn khoảng 1,1%. Tại xích đạo Sao Thủy, độ mạnh của từ trường vào khoảng 300 nT. Tương tự như Trái Đất, từ trường Sao Thủy có hai cực chỉ khác là các cực từ nằm gần như thẳng hàng với trục quay của nó. Những đo đạc từ Mariner 10 và MESSENGER đã cho thấy rằng độ mạnh và hình dạng từ trường là ổn định.

Người ta phỏng đoán có thể từ trường này được tạo ra theo một phương thức của hiệu ứng dyamo, theo cách giống như từ trường của Trái Đất. Hiệu ứng dynamo có thể là kết quả từ sự tuần hoàn của phần lõi lỏng giàu sắt của hành tinh này. Bên cạnh đó, những hiệu ứng thủy triều mạnh gây ra bởi quỹ đạo lệch tâm lớn của Sao Thủy đã góp phần giữ cho lõi ở trạng thái lỏng để duy trì hiệu ứng dyamo.
Các nhà khoa học nhận định, từ trường của Sao Thủy đủ mạnh để làm chệch hướng gió mặt trời xung quanh hành tinh để tạo ra từ quyển. Từ quyển của Thủy Tinh tuy rằng đủ nhỏ để nằm gọn bên trong Trái Đất nhưng cũng đủ mạnh để giữ plasma gió mặt trời. Chính vì điều đó đã góp phần vào quá trình phong hóa không gian của bề mặt hành tinh này. Những quan sát do tàu Mariner 10 báo về đã phát hiện những dòng plasma năng lượng thấp trong từ quyển phía mặt tối của sao Thủy. Những tiếng nổ của các hạt mang năng lượng đã được tìm thấy trong đuôi từ của hành tinh ám chỉ rằng từ quyển có tính động lực của Sao Thủy.
MESSENGER phát hiện ra từ trường của Sao Thủy có thể “rò rỉ” trong thời gian bay qua hành tinh này lần thứ hai vào ngày 6/10/2008. Tàu vũ trụ đã gặp phải những cơn “xoáy từ” (hiện tượng những bó xoắn từ trường kết hợp từ trường hành tinh với không gian liên hành tinh) với bề rộng lên đến 800 km, tương đương 1/3 lần bán kính của sao Thủy. Các ‘xoáy’ này được hình thành khi các trường từ mang theo bởi gió Mặt Trời gắn kết với từ trường của hành tinh này. Khi gió Mặt Trời thổi qua từ trường Sao Thủy, các trường từ gắn kết này được mang đi cùng với nó và xoắn lại thành các cấu trúc giống như xoáy. Các ống thông lượng từ xoắn này, về mặt kỹ thuật người ta gọi là sự kiện truyền thông lượng, tạo nên các cửa sổ mở trong tấm chắn từ của sao Thủy mà qua đó gió Mặt Trời có thể xâm nhập vào và ảnh hưởng trực tiếp đến bề mặt hành tinh này.
Tái liên kết từ (magnetic reconnection) là tên gọi quá trình liên kết các từ trường của hành tinh và từ trường liên hành tinh. Đây là một hiện tượng phổ biến trong khắp vũ trụ. Hiện tượng này cũng xuất hiện trong từ trường Trái Đất mà ở đây nó tạo ra các xoắn từ như thế. Theo các quan sát của tàu MESSENGER còn cho thấy, so với Trái Đất, tốc độ tái kết nối này trên Sao Thủy lớn hơn gấp 10 lần. Theo quan sát của MESSENGER, mức độ gần Mặt Trời của Sao Thủy chỉ đóng góp khoảng 1/3 vào tốc độ kết nối này mà thôi.
Quỹ đạo và sự quay quanh trục
Sao Thủy có quỹ đạo là một hình elip rất hẹp với độ dài của bán trục chính là 70 triệu km còn bán trục nhỏ chỉ có 46 triệu km. Vì ảnh hưởng trọng lực của Mặt Trời, vận tốc quỹ đạo của hành tinh này cũng rất cao. Sao Thủy quay một vòng quanh Mặt Trời khoảng 88 ngày (con số chính xác là 87,969 ngày) được gọi là một năm Sao Thủy và con số này dài bằng 88 ngày của Trái Đất. Biểu đồ bên dưới minh họa ảnh hưởng của độ lệch tâm và so sánh giữa quỹ đạo elip của Sao Thủy với quỹ đạo tròn có cùng giá trị bán trục lớn. Hành tinh càng gần điểm cận nhật thì có vận tốc càng lớn như trên hình thể hiện vị trí Sao Thủy theo khoảng thời gian 5 ngày. Hình vẽ cũng thể hiện kích cỡ của các hình cầu tỷ lệ với độ lớn của lực hấp dẫn từ Mặt Trời, lực này tỉ lệ nghịch với khoảng cách đến tâm Mặt Trời. Sự biến đổi trong khoảng cách, kết hợp với cộng hưởng tự quay-quỹ đạo 3:2 của vận tốc quay quanh trục hành tinh, tạo nên sự biến đổi phức tạp của nhiệt độ bề mặt Sao Thủy. Sự cộng hưởng trên khiến 1 “ngày” trên Sao Thủy bằng chính xác hai “năm” của Sao Thủy, hay 176 ngày Trái Đất.

So với mặt phẳng quỹ đạo của Trái Đất (mặt phẳng hoàng đạo), mặt phẳng quỹ đạo của Sao Thủy nghiêng 7 độ. Đây cũng là độ nghiêng lớn nhất trong số 8 hành tinh được biết đến trong Hệ Mặt Trời như được chỉ ra hình bên (hai đoạn quỹ đạo màu vàng và nâu thể hiện quỹ đạo Sao Thủy cắt qua mặt phẳng hoàng đạo). Vì thế hiện tượng đi qua của Sao Thủy trên đĩa Mặt Trời chỉ xuất hiện khi hành tinh này nằm gần giao điểm của mặt phẳng quỹ đạo Sao Thủy với mặt phẳng quỹ đạo Trái Đất và ở giữa đường nối Trái Đất và Mặt Trời. Hiện tượng này được ước tính xảy ra trung bình sau khoảng 7 năm Trái Đất.
Độ nghiêng trục quay của Sao Thủy gần như bằng 0 với giá trị tốt nhất đã được đo mới nhất là bằng 0,027 độ. Giá trị này nhỏ hơn hẳn so với của Sao Mộc – hành tinh có độ nghiêng trục quay nhỏ thứ hai với giá trị 3,1 độ. Điều đó có nghĩa là nếu một người đứng trên một cực của Sao Thủy, tâm của Mặt Trời không bao giờ mọc cao hơn 2,1 phút cung bên trên đường chân trời.
Trên bề mặt hành tinh này, ở một số điểm cụ thể người ta cũng có có thể nhìn thấy Mặt Trời mọc một nửa đường sau đó nó quay ngược lại rồi lại mọc trở lại mà tất cả trong cùng một ngày Sao Thủy. Xảy ra hiện tượng này là do trước thời gian xấp xỉ bằng 4 ngày Trái Đất khi hành tinh chuẩn bị đến điểm cận nhật, vận tốc quỹ đạo góc của hành tinh này bằng vận tốc tự quay quanh trục của nó do vậy chuyển động biểu kiến của Mặt Trời mất đi. Nếu càng gần điểm cận nhật hơn, vận tốc quỹ đạo góc của Sao Thủy vượt vận tốc góc tự quay. Từ đó, nếu một người đứng trên Sao Thủy sẽ thấy Mặt Trời hiện lên như là chuyển động theo hướng ngược lại. Sau khi hành tinh đi qua điểm cận nhật 4 ngày thì chuyển động biểu kiến của Mặt Trời trở lại bình thường.

Sao Thủy duy trì thời điểm giao hội trong (tiếp cận gần với Trái Đất) trung bình với khoảng thời gian 116 ngày Trái Đất hoặc do quỹ đạo elip lệch tâm của nó thì khoảng thời gian có thể thay đổi từ 105 ngày đến 129 ngày. Sao Thủy có thể cách Trái Đất một khoảng chừng 77,3 triệu km nhưng cho đến năm 28.622 sau Công nguyên nó sẽ không gần hơn Trái Đất một khoảng 80 triệu km. Vào năm 2670 thì lần tiếp cận gần hơn sẽ tới với khoảng cách 82,1 triệu km và dự kiến năm 4487 thì khoảng cách sẽ gần 82 triệu km. Chu kỳ hành tinh chuyển động nghịch hành biểu kiến khi nhìn từ Trái Đất có thể thay đổi từ 8 đến 15 ngày trong khoảng thời gian mỗi lần giao hội trong. Lý do khoảng thời gian biến đổi lớn như vậy được giải thích là do độ lệch tâm quỹ đạo của Sao Thủy. Về cơ bản, hành tinh này nằm gần Mặt Trời nhất cho nên khi lấy mốc thời gian trung bình Sao Thủy là hành tinh gần Trái Đất nhất, và theo đó Sao Thủy là hành tinh nằm gần nhất so với bảy hành tinh khác trong Hệ Mặt Trời.
Qũy đạo quay khác biệt và hệ quả
Khi lấy các ngôi sao cố định làm hệ quy chiếu, Sao Thủy quay quanh trục của nó được ba vòng trong hai chu kỳ quỹ đạo quanh Mặt Trời. Nếu nhìn từ Mặt Trời, trong hệ quy chiếu quay theo quỹ đạo chuyển động, trong hai chu kỳ quỹ đạo của nó, Sao Thủy chỉ quay được 1 vòng. Tỉ số chính xác này là do ảnh hưởng của hiện tượng khóa thủy triều. Còn nếu một người đứng trên Sao Thủy thì sẽ chỉ thấy Mặt Trời di chuyển 1 lần trên nền trời tức là chỉ có 1 “ngày” trong 2 “năm” Sao Thủy.

Theo một “năm” trôi qua mỗi “đêm” của Sao Thủy, trong khi Mặt Trời ở bên dưới chân trời, do đó nhiệt độ bề mặt xuống rất thấp. Bên cạnh đó thì trong thời gian một năm của ban “ngày”, hành tinh đã hoàn thành một vòng quỹ đạo quanh Mặt Trời, đi qua cả điểm cận nhật và điểm viễn nhật thì Mặt Trời di chuyển rất chậm trên bầu trời từ chân trời phía đông sang chân trời phía tây. Vì thế khi sao Thủy đang ở điểm cận nhật thì có những điểm trên bề mặt bị Mặt Trời chiếu sáng liên tục trong cả “ngày”. Do đó những nơi này trở nên rất nóng. Trong thời gian hành tinh ở điểm viễn nhật, những nơi mà Mặt Trời ở trên cao bầu trời có nhiệt độ thấp hơn so với lúc cận nhật.
Vì sự chênh lệch nhiệt độ lúc cận nhật và viễn nhật dẫn đến tăng theo sự biến đổi của tốc độ chuyển động biểu kiến Mặt Trời trên bầu trời của Thủy Tinh. Càng gần điểm cận nhật, nó có vận tốc quỹ đạo cao hơn khi tiến đến điểm viễn nhật. Gần điểm cận nhật, vận tốc góc quỹ đạo hành tinh này tăng đáng kể gần bằng vận tốc góc tự quay quanh trục, tính theo những ngôi sao cố định ở xa. Trong thời điểm này, nếu nhìn từ Mặt Trời, chúng ta sẽ chỉ thấy được một mặt bán cầu Sao Thủy luôn hướng về phía Mặt Trời tương tự như một bán cầu Mặt Trăng luôn hướng về Trái Đất vậy. Quá trình một bán cầu hướng về phía Mặt Trời trong thời gian dài làm tăng cường bức xạ Mặt Trời chiếu lên phần bán cầu này trong thời điểm hành tinh ở gần điểm cận nhật. Khi ở gần điểm viễn nhật quá trình đã xảy ra ngược lại, khi Mặt Trời dường như di chuyển nhanh hơn trên nền trời Sao Thủy.
Ở một nơi bất kỳ trên bề mặt Sao Thủy, có một chu kỳ biến đổi nhiệt độ lặp lại hàng “ngày”. Sự biến đổi của góc cao độ và tốc độ biểu kiến của Mặt Trời trên bầu trời ảnh hưởng đến cường độ chiếu sáng tại khu vực đó. Khi khoảng cách từ Sao Thủy đến Mặt Trời thay đổi, những nơi khác nhau theo vĩ độ và kinh độ trên bề mặt trải qua sự biến đổi nhiệt độ khác nhau trong một “ngày” Sao Thủy.
Cộng hưởng Tự quay-quỹ đạo
Bởi vì cứ một vòng quỹ đạo thì Sao Thủy quay quanh trục được 1,5 vòng cho nên sau hai vòng quỹ đạo cùng một bán cầu nhận ánh sáng Mặt Trời trở lại.
Thời gian trước, các nhà thiên văn học cho rằng Sao Thủy bị khóa đồng bộ với Mặt Trời. Có nghĩa là nó tự quay được một vòng trong mỗi chu kỳ quỹ đạo và luôn luôn hướng một bán cầu về phía Mặt Trời tương tự như một bán cầu của Mặt Trăng luôn hướng về phía Trái Đất. Cho đến năm 1965, quan trắc bằng radar đã chứng minh rằng hành tinh này có cộng hưởng Tự quay-quỹ đạo 3:2. Cụ thể, bản thân sao Thủy quay quanh trục được 3 vòng trong 2 chu kỳ quay quanh Mặt Trời. Quỹ đạo lệch tâm lớn của Sao Thủy giúp cho quá trình cộng hưởng này được ổn định từ đó ở điểm cận nhật, khi lực thủy triều của Mặt Trời là mạnh nhất thì Mặt Trời gần như đứng yên trên nền trời của hành tinh này.
Lý do trước hết mà các nhà thiên văn cho rằng Sao Thủy bị khóa đồng bộ với Mặt Trời bởi vì bất cứ khi nào Sao Thủy ở vị trí tốt nhất cho quan sát từ mặt đất, hành tinh này luôn ở cùng một điểm trong cộng hưởng 3:2 do đó luôn xuất hiện với cùng một bán cầu. Sau này, hiện tượng này được giải thích do sự trùng hợp, chu kỳ tự quay của Sao Thủy gần như bằng chính xác một nửa chu kỳ giao hội khi quan sát từ Trái Đất. Bởi vì cộng hưởng tự quay – quỹ đạo 3:2, ngày Mặt Trời (thời gian giữa hai lần Mặt Trời ở điểm cao nhất trên bầu trời) của sao Thủy dài bằng 176 ngày Trái Đất. Ngày theo sao (sidereal day, khoảng thời gian để một ngôi sao ở xa xuất hiện lại tại cùng vị trí trên bầu trời hay chu kỳ tự quay) bằng 58,7 ngày Trái Đất.
Từ những mô phỏng trên máy tính cho thấy rằng độ lệch tâm quỹ đạo của Thủy Tinh biến đổi hỗn loạn từ giá trị gần 0 (tròn) đến giá trị hơn 0,45 trong hàng triệu năm bởi vì ảnh hưởng nhiễu loạn từ các hành tinh khác. Người ta cho rằng, độ lệch tâm quỹ đạo lớn có thể là nguyên nhân giải thích cộng hưởng tự quay – quỹ đạo 3:2 (so với hiện tượng khóa thủy triều 1:1). Bởi vì trạng thái cộng hưởng thường xuất hiện ở những vật thể có độ lệch tâm quỹ đạo lớn. Mô phỏng cũng đem lại kết quả rằng, do ảnh hưởng hấp dẫn của sao Mộc thì trong tương lai sẽ làm tăng độ dài khoảng cách của điểm cận nhật trên quỹ đạo Sao Thủy và có 1% khả năng trong khoảng 5 tỷ năm nữa, hành tinh này sẽ va chạm với Sao Kim.
Sự tiến động của điểm cận nhật
Vào năm 1859, Urbain Le Verrier (nhà toán học và thiên văn học người Pháp) thông báo phát hiện ra sự tiến động rất chậm của điểm cận nhật quỹ đạo Sao Thủy xung quanh Mặt Trời. Điều này không thể giải thích đầy đủ bằng định luật vạn vật hấp dẫn của Newton hay bởi lý thuyết nhiễu loạn do ảnh hưởng của các hành tinh khác. Ông đã nêu ra một số cách giải thích bao gồm tồn tại một hành tinh chưa được phát hiện (hoặc có lẽ một vành đai các vật thể nhỏ) tồn tại bên trong quỹ đạo giữa Mặt Trời và Sao Thủy để tính đến nhiễu loạn do “hành tinh bí ẩn” gây ra. Có nhà khoa học thì đề xuất hiện tượng tiến động điểm cận nhật là do Mặt Trời không phải là hình cầu lý tưởng mà nó hơi phình ra tại xích đạo. Phải đợi đến phát hiện thành công Sao Hải Vương và dựa trên những tính toán nhiễu loạn quỹ đạo của Sao Thiên Vương đã khiến nhiều nhà thiên văn học tin rằng có một hành tinh chưa khám phá ở gần Mặt Trời mà họ đặt tên là “Vulcan”. Nhưng họ không bao giờ tìm thấy hành tinh đó.
Sự tiến động của điểm cận nhật của quỹ đạo Sao Thủy = 5600 giây cung (1,5556°) trên một thế kỷ. Giá trị này của Trái Đất bằng 574,10±0,65 giây cung trên một thế kỷ so với hệ quy chiếu thiên cầu chuẩn (ICFR). Cơ học Newton, tính đến ảnh hưởng của mọi hành tinh khác trong Hệ Mặt Trời, tính ra giá trị tiến động bằng 5557 giây cung (1,5436°) (lệch 43″) trên một thế kỷ. Phải đến năm 1915, lý thuyết tương đối tổng quát của Albert Einstein đã thành công khi giải thích hiện tượng này. Lực hấp dẫn là hệ quả của sự uốn cong không thời gian và ông tính ra sự tiến động của điểm cận nhật Sao Thủy do ảnh hưởng của độ cong không thời gian bằng 42,98″ trên một thế kỷ. Kết quả này mang lại niềm tin tưởng sâu sắc của Einstein rằng ông đã tìm ra dạng đúng của phương trình trường của thuyết tương đối rộng. Tiên đoán của thuyết tương đối rộng về sự tiến động của điểm cận nhật cũng đúng cho các hành tinh khác: 8,62″ trên một thế kỷ đối với Sao Kim, 3,84″ cho Trái Đất, 1,35″ cho Sao Hỏa, và 10,05″ cho tiểu hành tinh 1566 Icarus.
Quan sát
Cấp sao biểu kiến của Thủy Tinh biến đổi từ −2,6[9] (sáng hơn ngôi sao sáng nhất trên bầu trời là Sirius) cho đến +5,7 (xấp xỉ giới hạn lý thuyết cho khả năng nhìn được bằng mắt thường). Sao Thủy trở nên sáng nhất khi nó đến gần Mặt Trời. Bởi vì hành tinh này gần Mặt Trời và thường bị lu mờ đi bởi ánh sáng của Mặt Trời nên rất khó quan sát rõ. Sao Thủy thường có thể quan sát bằng ống nhòm hoặc đôi khi bằng mắt thường và chỉ xuất hiện trong thời điểm ngắn trong lúc chạng vạng.

Thực tế, trong những lần nhật thực toàn phần chúng ta có thể nhìn thấy Sao Thủy cùng một vài hành tinh và những ngôi sao sáng nhất khác.
Tương tự như Mặt Trăng và Sao Kim, Sao Thủy cũng trải qua các pha khi nhìn từ Trái Đất. So với Trái Đất, tại vị trí giao hội gần, nó ở pha “mới” và tại vị trí giao hội xa thì ở pha “tròn”. Nhưng ở cả hai vị trí này nó đều bị lu mờ dưới ánh sáng Mặt Trời nên hành tinh này gần như không thể quan sát được.
Về mặt kỹ thuật, Sao Thủy sáng nhất khi nó ở pha tròn. Tuy rằng khi nhìn từ Trái Đất lúc nó ở pha tròn thì khoảng cách giữa hành tinh và Trái Đất lại xa nhất trên quỹ đạo nhưng bù lại gần như cả bán cầu Sao Thủy được Mặt Trời chiếu sáng do hiệu ứng xung đối / giao hội. Điều ngược lại đúng cho Sao Kim, hành tinh này sáng nhất khi nó ở pha lưỡi liềm, bởi vì khoảng cách Sao Kim đến Trái Đất lúc này trở nên gần hơn khi hành tinh ở pha trương huyền.
Trên thực tế, thời điểm Sao Thủy sáng nhất (pha tròn), do nó ở rất gần Mặt Trời trên bầu trời nên giới thiên văn nghiệp dư lại không thể quan sát được. Thời điểm quan sát hành tinh này tốt nhất khi nó ở pha lưỡi liềm hoặc trương huyền mặc dù thời điểm này nó mờ hơn và cần kính thiên văn hoặc ống nhòm mới có thể thấy được hình ảnh của pha Sao Thủy. Pha lưỡi liềm đầu tiên và trương huyền cuối cùng của Thủy Tinh xuất hiện khi nó có góc ly giác lớn nhất tương ứng ở phía đông và phía tây. Ở cả hai vị trí, khoảng cách góc từ Sao Thủy đến Mặt Trời thay đổi từ 17,9° ở điểm cận nhật đến 27,8° ở điểm viễn nhật. Sao Thủy mọc sớm nhất hơn Mặt Trời tại thời điểm có góc ly giác cực đại ở phía tây. Đồng thời nó lặn muộn nhất sau Mặt Trời tại góc ly giác cực đại ở hướng đông.
Đứng trên mặt đất,so với khi đứng tại những vùng có vĩ độ cao hơn, chúng ta có thể quan sát Sao Thủy dễ hơn tại những vĩ độ nhiệt đới và cận nhiệt đới. Điều này là do ảnh hưởng của hai hiệu ứng:
(i) Mặt Trời di chuyển lên cao trên chân trời theo góc dốc đứng hơn lúc Mặt Trời mọc và lặn xuống cũng theo phương nghiêng hơn vì thế khoảng thời gian lúc chạng vạng ngắn hơn
(ii) Ở những thời điểm thích hợp trong năm, mặt phẳng hoàng đạo cắt chân trời ở góc dốc đứng lớn. Điều đó có nghĩa là khi bầu trời hoàn toàn tối, Sao Thủy ở góc cao độ tương đối lớn (lên tới 28°).
Những điều kiện này có thể tồn tại: sau khi Mặt Trời lặn lúc Trái Đất gần Xuân phân, trong tháng 3 hay 4 ở khu vực bắc xích đạo hay trong tháng 9/10 ở khu vực nam xích đạo. Ngược lại, quan sát trước khi Mặt Trời mọc thuận tiện nhất lúc Thu phân.
Chúng ta cũng có thể quan sát Sao Thủy dễ hơn khi đứng ở Nam bán cầu Trái Đất so với ở Bắc bán cầu, ở vĩ độ ở vùng ôn đới. Điều này là do góc ly giác cực đại ở phía tây Mặt Trời xuất hiện khi quan sát hành tinh này vào thời điểm đầu mùa thu ở bán cầu nam trong khi đó góc ly giác cực đại ở phía đông xuất hiện vào cuối mùa đông cũng ở bán cầu nam. Trong cả hai trường hợp, góc quan sát Sao Thủy hợp với mặt phẳng hoàng đạo là lớn nhất, cho phép hành tinh mọc vài giờ trước Mặt Trời mọc và lặn vài giờ sau khi Mặt Trời lặn trong mỗi trường hợp tương ứng, tại vĩ độ ôn đới ở nam bán cầu, như ở Argentina, Chile và Nam Phi. Theo chiều ngược lại, tại những vùng vĩ độ ôn đối bắc bán cầu, Thủy Tinh luôn chỉ lên cao vài độ so với chân trời cho nên chỉ có thể quan sát được trong thời gian ngắn. Khi quan sát Sao Thủy cần phải có kính lọc để giảm ảnh hưởng của ánh sáng Mặt Trời.
Chúng ta chỉ quan sát được Sao Thủy ở phần bán cầu sáng nếu quan sát qua các kính thiên văn mặt đất và chỉ thu được chi tiết bề mặt giới hạn.
Tàu không gian đầu tiên Mariner 10 thăm dò sao Thủy đã gửi về hình ảnh của 45% diện tích bề mặt hành tinh trong hai năm 1974 và 1975. Trong các năm 2008 tới 2009, tàu thứ hai MESSENGER, sau ba lần bay qua Sao Thủy thì vào ngày 17 tháng 3 năm 2011, nó đã đi vào quỹ đạo cực quay quanh Sao Thủy và gửi về dữ liệu gần như toàn bộ bề mặt hành tinh và những dữ liệu cần thiết khác. Tính đến năm 2013, đây là hai tàu thăm dò sao Thủy được phóng lên.
Do những thủ tục cần thiết để bảo vệ thiết bị camera khi hướng trực tiếp về phía gần Mặt Trời mà Kính viễn vọng không gian Hubble không phải lúc nào cũng quan sát được Sao Thủy.
Lịch sử quan sát
Thời cổ đại

Dựa theo tìm kiếm cho tới hiện tại, chứng tích sớm nhất ghi lại những quan sát Sao Thủy là từ bảng MUL.APIN của người Babylon thu thập. Người ta xác định rằng, ở thế kỷ XIV TCN các nhà thiên văn cổ đại Assyria đã bắt đầu quan sát. Ký hiệu hình cái nêm trên bảng Mul.Apin của Sao Thủy được chuyển tự thành Udu.Idim.Gu\u4.Ud (“hành tinh nhảy múa”). Từ thế kỷ I TCN, các ghi chép của người Babylon về Sao Thủy đã xuất hiện. Người Babylon gọi tên hành tinh này là “Nabu” theo tên của vị thần thông điệp trong thần thoại của họ.
Thời đại Hēsíodos của Hy Lạp cổ đại gọi Sao Thủy là Στίλβων (Stilbon), có nghĩa “sự lấp lánh”, và Ἑρμάων (Hermaon). Sau đó người Hy Lạp thì gọi tên hành tinh này là Apollo khi quan sát thấy nó xuất hiện vào sáng sớm và Hermes khi nó xuất hiện vào buổi tối. Cho đến khoảng thế kỷ IV TCN, các nhà thiên văn Hy Lạp đã nhận ra hai thiên thể này là cùng một hành tinh và trong tiếng Hy Lạp hiện đại họ đặt tên sao Thủy là Hermes (Ερμής: Ermis). Trong văn minh La Mã, sao này lại được gọi là Mercury (Latin Mercurius) – tên vị thần tương đương với thần Hermes của người Hy Lạp bởi vì họ thấy hành tinh này di chuyển nhanh hơn tất cả các hành tinh khác được biết tới trong thế giới cổ đại. Ký hiệu thiên văn của Sao Thủy là phiên bản cách điệu hóa “thương trượng” của thần Hermes.

Trong tác phẩm Giả thuyết hành tinh, nhà thiên văn Ai Cập – La Mã Claudius Ptolemaeus từng viết về khả năng hành tinh đi qua đĩa Mặt Trời. Ông nêu ra không thể quan sát thấy hành tinh này đi qua Mặt Trời bởi vì nó quá nhỏ hoặc sự kiện đi qua rất hiếm khi xảy ra.
Người Trung Quốc cổ đại gọi hành tinh này là 辰星, “Thần Tinh”, và nó tương ứng với nguyên tố Thủy trong Ngũ Hành. Đến ngôn ngữ hiện đại, trong tiếng Trung Quốc, Hàn Quốc, Nhật Bản và tiếng Việt đều gọi hành tinh này là “Thủy Tinh”, Sao Thủy (水星), dựa trên Ngũ Hành. Trong thần thoại Hindu họ sử dụng tên thần “Budha” đặt cho Sao Thủy và vị thần này cai quản ngày thứ Tư. Trong thần thoại German, Thần Odin đi kèm với Sao Thủy và ngày thứ Tư. Văn minh Maya sử dụng biểu tượng con Cú (hoặc bốn con Cú; hai cho buổi sáng và hai cho buổi chiều), phục vụ việc truyền tin trong thế giới địa ngục, cho Sao Thủy.
Người cổ đại đặt sao Thủy tương ứng với thứ Tư trong tuần và trong nhiều ngôn ngữ Latin ngày nay, ví dụ như mercredi trong tiếng Pháp, miércoles trong tiếng Tây Ban Nha, hoặc miercuri trong tiếng Rumani vẫn mang từ gốc Latin của Sao Thủy. Bên cạnh đó, tên gọi bảy ngày trong tuần ở thời điểm thế giới hiện đại đều tương ứng với mỗi hành tinh biết đến từ thời cổ đại, cùng với Mặt Trời là sử dụng cho chủ Nhật.
Trong thiên văn học Hồi giáo, vào thế kỷ XI, nhà thiên văn Abū Ishāq Ibrāhīm al-Zarqālī ở Al-Andalus miêu tả quỹ đạo của Sao Thủy có hình oval thay vì hình tròn, nó giống như hình quả trứn. Tuy rẳng phát hiện này không ảnh hưởng đến lý thuyết của ông về các tính toán thiên văn học. Đến trong thế kỷ XII, Ibn Bajjah quan sát thấy “hai hành tinh giống như chấm đen trên đĩa Mặt Trời,” mà cho đến thế kỷ XIII, nhà thiên văn Qotb al-Din Shirazi ở đài quan sát Maragheh miêu tả đó là sự đi qua Mặt Trời của Sao Thủy hoặc của Sao Kim. (Hoặc có thể đây là những vết đen Mặt Trời mà tới tận thời Phục Hưng mới nhận ra.
Trong thế kỷ XV, nhà thiên văn Ấn Độ Nilakantha Somayaji của trường phái Kerala phát triển mô hình hệ hành tinh trong đó Sao Thủy quay quanh Mặt Trời. Nhưng Mặt Trời lại quay quanh Trái Đất. Vào cuối thế kỷ XVI, Tycho Brahe cũng đề xuất một mô hình tương tự.
Nghiên cứu qua kính thiên văn trên mặt đất

Galileo Galilei là nhà thiên văn học đầu tiên thực hiện quan sát bầu trời bằng kính thiên văn đầu tiên đồng thời ông cũng là người đầu tiên quan sát Sao Thủy vào thập niên 1610. Tuy rằng, ông đã nhận ra các pha trên Sao Kim nhưng kính thiên văn lúc đó không đủ mạnh để nhận ra hiện tượng này trên Sao Thủy. Đến năm 1631, Pierre Gassendi là người đầu tiên dùng kính thiên văn quan sát hiện tượng đi qua đĩa Mặt Trời của hành tinh mà Johannes Kepler tiên đoán trước đó. Năm 1639 Giovanni Battista Zupi phát hiện ra Sao Thủy cũng trải qua các pha tương tự như pha Mặt Trăng và Sao Kim. Tổng hợp các quan sát này củng cố thêm bằng chứng Sao Thủy quay quanh Mặt Trời.
Hiện tượng một hành tinh che khuất một hành tinh khác khi nhìn từ Trái Đất là hiện tượng hiếm gặp trong thiên văn. Đối với Sao Thủy và Sao Kim che khuất lẫn nhau cách thời điểm vài thế kỷ. Sự kiện này đã xảy ra duy nhất một lần trong lịch sử cho đến nay là vào ngày 28/3/1737, được quan sát bởi nhà thiên văn John Bevis ở Đài quan sát Hoàng gia Greenwich. Dự đoán, lần Sao Kim che khuất Sao Thủy tiếp theo xảy ra vào ngày 3 tháng 12 năm 2133.

Bởi vì Sao Thủy khó quan sát nên nó cũng ít được nghiên cứu so với các hành tinh khác. Năm 1800 Johann Schröter đã cố gắng quan sát chi tiết bề mặt Thủy Tinh, ông tuyên bố đã nhìn thấy một ngọn núi cao 20 km trên hành tinh này. Friedrich Bessel sử dụng những bản đồ vẽ bề mặt của Schröter và ước lượng sai chu kỳ tự quay của nó bằng 24 giờ và độ nghiêng trục quay bằng 70°. Thời điểm thập niên 1880, Giovanni Schiaparelli vẽ bản đồ chính xác hơn và ông cho rằng chu kỳ tự quay của Sao Thủy bằng 88 ngày bằng với chu kỳ quỹ đạo của nó hay hành tinh bị khóa thủy triều. Hiện tượng này còn được biết đến là sự quay đồng bộ tương tự như trường hợp Mặt Trăng của Trái Đất. Vào năm 1934, nhà thiên văn Eugenios Antoniadi xuất bản một cuốn sách dựa theo những bản đồ chi tiết hành tinhvà kết quả quan sát do ông thực hiện trong nhiều năm. Phần lớn đặc điểm trên Sao Thủy, đặc biệt là các vùng có suất phản chiếu mạnh đã được Antoniadi đặt tên trong các bản đồ của mình.
Tháng 6 năm 1962 đã mở ra cách thức mới nghiên cứu Sao Thủy từ hoạt động của Liên Xô. Các nhà khoa học Liên Xô tại Viện Kỹ thuật vô tuyến và điện tử thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô do Vladimir Kotelnikov lãnh đạo là nhóm đầu tiên phát tín hiệu ra đa và thu tín hiệu phản xạ từ Sao Thủy. Ba năm sau, các nhà khoa học Hoa Kỳ Gordon Pettengill và R. Dyce sử dụng kính thiên văn vô tuyến đường kính 300 mét ở Đài quan sát Arecibo tại Puerto Rico đo được tốc độ tự quay thực của hành tinh bằng xấp xỉ 59 ngày. Thời điểm này, phần lớn các nhà thiên văn đều đồng ý về sự quay đồng bộ của Thủy Tinh và phát hiện qua quan trắc vô tuyến của các nhà khoa học Mỹ là một điều ngạc nhiên đối với họ. Nếu hành tinh này bị khóa thủy triều, bán cầu tối của nó phải cực lạnh tuy nhiên những đo lường qua bức xạ vô tuyến đã chứng minh bán cầu này nóng hơn rất nhiều như dự tính. Các nhà thiên văn học đã phải miễn cưỡng từ bỏ lý thuyết về sự quay đồng bộ và đề xuất ra một cơ chế khác để giải thích ví dụ như sự phân bố lại gió Mặt Trời trên hành tinh có thể giải thích tại sao nó lại có nhiệt độ cao ở bán cầu tối.
Khi nhận thấy chu kỳ tự quay bằng 2/3 chu kỳ quỹ đạo Sao Thủy, nhà thiên văn học Italia Giuseppe Colombo đề xuất chu kỳ quỹ đạo và chu kỳ tự quay của hành tinh bị khóa theo tỷ số 3:2 hơn là tỷ số cộng hưởng 1:1 hay gặp. Dữ liệu từ Mariner 10 đã xác thực ý kiến này. Do đó, những bản đồ mà Schiaparelli và Antoniadi đề xuất là thiếu chính xác. Thực vậy, họ đã nhìn thấy cùng một đặc điểm bề mặt trong mỗi giây trên quỹ đạo và ghi lại chúng như là một đặc điểm khác. Bên cạnh đó, trên thực tế, tốc độ tự quay của Sao Thủy lại rất chậm và bán cầu được chiếu sáng chậm thay đổi cũng như độ mạnh của ánh sáng Mặt Trời làm cho các quan sát đều trở nên kém tin cậy.

Các quan sát bằng kính thiên văn quang học đã không mang về nhiều thông tin mới về Sao Thủy tuy nhiên thời điểm sau đó các nhà thiên văn phát minh ra kỹ thuật quan sát vô tuyến áp dụng phương pháp giao thoa tại bước sóng vi ba đã cho phép loại bỏ ảnh hưởng của ánh sáng Mặt Trời. Thông qua phép đo giao thoa vô tuyến, các nhà thiên văn đã thu được các đặc trưng vật lý và hóa học trên bề mặt đồng thời là ở độ sâu dưới vài mét của Sao Thủy. Mặc dù sau đó nữa có các tàu không gian tiến hành thăm dò Sao Thủy thì nhiều tính chất cơ bản của hành tinh vẫn chưa bị tiết lộ. Các tiến bộ về công nghệ quang học thời gian gần đây đã nâng cao khả năng quan sát Thủy Tinh từ mặt đất. Những quan sát thực hiện bởi kính thiên văn 1,5 mét ở Đài quan sát núi Wilson năm 2000 đã may mắn phát hiện thêm một số đặc điểm bề mặt mà tàu Mariner 10 đã không phát hiện được trước đó. Những ảnh chụp sau đó chỉ ra tồn tại một bồn địa va chạm khổng lồ hai bờ vành lớn hơn cả Bồn địa Caloris trong bán cầu mà Mariner 10 không chụp ảnh. Nó được đặt tên không chính thức là Bồn địa Skinakas. Ngoài ra, kính thiên văn vô tuyến Arecibo cũng đã thực hiện vẽ bản đồ bề mặt và quan sát những hành tinh khác với độ phân giải 5 km, bao gồm các khối băng trong bóng tối ở vùng cực mà có thể là băng nước.
Thăm dò không gian
Vì quỹ đạo Sao thủy gần với Mặt Trời nên nó luôn bị ánh sáng làm lu mờ nên nghiên cứu hành tinh này bằng quan sát kính thiên văn mặt đất gặp khó khăn về mặt kỹ thuật. Để một tàu không gian phóng lên từ Trái Đất vào vùng ảnh hưởng hấp dẫn của Mặt Trời thì phải hành trình hơn 91 triệu kilômét. Tốc độ trên quỹ đạo của Trái Đất xấp xỉ 30 km/s còn Sao Thủy bằng 48 km/s. Bởi vì thế, tàu không gian phải thực hiện sự thay đổi lớn trong vận tốc (delta-v) để đi vào quỹ đạo chuyển dịch Hohmann ở vị trí nằm gần Sao Thủy, so với vận tốc delta-v cần thiết cho các phi vụ đến những hành tinh khác.
Thế năng của vật thể trong trường hấp dẫn Mặt Trời trở thành động năng của nó nên đòi hỏi sự thay đổi lớn hơn trong delta-v để đưa tàu không gian quay quanh nó hơn là chỉ bay lướt qua. Các tàu không gian cần phải mang theo lượng lớn nhiên liệu cho động cơ tên lửa để có thể đi vào quỹ đạo quanh Sao Thủy. Bên cạnh đó, các tàu cũng không thể thực hiện hoạt động hãm phanh trong khí quyển bởi vì Thủy Tinh có khí quyển quá mỏng. Do đó, một chuyến hành trình đến hành tinh này đòi hỏi nhiều nhiên liệu tên lửa hơn so với chỉ cần thoát ra khỏi Hệ Mặt Trời. Bởi vậy, cho tới năm 2013 mới chỉ có hai tàu không gian thăm dò Sao Thủy là Mariner 10 và MESSENGER. Các nhà khoa học cũng đề xuất ra dự án buồm Mặt Trời, một tàu sử dụng gió Mặt Trời làm sức đẩy để duy trì nó trên cùng quỹ đạo của Sao Thủy quanh Mặt Trời.
Mariner 10

Mariner 10 của NASA (1974–75) là tàu không gian đầu tiên thăm dò Sao Thủy. Tàu này đã lợi dụng lực hấp dẫn của Sao Kim để điều chỉnh vận tốc quỹ đạo cho phép nó có thể tiếp đến Sao Thủy. Đồng thời Mariner 10 là phi vụ đầu tiên của NASA viếng thăm nhiều hành tinh khác nhau và cũng là con tàu thăm dò đầu tiên sử dụng hiệu ứng “hỗ trợ hấp dẫn”. Mariner 10 đã gửi về những bức ảnh chụp bề mặt Sao Thủy thể hiện rằng hành tinh này bị cày xới bởi nhiều hố va chạm và có một số đặc trưng địa chất khác ví dụ như do ảnh hưởng của quá trình nguội lạnh và co lại của cấu trúc bên trong bao gồm lõi hành tinh tạo nên những đoạn đứt gãy hay trồi sụt. Nhưng rất tiếc, bởi vì độ lớn của chu kỳ quỹ đạo của Mariner 10, mỗi lần nó bay qua Sao Thủy thì nó chỉ chụp được cùng một bán cầu. Và nó không gửi thêm thông tin gì về bề mặt của bán cầu bên kia nên các nhà khoa học chỉ lập được 45% bản đồ bề mặt Sao Thủy.
Mariner 10 có ba lần bay qua cận Sao Thủy trong đó lần bay gần nhất nó cách bề mặt ngôi sao khoảng cách 327 km. Ở lần bay qua thứ nhất, những thiết bị trên tàu phát hiện ra tồn tại từ trường bao quanh hành tinh. Tin tức này gây ra sự ngạc nhiên lớn đối với các nhà khoa học hành tinh bởi vì lâu nay họ nghĩ vận tốc tự quay của Sao Thủy quá chậm đủ để phát sinh ra hiệu ứng dynamo. Đến lần bay qua thứ hai thì lại ở khoảng cách khá lớn và chủ yếu thực hiện việc chụp ảnh bề mặt hành tinh. Cho đến lần tiếp cận thứ ba, tàu đã thu thập thêm được dữ liệu về từ trường. Phần dữ liệu này cho thấy từ trường hành tinh trên toàn cục khá tương tự với từ trường Trái Đất nhưng có cường độ yếu hơn đồng thời nó làm lệch gió Mặt Trời thổi qua hành tinh. Cho đến nay, nguồn gốc từ trường hành tinh vẫn cần phải nghiên cứu và giải thích sâu hơn.
8 ngày sau lần tiếp cận cuối cùng, ngày 24 tháng 3 năm 1975, tàu Mariner 10 tiêu thụ hết nhiên liệu mang theo. Bởi vì không còn điều khiển kiểm soát quỹ đạo Mariner 10 được, thành viên giám sát con tàu đã gửi lệnh ngừng hoạt động các thiết bị trên tàu. Cứ vài tháng một lần, Mariner 10 bay quanh Mặt Trời và vượt qua quỹ đạo Sao Thủy.
MESSENGER
MESSENGER (tiếng Anh: MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging) là phi vụ thứ hai của NASA đến Sao Thủy. Tàu được phóng lên từ Căn cứ không quân mũi Hảo Vọng bằng tên lửa Boeing Delta 2 vào ngày 3 tháng 8 năm 2004. Vào tháng 8 năm 2005, nó thực hiện bay qua Trái Đất. Vào tháng 10 năm 2006 và tháng 6 năm 2007, tàu bay qua Sao Kim để hiệu chỉnh quỹ đạo cũng như giảm vận tốc bay của tàu đến vận tốc đủ nhỏ để Sao Thủy có thể bắt giữ MESSENGER. Nó thực hiện ba lần bay qua Sao Thủy theo thời gian ngày 14 tháng 1 năm 2008, ngày 6 tháng 10 năm 2008,ngày 29 tháng 9 năm 2009. 3 lần bay qua này, MESSENGER đã chụp ảnh được phần lớn bán cầu mà Mariner 10 chưa chụp được. Vào ngày 18 tháng 3 năm 2011, con tàu đi vào quỹ đạo hình elip quanh hành tinh. Vào ngày 29 tháng 3 năm 2011, các nhà khoa học nhận được bức ảnh đầu tiên chụp từ quỹ đạo. Con tàu đã hoàn thành nhiệm vụ cơ bản 1 năm quan trắc Sao Thủy và thực hiện phi vụ mở rộng đến cuối năm 2013. Bên cạnh thực hiện quan trắc và chụp hình Sao Thủy, MESSENGER cũng quan trắc hoạt động của Mặt Trời năm 2012 thông qua các thiết bị đo gió Mặt Trời và từ kế.

Mục tiêu của phi vụ này là thực hiện 6 nhiệm vụ cơ bản: nghiên cứu tại sao Sao Thủy lại có khối lượng riêng trung bình cao, lịch sử địa chất, bản chất của từ trường hành tinh, cấu trúc lõi, có tồn tại băng ở hai cực hành tinh không, và tại sao nó lại có bầu khí quyển cực kỳ mỏng. MESSENGER mang theo các thiết bị chụp ảnh phân giải cao hơn của Mariner 10, trong đó nổi bật là các phổ kế nhằm xác định các nguyên tố có mặt trong lớp vỏ hành tinh, từ kế và những thiết bị khác để đo vận tốc của các hạt tích điện. Các thay đổi nhỏ trong vận tốc và độ lệch quỹ đạo của con tàu cho phép tính ra được chi tiết cấu trúc bên trong Sao Thủy. Ngày 24 tháng 4 năm 2015 là lần thao diễn cuối cùng của MESSENGER và vào lúc 15:26 (theo giờ EDT) ngày 30 tháng 4 năm 2015, nó bắt đầu đâm sầm vào bề mặt Sao Thủy ,[164][165][166] để lại một hố va chạm có đường kính ước tới 16 m.
BepiColombo
Phi vụ BepiColombo được thực hiện kết hợp bởi cơ quan vũ trụ châu u (ESA) và Cơ quan vũ trụ Nhật Bản (JAXA). Phi vụ này dự định gửi hai tàu không gian bay quay Sao Thủy: một là để nghiên cứu địa hình bề mặt và một nhằm nghiên cứu từ quyển của hành tinh. Vào ngày 20 tháng 10 năm 2018, hai tàu được phóng lên. Theo kế hoạch, năm 2025, hai tàu sẽ đi vào quỹ đạo Sao Thủy. Tàu vẽ bản đồ địa hình sẽ đi vào quỹ đạo lệch tâm nhỏ còn tàu nghiên cứu từ quyển sẽ có quỹ đạo elip dẹt. Hai tàu dự kiến sẽ hoạt động trong tối thiểu 1 năm. Tàu vẽ bản đồ sẽ mang theo các phổ kế giống như của tàu MESSENGER, cho phép nó chụp hình ảnh ở nhiều bước sóng khác nhau như hồng ngoại, tử ngoại, tia X và tia gamma.
Trong văn hóa

Sao Thủy là hành tinh trị vì cung Song Tử và Thất Nữ trong chiêm tinh học phương Tây. Ảnh hưởng về mặt chiêm tinh học của ngôi sao này là lớn nhất trong hai cung hoàng đạo này.
Trước khi có những quan sát hiện đại, các nhà thiên văn lập bản đồ Sao Thủy trên đó có một đặc điểm Solitudo Hermae Trismegisti gần như là lớn nhất, chiếm một phần tư bản đồ ở góc đông nam.
Mercury, the Winged Messenger, là một chương nhạc trong bản nhạc giao hưởng The Planets của Gustav Holst.
Ngoài ra tên các hành tinh còn được gắn cho các ngày trong tuần của người La Mã cổ đại.
Trên đây là một số thông tin về Sao Thủy (trích nguồn Wikipedia + nguồn khác), các bạn cùng tham khảo nhé.
