水星（Mercury）是太阳系八大行星之一，是最靠近太阳的行星。水星质量为3.3×1023千克，它的密度很大，为5.43克/厘米3，是太阳系中仅次于地球，密度第二大的天体。水星的平均直径为4,880 公里（3,030 英里），并且没有天然卫星。在英文中，水星以罗马神（Mercury ）命名，他是商业之神、通讯之神和众神的使者。

根据水星模型，它可能有一个固体硅酸盐外壳和地幔，覆盖着一个固体外核、一个更深的液体核心层和一个固体内核。水星有相当大的铁核，以体积计算，水星的铁质核心约占总体积的57%。水星有偶极磁场，强度约为地球强度的1.1%。水星赤道的磁场强度约为300 nT。水星有极稀薄的大气-外逸层，气压小于约0.5 nPa（0.005皮巴），由氢、氦、氧、钠、钙、钾、镁、硅和氢氧化物等元素组成。由于几乎没有大气层来保持热量，水星的表面昼夜温差很大，白天表面温度可达427度，黑夜最低温度可降到-173度左右。

水星在地球轨道内围绕太阳运行，使其仅作为距离太阳相对较近的“晨星”或“昏星”出现在地球的天空中。水星的自转一周需58.785地球日，绕太阳公转一周需87.969地球日，公转的平均速度为47.36千米/秒，是太阳系中运动速度最快的行星，轨道半径长约5790万千米，轨道偏心率为0.206，是太阳系中所有已知行星中最大的，会合周期为115.88日。水星以 3:2 的自旋轨道共振绕太阳运行，这意味着相对于太阳，它绕太阳每转两圈，就绕轴自转三圈。与直觉相反，由于水星自转缓慢，地球上的观察者每两个水星太阳年（88 个地球日）只能看到一个水星太阳日（176 个地球日）。水星的轴的倾斜度是太阳系行星中最小的，约为 1⁄30度。水星轨道的近日点每世纪比艾萨克·牛顿力学的预测多出43角秒的进动，这种现象直到20世纪才从阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论得到解释。

水星形成于大约45亿年前，当时重力将旋转的气体和尘埃拉在一起，形成了这颗离太阳最近的小行星。水星外貌像月球，表面宽阔的平原（海）上散布着大量环形山，还有纹脊、山脉、高原、平原、峭壁和山谷多种地形。水星两极有大量从未暴露在阳光直射下的水冰库，其质量估计约为南极冰盖的 0.025–0.25 %。

1631年，天文学家托马斯·哈里奥特 (Thomas Harriot ) 和伽利略·伽利莱 (Galileo)首次通过新发明的望远镜对水星进行观测。水星是最难从地球到达的行星，因为太空探测器在从地球到水星的过程中经历的速度调整幅度是所有行星探测任务中最大的。截至 2023 年，只有三艘太空探测器访问过水星：1973年11月3日，美国发射了“水手10号探测器”太空探测器，对水星进行近距探测。2004年8月3日，美国美国航空航天局发射了“信使号”水星探测卫星，在2011年3月18日进入水星轨道。2018年由欧洲航天局和日本宇宙航空研究开发机构（日本宇宙航空研究开发机构）发射的贝皮可伦坡号（BepiColombo）在2021年10月1日的一次飞越中首次看到了水星，计划总共进行九次飞越，太空探测器在2025年底进入轨道。

在中国古代，水星被称为辰星，而在西方，它被称为墨丘利，墨丘利是罗马神话中专门传递众神信息的使者。

早在公元前3000年的苏美尔时代，人们就观察到了水星。它在天空中最亮时的视星等为-1.9等。古希腊哲学家和天文学家赫拉克利德斯·本都库斯早早认识到水星和金星并不是绕地球运行的，而是绕太阳运动的。古希腊人给了水星两个名字：当它在清晨初现时称之为阿波罗，而在夜空中闪烁时称之为赫耳墨斯。但实际上，这两个名字都指的是同一颗行星。在古罗马神话中，墨丘利是商业、旅行和偷窃之神，与古希腊神话中的赫耳墨斯是等同的，他是众神的信使。到公元前350年左右，古希腊人已经认识到这两颗星是同一颗行星。他们称之为“闪烁”（Στίλβων Stilbōn），并因其转瞬即逝的运动而被称为Ἑρμής Hermēs，这个名字在现代希腊语中仍然存在（Ερμής Ermis）。罗马人以快速移动的信使神墨丘利（拉丁语Mercurius）来命名水星，将其与希腊的赫耳墨斯等同起来，因为水星在天空中的运动速度比其他任何行星都快。水星的天文符号是赫耳墨斯的权杖的简化版本：☿。

相关命名

水星表面大大小小的环形山星罗棋布，既有高山，也有平原，还有令人胆寒的悬崖峭壁。据统计，水星上的环形山有上千个，这些环形山比月亮上的环形山的坡度平缓些。1976年，国际天文学会聘请一些专家、学者为环形山命名，1987年正式公布了第一批环形山的名字，其中有15个环形山用了中国的人的名字。有伯牙——传说是春秋时代的音乐家；蔡文姬——东汉末女诗人；李白——唐朝大诗人；白居易——唐代大诗人；董源——五代十国南唐画家；李清照——南宋女词人；姜變——南宋音乐家；梁楷——南宋画家；关汉卿——元代戏曲家；马致远——元代戏曲家；赵孟頫——元代书画家；王蒙——元末画家；朱耷——清代画家；曹露(即曹雪芹)——清代文学家；鲁迅——中国现代文学家。

水星诞生于大约45亿年前，由太阳形成时留下的尘埃和气体组成的漩涡凝结而成。水星变成了一颗类地行星，有着致密的金属内核、岩石地幔和固体地壳。然而，这颗小行星冷却得很快，在最初的10亿年左右的时间里收缩得足够小，阻止了岩浆通过地壳逃逸，并结束地表火山活动等地质活动。

科学家曾认为水星与其他类地行星相比富含铁，因为它可能是在太阳星云内部极热区域的物质吸积而成的。这个区域只有较低温度下的物质能够凝固，不会使挥发性更强的元素和化合物在离太阳如此近的地方凝结。然而，现代太阳系形成的理论认为，不同距离太阳的吸积过程不会导致行星化学成分的逐渐差异。相反，水星内的物质很可能来自太阳系内部的多个区域。水星可能是在太阳系内部的小行星带中形成的，并在接下来的数十亿年中因与其他小行星的相互引力作用而发生位置变化。

一些行星科学家认为，在水星的早期，它经历了一次巨大的碰撞，这次碰撞剥离了行星的大部分外层，留下了一个由内核主导的天体。这类似于火星大小的天体与地球的碰撞，并形成了月球。然而，水星之所以拥有高密度可能有其他原因。重金属颗粒和硅酸盐颗粒在形成水星的过程中可能存在优先顺序，也可能是由于热量和空气动力学阻力的影响，使物质的分布发生改变。此外，数十亿年来，水星的表面和近表面材料不断受到小行星、彗星和太阳风的撞击，这也可能影响了水星的化学成分。

行星科学家仍在研究水星形成后发生的地质和行星物理事件的年代，包括早期火山活动和撞击事件。水星拥有一个单一板块的地壳，其形成主要是通过全球性的火山活动释放内部热能。这些火山活动在约35亿年前快速停止，这与水星的全球冷却和收缩有关。然后，水星经历了不同时代的地质变化，如火山喷发和撞击事件，最终进入了现今的地质状态。水星表面的地质年代被分为不同时代，则是基于地层交叉关系和不同地质事件之间的关联来确定的。总的来说，水星的形成和演化是一个复杂的过程，涉及多个因素，包括化学成分、地质事件和太阳系内部的物质交互作用。

水星是太阳系四颗类地行星之一，类似于地球具有岩石外壳。它是太阳系中最小的行星，赤道半径为2439.7公里，比太阳系中最大的天然卫星木卫三(ganymee)和土卫六（titan）还要小。水星的质量为3.3×1023 kg，密度为5429kg/m3，仅次于地球，是太阳系中密度第二大的天体，如果排除引力压缩的影响，那么制造水星的材料将比地球的密度更大，未压缩的密度为5.3g/cm3，而地球的密度为4.4g/cm3。水星的构成主要包括大约70%的金属材料和30%的硅酸盐材料。其金属核心半径约为2,074公里，可能是熔融的。水星的地幔和地壳，与地球的相当，只有约400公里厚。

水星内部结构可以分为液体核心层、固体内核层、固体金属外核层、地幔和固体硅酸盐地壳。核心层的成分仍然不能确定，可能包括、硅、硫和碳，以及微量的其他元素。水星在太阳系中具有第二高的密度，为5429kg/m3，仅略低于地球的5515kg/m3。如果将两颗行星各自受到的引力压缩影响排除掉，构成水星的材料比地球的更加致密，未受压缩时的密度为5300kg/m3，而地球为4400kg/m3。水星的密度可以用来推断其内部结构的细节。地球的高密度主要来自引力压缩，特别是在地球核心部分，而水星受到的引力压缩较小，其内部压缩的程度也相对较小。水星拥有如此高的密度，它的核心必须较大且富含铁。

水星核心的半径估计为2020±30公里，占据大约57%的体积，而地球这一比例为17%。研究表明水星的核心可能是熔融的。水星的地幔地壳层总厚度为420公里。根据“水手10号探测器”和“信使”任务数据以及地球观测，水星的地壳估计为35公里厚。但这个估计可能过高，根据艾里等压线模型，水星的地壳可能只有26±11公里厚。水星表面的显著特征之一是存在大量狭窄山脊，长达数百千米。这些山脊可能是在水星地壳已经凝固的时候，由于水星核心和地幔冷却和收缩而形成的。

水星的核心铁含量比太阳系中其他任何行星都高，有多种理论用于解释这一现象。最被广泛接受的理论认为，水星最初的金属-硅酸盐比例类似于普通的球粒陨石，被认为是太阳系中岩石物质的典型，质量约为现今的2.25倍。在太阳系早期，水星可能受到了一颗约为水星质量六分之一、直径数千千米的小行星的撞击。这一撞击可能剥离了大部分原始地壳和地幔，将核心保留为相对较大的组成部分。一种类似的过程，即巨大撞击假说，也被用来解释地球月球的形成。

另一种假说认为水星可能是在太阳能输出稳定之前从太阳星云中形成的。最初，水星的质量可能是现在的两倍，但随着太阳的收缩，水星附近的温度可能在2500至3500K之间，甚至可能高达10000K。在这样的温度下，水星表面的岩石可能会蒸发，形成一个由“岩石蒸汽”组成的大气，可能被太阳风带走。第三种假说提出，太阳星云对水星聚积的颗粒产生了阻力，导致较轻的颗粒从聚积物质中流失，而没有被水星吸收。

每种假说预测不同的地表成分，有两个太空探测器来观察这些成分。第一个是2015年结束探测计划的信使号，它发现地表上的钾和硫含量高于预期，这表明巨大撞击假说和地壳和地幔蒸发假说可能并未发生，因为这两种假说中的极端高温会将地表的钾和硫蒸发掉。而“BepiColombo”探测器将于2025年到达水星进行观测以测试这些假说。到目前为止，研究结果似乎更有利于第三种假说，但需要进一步分析数据。

水星的表面特征与月球相似，包括广阔的平原和大量的撞击坑，这表明它在地质上已经经历了数十亿年的冷却和静止。相较于火星和月球表面，水星的地表更为多样化。它们都有像月球的月球海和高原那样的地质特征。水星还有“皱纹脊”（dorsa），高地，山脉（montes），平原（planitiae），悬崖（rupes）和山谷（valles）等的地质特征。

水星的地壳在化学上是不均匀的，显示出在其历史早期经历过岩浆海洋阶段的迹象。地壳中不同地区的化学成分有明显变化，这是由于矿物结晶和对流翻转导致的。地壳中铁含量较低，硫含量较高，这可能是水星上早期的化学还原条件比其他类地行星更强。地壳中的主要矿物包括贫铁辉石、橄榄石、顽火辉石、镁橄榄石、富含钠的培长石以及混合矿物，包括镁、钙和硫化铁。一些地区含有较高的碳含量，很可能是以石墨形式存在的。

水星表面特征的名称有各种来源，并根据IAU行星命名系统设置。陨石坑以艺术家、音乐家、画家和作家的名字命名，山脊以对水星研究有贡献的科学家命名，洼地或凹陷以建筑作品命名，山脉以各种语言中的“热”一词命名，平原以各种语言中“水星”一词命名，悬崖或峭壁以科学探险船命名，山谷以古代废弃的城市、城镇或定居点命名。

撞击盆地和陨石坑

水星在46亿年前的形成期间和之后不久以及38亿年前结束的“晚期重轰炸”事件中遭受的彗星和小行星的猛烈撞击。在此期间，水星的整个表面都受到了撞击，由于缺乏任何大气层来减缓撞击者的速度，形成了许多陨石坑。与此同时水星的火山活跃，盆地被岩浆填满，形成类似于月球上月球海的光滑平原。在这些陨石坑中，最不寻常的是“阿波洛多罗斯（Apollodorus）”，也被称为“蜘蛛”，它有大量从撞击点向外延伸的辐射槽。

水星的陨石坑大小不同，从碗状的小洞穴到数百公里宽的多环撞击盆地。它们呈现出各种退化状态，从相对新鲜的射线坑到高度退化的陨石坑遗迹。水星的陨石坑和月球的有着微妙的差异，水星陨石坑的喷发物覆盖的区域小得多，这显示水星有较大的表面重力。每个新的陨石坑都必须以一位艺术家的名字命名，这位艺术家在陨石坑命名之前已经成名50多年，且去世3年以上。

已知最大的陨石坑是“卡洛里盆地（Calories Basin）”，或称为“Calories Planitia”，直径为1550公里。形成该区域的撞击非常大，导致了熔岩喷发，并在撞击坑周围留下了一个约2公里高的同心环形山。该盆地的底部被一片地质上独特的平坦平原填满，被山脊和裂缝分割成多边形。在卡洛里盆地（Calories Basin）的对立面是一大片不寻常的丘陵地形，被称为“怪异地形（Weird Terrain）”。关于其起源的一个假说认为，卡洛里（Calories）撞击期间产生的冲击波在水星周围传播，在盆地的对极（180度远）汇聚。由此产生的高应力使表面断裂。关于该地形起源的另一个假说认为，陨石撞击期间产生的冲击波在水星周围传播，在盆地的对极（180度外）汇聚，导致高应力使地壳表面破裂。也有人认为，这种地形是该盆地对极喷出物汇聚的结果。

总共已经确定了46个撞击盆地。其中列夫·托尔斯泰（Tolstoj）盆地是400公里宽的多环盆地，其喷出物覆盖层从边缘延伸至500公里，底部被光滑的平原物质填充。贝多芬（Beethoven）盆地有一个类似大小的喷出物覆盖层和直径625公里的边缘。与月球一样，水星表面可能也受到了太空风化过程的影响，包括太阳风和微石陨石的撞击。

平原地貌

水星表面有两个地质上截然不同的平原区域。陨石坑之间地区缓缓起伏的丘陵平原是水星最古老的可见表面，早于坑坑洼洼的地形。这些平原区域似乎抹去了许多早期的陨石坑，并且缺乏直径在30公里以下，以及更小的陨石坑。这些平坦的平原是广泛的平坦区域，充满了各种大小的凹陷，与月球的月球海非常相似。与月球海不同的是，水星平滑的平原与较老的环形山间平原具有相同的反照率。尽管缺乏明确的火山特征，平原的分裂形状等证据支持这些平原起源于火山。所有水星平原形成的时间都明显晚于卡路里盆地，这一点可以从比卡路里喷出物覆盖层上更小的火山口密度中得到证明。卡洛里盆地的底部填满了独特的平原地质，破碎的山脊和粗略的多边形碎裂。 不清楚是撞击诱导火山熔岩，还是撞击造成大片的融化。

压缩地貌

水星表面有一个独特的特征是平原上纵横交错的无数挤压褶皱。这些地貌特征类似于月球上的，但在水星上更加明显。当水星内部冷却时，它会收缩，表面会变形，形成与逆冲断层有关的褶皱脊和叶形陡崖。这些陡崖的长度可达1000公里，高度可达3公里。这些挤压特征可以在其他特征之上看到，如陨石坑和平滑平原，这表明它们是最近的。这些特征的测绘表明，水星半径的总收缩范围为约1–7公里，大多数挤压活动可能在大约3.6-3.7亿年前结束。而小规模的逆冲断层崖，高几十米，长度在几公里范围内，其历史似乎不到5000万年，这表明内部的挤压和随之而来的地表地质活动一直持续到现在。

火山地貌

有证据表明水星上的火山灰流来自低矮的盾状火山。已经确定了51处火山灰沉积地，其中90%是在撞击坑内发现的。一项对火山灰沉积物所在撞击坑退化状态的研究表明，水星上的火山活动发生的时间间隔很长。卡路里盆地西南边缘的一个“无边缘凹陷(rimless depression)”由至少九个重叠的火山口组成，每个火山口的直径分别高达8公里。因此，它是一座“复合火山”。喷口底部位于其边缘下方至少1公里处，与爆炸性喷发形成的火山口更为相似，或者与岩浆回流到管道中形成的空隙塌形成的火山坑更为相似。科学家们无法量化火山复合体系统的年龄，它可能在10亿年左右。

水星的表面温度范围为−173至427°C。由于赤道和两极之间没有大气层，它两极的温度从未超过-93.15°C。在近日点，日下点位于纬度0°W或180°W，温度攀升至约426.85°C。在远日点，日下点在纬度90°W或270°W，温度达到276.85°C。行星的被阳侧，平均温度为−163.15°C。水星表面的太阳光强度在太阳常数（1,370 W·m−2）的4.59至10.61倍之间。

尽管水星表面的白天温度通常非常高，但观测结果表明水星上存在冰。水星两极较深的陨石坑底部的地面从未暴露在阳光直射下，那里的温度低于−171.15°C，远低于水星的平均水平。这就形成了一个积冰的冷阱。水冰强烈反射雷达，戈德斯通太阳系雷达（Goldstone Solar System Radar）和VLA在20世纪90年代初的观测显示，两极附近有高雷达反射的斑块。尽管冰并不是这些反射区域的唯一可能原因，但天文学家认为这是最有可能的。信使号（MESSENGER）拍摄的北极陨石坑图像证实了水冰的存在。

据估计，冰冻陨石坑区域含有约1014–1015 kg的冰，可能被一层抑制升华的风化层覆盖。相比之下，地球上的南极冰盖的质量约为4×1018 kg公斤，火星南极冰盖的水含量约为1016 kg。 水星上冰的来源尚不清楚，最有可能的两个来源是来自行星内部的水蒸气在行星表面凝结和彗星撞击的沉积。

水星质量太小，温度太高，其引力无法长期保持住大气层，但它确实有一个脆弱的表面边界-外逸层，表面压力小于约0.5 nPa（0.005皮巴）。它包括氢、氦、氧、钠、钙、钾、镁、硅和氢氧化物等。这种外逸层并不稳定——原子不断地从各种来源流失和补充。氢原子和氦原子可能来自太阳风，扩散到水星的磁层中，然后逃逸回太空。水星地壳中元素的放射性衰变是氦以及钠和钾的另一个来源。水蒸气的存在是由一系列过程释放的，例如：彗星撞击其表面，太阳风中的氢气和岩石中的氧气反应产生水，以及永久阴影下的极地陨石坑中的水冰的升华。水星上检测到大量与水有关的离子，如O⁺、OH⁻和H₃O⁺。由于在水星的太空环境中检测到这些离子的数量，科学家推测这些分子是被太阳风从表面或外逸层吹出的。

钠、钾和钙是在20世纪80年代至90年代在大气中发现的，被认为主要是由微流星体撞击引起的地表岩石蒸发引起的，目前包括Encke彗星。2008年，信使号发现了镁。研究表明，钠的排放有时局限在与水星磁极相对应的点上。这将表明磁层和行星表面之间存在相互作用。

根据美国航空航天局的说法，水星不适合类似地球的生命。它有一个表面边界的外逸层，而不是分层的大气层，极端的温度和高太阳辐射。任何生物都不可能承受这些条件。水星地下的一些部分可能适合居住，可能存在生命形式，尽管可能是原始微生物。

水星磁场是稳定且全球性的，强度约为地磁场的1.1%，磁轴几乎与自转轴重合。与地球磁场一样，水星磁场也生成于富铁液核流动导致的发电机效应，高轨道偏心率引起的强潮汐效应有助于核保持液态。水星磁场虽弱，已经可以使太阳风偏折围绕行星而形成磁层，并能够捕获太阳风等离子体。探测器在水星磁层中探测到了低能等离子体。

尽管水星体积小，自转速度慢，自转周期长达59天，但它有一个显著的全球性的磁场。根据水手10号探测器(Mariner 10)的测量，它的强度约为地球强度的1.1%。水星赤道的磁场强度约为300 nT。与地球的磁场一样，水星的磁场是偶极的。与地球不同，水星的两极几乎与地球的自转轴对齐。水手10号(Mariner 10)和信使号(MESSENGER)太空探测器的测量结果表明，磁场的强度和形状是稳定的。

这种磁场很可能是由发电机效应产生的，其方式类似于地球的磁场。这种发电机效应将由行星富含铁的液态核心的循环产生。由于水星的高轨道离心率，产生了特别强烈的潮汐加热效应，这有助于水星保持部分核心处于液态状态。水星核心的这种液态状态是行星发电机效应所必需的。

水星的磁场足够强大，可以使太阳风绕水星偏转，从而形成磁层。水星的磁层虽然小的可以容纳在水星内部，但强度已经可以捕获太阳风等离子体，这加速了水星表面的风化进程。水手10号探测器(Mariner 10)在水星背阳侧磁层中探测到了低能量等离子体。水星磁尾中高能粒子的爆发表明了水星磁层的动态性质。

水星是太阳系所有行星中轨道离心率最大的行星，其离心率为0.21。它的公转轨道的长半径为0.387天文单位（AU），与太阳的距离在4600万至7000万公里之间变动。水星完成一次公转周期需要87.969地球日。水星的轨道离心率对其运动产生显著影响，它的轨道速度与它和太阳的距离成反比，在近日点附近时的轨道速度较高。水星这种与太阳的距离变化导致水星的表面被太阳升起的潮汐隆起弯曲，这些潮汐隆起比地球上的月球强约17倍。结合水星绕其自转轴的3：2自旋轨道共振，导致表面温度的复杂变化。这种共振使得水星上的一个太阳日（太阳两次子午线凌日之间的长度）持续了两个水星年，或大约176个地球日。

水星的轨道平面与地球轨道平面（黄道）倾斜7度，是已知八大行星中最大的转轴倾角。因此，水星只有在穿越地球和太阳之间的黄道平面时才会出现凌日，这种情况平均每七年发生一次。水星凌日每46年发生7次，间隔分别为：3.5年，13年，7年，9.5年，3.5年，9.5年。

水星的轴向倾斜几乎为零，小于0.027度，远远小于其他行星，如木星的3.1度。这意味着从水星两极观测太阳，太阳中心的上升幅度永远不会超过地平线2.1角分。相比之下，从水星上看，太阳的角度大小从1+1/4到2度不等。

在水星的某些地点，可以在一个水星日内看到太阳上升到一半后，出现逆转并落下，然后再次上升。这是因为在近日点前4个地球日左右，水星轨道的角速度几乎等于其自转角速度，使太阳的视位置停滞；而在近日点附近，水星轨道的角速度超过了自转角速度。因此，从水星观察者的角度看，太阳似乎逆行。这种现象在近日点后的4天内会恢复正常。如果水星处于同步旋转状态，也会发生类似的效果：旋转的交替增益和损失将导致经度23.65°的天平动。

出于同样的原因，水星赤道上有两个点，经度相差180度，在其中一个点上，在每隔一个水星年（一个水星日）的近日点附近，太阳从头顶经过，然后反转其表观运动，再次从头顶经过；然后第二次反转，第三次从头顶经过。整个过程总共需要大约16个地球日。在水星的另一个交替年份，同样的事情发生在这两点中的另一点。逆行的幅度很小，所以总的影响是，在两三周的时间里，太阳几乎在头顶上静止不动，并且最为明亮，因为水星位于离太阳最近的近日点。长时间暴露在最亮的太阳下，使这两点成为水星上最热的地方。由于昼夜温度滞后，太阳在中午过后约25度时，即日出后0.4水星日和0.8水星年时，出现最高温度。相反，水星赤道上还有另外两个点，与第一个点相距90度经度，只有当行星每隔几年处于远日点时，太阳才会从头顶经过，而此时太阳在水星天空中的运动相对较快。这些点是赤道上太阳穿过地平线时发生明显逆行的点，它们接收的太阳热量比上述第一个点少得多。

水星与地球内合（最接近地球）的周期平均为116地球日，但由于其轨道离心率，这个间隔可在105到129地球日之间变化。水星与地球的距离可以近到7730万公里。从地球可以看见水星逆行的时间大约是在内合前后的8-15天，所以会有如此大范围差距变化，完全是因为水星有着较大的离心率。从一段时间的平均值来看，水星通常是离地球最近的行星，从这个角度来看，它是离太阳系其他行星最近的行星。

多年来，人们一直认为水星与太阳同步潮汐锁定，水星自转时间和公转时间都是88天，并始终保持同一面朝向太阳，就像月球的同一面始终面向地球一样。1965年的雷达观测，才测量出水星自转的精确周期是58.646天，证明水星以3:2的自旋轨道共振，每公转太阳二周时也自转三周。水星轨道的离心率使这种共振稳定——在近日点，当太阳潮汐力最强时，太阳在水星的天空中几乎是静止的。

3:2共振潮汐锁定是通过沿水星偏心轨道的潮汐力的变化来稳定的，潮汐力作用在水星质量分布的永久偶极分量上。在圆形轨道上没有这种变化，因此在这种轨道上稳定的唯一共振是1:1（例如，地球-月球），当潮汐力沿着“中心体”线拉伸物体时，施加的扭矩使物体的最小惯性轴（“最长”轴和上述偶极子的轴）始终指向中心。然而，由于有明显的离心率，就像水星轨道的离心率一样，潮汐力在近日点有一个最大值，因此共振稳定，比如3:2，确保行星在通过近日点时将其最小惯性轴大致指向太阳。

天文学家认为它被同步锁定的最初原因是，每当水星处于最佳观测位置时，它总是在3:2共振中几乎处于同一点，因此呈现出相同的面貌。这是因为，巧合的是，水星相对于地球的自转周期几乎正好是其会合周期的一半。由于水星3:2的自转轨道共振，一个太阳日大约持续176个地球日。恒星日（自转周期）大约持续58.7个地球日。

模拟表明，由于其他行星的扰动，水星的轨道离心率在数百万年内从接近0（圆形）到超过0.45之间变化混乱。这被认为可以解释水星3:2的自旋轨道共振（而不是更常见的1:1），因为这种状态更有可能出现在高离心率时期。然而，基于潮汐响应真实模型的精确建模表明，水星在其历史的早期阶段，即形成后的2000万年（更有可能是1000万年）内，就被捕获到了3:2的自转轨道状态。数值模拟显示未来水星的轨道共振，与木星的交互作用会造成近日点距离的增加，在未来的50亿年内有1%的几率会与金星碰撞。

1859年，法国数学家和天文学家奥本·勒维耶（Urbain Le Verrier）报告说，水星绕太阳轨道的缓慢进动不能完全用艾萨克·牛顿力学和已知行星的扰动来解释。他提出，在可能的解释中，另一颗行星（或者可能是一系列更小的“微粒”）可能存在于比水星更靠近太阳的轨道上，以解释这种扰动。（其他考虑的解释包括太阳的轻微扁率。）基于海王星对天王星轨道的扰动，对海王星的搜索成功，使天文学家相信了这一可能的解释，这颗假设的行星被命名为火神行星（Vulcan），但从未发现过这样的行星。

观测到的水星近日点进动相对于地球为每世纪5600角秒（1.5556°），或者相对于惯性ICRF为每世纪574.10±0.65角秒。利用牛顿力学考虑到其他行星的所有影响，包括由于太阳扁率导致的每世纪0.0254角秒，预测相对于地球的进动为每世纪5557角秒（1.5436°），或相对于ICRF的进动是每世纪531.63±0.69角秒。在20世纪初，阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论通过将引力形式化为由时空曲率介导，为观测到的进动提供了解释。这个效应对水星影响很小，每世纪只有42.980±0.001角秒（或每年0.43角秒，或每个轨道周期0.1035角秒）；因此，它需要超过1250万个轨道，即300万年，才能完成一次完全的超额转弯。其他太阳系天体也存在类似但小得多的影响：金星每世纪8.6247角秒，地球3.8387角秒，火星1.351角秒，伊卡洛斯1566(小行星)10.05角秒。

惯例将水星的经度零点放在表面最热的两个点之一。然而，当水手10号探测器首次访问该地区时，这条零子午线处于黑暗中，因此无法在表面上选择一个特征来定义子午线的确切位置。因此，选择了一个更西边的小陨石坑，名为Hun Kal，它为测量经度提供了准确的参考点。Hun Kal的中心定义了西经20°。1970年国际天文学联合会的一项决议建议，在水星上向西测量经度是正的。因此，赤道上两个最热的地方位于西经0°和西经180°，赤道上最冷的地方位于西经90°和西经270°。但是，信使号项目使用东部正向约定。

据计算，水星的视星等在上会合点附近的−2.48（比天狼星亮）和下会合点附近的+7.25（低于肉眼可见的极限）之间变化。 平均视星等为0.23，而标准差1.78是所有行星中最大的。上会合处的平均视星等为-1.89，下会合处为+5.93。水星距离太阳很近，观测工作很复杂，因为它大部分时间都在太阳的眩光中消失。水星只能在清晨或黄昏的短暂时间内被观测到。地面望远镜对水星的观测只能看到一个细节有限被照亮部分的圆盘。因为安全程序防止哈勃空间望远镜指向太阳附近，所以它根本无法观测到水星。

从地球上看水星与月球和金星一样，也呈现出相位。它在下会合点处是“新月”，在上会合点处则是“满月”。在这两种情况下，这颗行星都被地球看不见，因为它被太阳遮住了，除了在凌日过程中的新月阶段。当水星处于满月时，从地球上看，它是最亮的。尽管水星在满月时离地球最远，但更大的可见照明面积和激增的相对亮度足以弥补距离造成的亮度减弱。金星的情况正好相反，当它是新月形时，它看起来最亮，因为它比满月时时离地球更近。水星可以在每年的第一季度和最后一季度观测到，尽管这时是它亮度较低的相位。第一和最后四分之一相位分别出现在太阳最大的西大距和最大的西大距处。在这两个时间，水星与太阳的距离从近日点的17.9°到远日点的27.8°不等。在最大的西大距时，水星在日出前升起，而在最大的东大距时，它在日落后落下。水星几乎每7年（提前7天）循环一次相位序列。

水星在南半球比在北半球更容易看到。这是因为水星最大西大距仅发生在南半球的初秋，而最大的东大距仅出现在南半球冬末。在这两种情况下，行星轨道与地平线相交的角度都是最大的，在前者中，它可以在日出前几个小时上升，而在后者中，它要在日落后几个小时才能从南部中纬度地区（如阿根廷和南非）落下。

观测水星的另一种方法是在白天条件晴朗的时候用望远镜观测水星，理想情况下是在水星处于最大东西大距的时候。这时即使使用孔径为8厘米的望远镜也能很容易地发现这颗行星。使用这种方法必须非常小心地遮挡太阳，避免对眼睛造成伤害。当黄道位于低海拔时（例如在秋夜），这种方法绕过了曙暮光观测的限制。当水星在天空中较高位置时，影响行星视野的大气影响较小。这时水星最亮的情况下，可以看作是接近太阳4°的上合满月。水星和其他几颗行星和最亮的恒星一样，可以在日全食期间看到。

古代天文学家

已知最早的水星观测记录来自巴比伦简编（MUL.APIN）。这些观测记录很可能是由公元前14世纪左右的巴比伦人编写的。巴比伦简编（MUL.APIN）石碑上用来表示水星的楔形文字名称被转录为UDU.IDIM.GU\U4.UD（“跳跃的行星”）。巴比伦对水星的记录可以追溯到公元前一千年。巴比伦人以他们神话中的众神使者的名字（Nabu）命名水星。

希腊天文学家克罗狄斯·托勒密在他的著作《行星假说》中写到了行星凌日穿过太阳表面的可能性。他表示，没有观测到凌日，要么是因为水星等行星太小，看不见，要么是凌日太罕见。

在中国古代，水星被称为“辰星”. 它与玄学五相体系中的北向和水相联系在一起。现代中国、韩国、日本和越南文化将它字面上称为“水星”, 以五行为基础。印度神话中用布达（Budha）这个名字来代表水星，而这个神被认为是星期三的主持者。[159]日耳曼神话中的神奥丁（Odin或Woden）与水星和星期三有关。玛雅人可能将水星描绘成一只猫头鹰（或者可能是四只猫头鹰；两只代表早晨，两只代表晚上），充当通往冥界的信使。

在中世纪的伊斯兰天文学中，11世纪的安达卢西亚天文学家阿布·伊沙克·伊卜鲁哈姆·扎奎（AbúIshāq Ibrāhīm al-Zarqālī）将水星的地心轨道描述为椭圆形，就像鸡蛋一样。这一见解并没有影响他的天文学理论或天文学计算。在12世纪，伊本·巴贾（Ibn Bajjah）观察到“两颗行星是太阳表面的黑点”，后来马拉加天文学家Qotb al-Din Shirazi在13世纪认为这是水星和/或金星的凌日。大多数这样的中世纪凌日报告后来都被视为对太阳黑子的观测。

在印度，喀拉拉邦学派的天文学家Nilakantha Somayaji在15世纪开发了一个部分日心行星模型，其中水星绕太阳运行，而太阳又绕地球运行，类似于第谷·布拉赫后来在16世纪末提出的第谷系统。

地面望远镜研究

1610年，托马斯·哈里奥特（Thomas Harriot）和伽利略·伽利莱（Thomas Harriot）对水星进行了第一次望远镜观测。1612年，西蒙·马吕斯（Simon Marius）观察到水星的亮度随行星轨道位置的变化而变化，并得出结论，水星的相位“与金星和月球相同”。1631年，皮埃尔·加森迪（Pierre Gassendi）第一次用望远镜观测到水星凌日，当时他看到的是约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler）预测的水星凌日。1639年，乔瓦尼·祖皮（Giovanni Zupi）用望远镜发现水星的轨道相位与金星和月球相似。观测结果确凿地证明水星绕太阳运行。

天文学中有一类罕见的事件是一颗行星在另一颗行星前面经过（掩星）。水星和金星每隔几个世纪就会相互遮掩，1737年5月28日约翰·贝维斯（John Bevis）在皇家格林威治天文台观测到了水星金星的掩星事件，是历史上唯一观测到的水星金星的掩星事件。下一次金星对水星的掩星将在2133年12月3日。

观测水星的固有困难意味着它的研究远远少于其他行星。1800年约翰·施罗特（Johann Schröter）对地表特征进行了观测，声称观测到了20公里高的山脉。弗里德里希·贝塞尔（Friedrich Bessel）使用施罗德（Schröter）的图纸错误地估计旋转周期为24小时，轴向倾斜为70°。在19世纪80年代，乔瓦尼·斯基亚帕雷利（Giovanni Schiaparelli）更准确地绘制了这颗行星的地图，并提出水星的自转周期为88天，与潮汐锁定导致的轨道周期相同。这种现象被称为同步旋转。欧金尼奥斯·安东尼亚迪（Eugenios Antoniadi）继续绘制水星表面的地图，他于1934年出版了一本书，其中包括地图和他自己的观测结果。水星的许多表面特征，特别是反照率特征，都取自安东尼亚迪的地图。

1962年6月，在弗拉基米尔·科捷尔尼科夫（Vladimir Kotelnikov)的领导下，苏联科学院无线电工程与电子研究所的苏联科学家第一次接收到从水星上反射的雷达信号，开始对水星进行雷达观测。三年后，美国人戈登·H·佩滕吉尔（Gordon H. Pettengill）和罗尔夫·B·戴斯（Rolf B. Dyce）使用在波多黎各的300米宽的阿雷西博射电望远镜进行的雷达观测最终表明，这颗行星的自转周期约为59天。水星自转是同步的理论已经被广泛接受，当这些无线电观测结果被宣布时，天文学家感到惊讶。如果水星被潮汐锁定，它黑暗的表面将非常寒冷，但无线电发射的测量显示，它比预期的要热得多。天文学家不愿放弃同步旋转理论，并提出了强大的热分布风等替代机制来解释观测结果。

1965年，意大利天文学家朱塞佩·科伦坡（Giuseppe Colombo）指出，自转值约为水星轨道周期的三分之二，并提出水星的轨道周期和自转周期锁定在3:2而不是1:1的共振中。水手10号探测器的数据随后证实了这一观点。这意味着斯基亚帕雷利（Schiaparelli）和安东尼亚迪（Antoniadi）的地图没有“错误”。相反，天文学家都看到了相同的特征，并将其记录下来，但当水星的另一面朝向太阳时，他们忽略了在此期间看到的特征。因为轨道几何形状意味着相关的观测是在恶劣的观测条件下进行的。

直到第一个太空探测器飞过水星，它的许多最基本的形态特性才为人所知。技术进步也改善了地面观测。2000年，威尔逊山天文台1.5米的海尔望远镜进行了高分辨率成像观测。他们提供了第一批视图，解决了水手10号探测器任务中没有成像的水星部分的表面特征。阿雷西博雷达望远镜以5公里的分辨率绘制水星的大部分地图，其中包括可能是水冰的阴影陨石坑中的极地沉积物。

因为水星的轨道比地球离太阳更近，到达水星的太空探测任务带来了重大的技术挑战。从地球发射的前往水星的航天器必须穿越9100万公里并进入太阳的引力势阱。水星的轨道速度为47.4公里/秒，而地球的轨道速度是29.8公里/秒。与火星行星任务相比，航天器必须在速度上做出更大的变化才能到达水星，然后进入轨道。这个速度变化预算的一部分可以在金星的一次或多次飞越期间通过重力辅助来提供。为了安全着陆或进入稳定轨道，航天器将完全依靠火箭发动机。因为水星的大气层可以忽略不计所以空气制动被排除在外。水星之旅需要比完全逃离太阳系所需的更多的火箭燃料。因此，到目前为止，只有三个太空探测器访问过它。还有一种可能的替代方法是使用太阳帆来到达水星绕太阳的同步轨道。

水手 10（Mariner 10）

第一艘访问水星的太空探测器是美国航空航天局的水手10号探测器（1974–1975）。水手10号利用金星的引力调整其轨道速度，使其能够接近水星，这使其成为第一个使用这种引力“弹弓”效应的航天器，也是美国国家航空航天局首次访问多颗行星的任务。水手10号提供了水星表面的第一张特写图像，这张图像立即显示了水星表面坑坑洼洼的性质，并揭示了许多其他类型的地质特征，例如后来被认为是由于水星铁芯冷却时略有收缩的影响而形成的巨大陡崖。不幸的是，水手10号的每一次近距离接近都照亮了地球的同一面。这使得无法对行星两侧进行近距离观测，并导致绘制了不到45%的行星表面地图。

飞船三次接近水星，其中最接近的一次距离水星表面327公里。在第一次近距离接近时，仪器检测到了磁场，这让行星地质学家非常惊讶——水星的自转速度预计太慢，无法产生显著的发电机效应。第二次近距离接近时主要用于成像，在第三次近距离接近时，获得了大量的磁数据。数据显示，这颗行星的磁场很像地球的磁场，它会使太阳风在行星周围偏转。在水手10号探测器之后的许多年里，水星磁场的起源一直是几个相互竞争的理论的主题。1975年3月24日，就在最后一次接近八天后，水手10号耗尽了燃料。由于无法再精确控制其轨道，任务控制人员指示探测器关闭。水手10号被认为仍在绕太阳运行，每隔几个月就会接近水星。

信使 MESSENGER 

2004年8月3日，美国航空航天局发射了第二次水星任务，名为信使号MESSENGER(MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging)。它于2005年8月飞越地球，并于2006年10月和2007年6月飞越金星，将其置于正确的轨道上，到达绕水星的轨道。水星的第一次飞越发生在2008年1月14日，第二次飞越发生于2008年10月6日，第三次飞越于2009年9月29日。水手10号探测器没有成像的大部分半球都是在这些飞越过程中绘制的。2011年3月18日，探测器成功进入环绕地球的椭圆轨道。水星的第一张轨道图像于2011年3月29日获得。探测器完成了为期一年的测绘任务，然后进入了一个为期一年、延长至2013年的任务。除了对水星的持续观测和测绘外，信使号还观测到了2012年的太阳极大期。

此次任务旨在解决六个关键问题：水星的高密度、地质历史、磁场性质、核心结构、两极是否有冰，以及脆弱的大气层来自哪里。为此，探测器携带了成像设备，可以收集比水手10号探测器更高分辨率的水星图像，各种光谱仪可以确定地壳中元素的丰度，磁力计和设备可以测量带电粒子的速度。对探测器轨道速度变化的测量预计将用于推断行星内部结构的细节。信使号的最后一次机动是在2015年4月24日，它于2015年4月份30日撞上了水星表面。飞船与水星的撞击发生在美国东部时间2015年4季度30日下午3:26:01，留下了一个直径估计为16米（52英尺）的弹坑。

BepiColombo

贝皮可伦坡号（英语：BepiColombo，日语：ベピ・コロンボ）是由欧洲航天局（ESA）与日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）所合作的水星探测计划，于2018年10月20日发射升空。此计划包含了两颗轨道器：水星行星轨道器（Mercury Planetary 轨道飞行器，MPO）与水星磁层轨道器（Mercury Magnetospheric Orbiter，MMO，昵称：MIO）。贝皮可伦坡号探测器将对水星进行全面深入的研究，包括它的磁场，磁层，内部结构和地表特征。经过多年的计划和筹备工作，贝皮可伦坡号项目于2009年获得ESA批准，它是ESA的Horizon 2000+计划的第三个也是最后一个任务。发射后，它将一次飞越地球、两次飞越金星、五次飞越水星，最终在2025年进入水星轨道。然后轨道飞行器分离，并使用化学推进器调整其轨道，并于2026年初开始其主要科学任务。该太空探测器的主要目标是：研究靠近太阳的行星的起源和演化，研究水星的形态、内部、结构、地质、成分和陨石坑，研究水星的外逸层、组成和动力学，包括产生和逃逸，研究水星的磁化包层（磁层）——结构和动力学，调查水星磁场的起源，通过高精度测量验证阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论。贝皮可伦坡号在2021年10月1日的一次飞越中首次看到了水星。

水星探测属于深空探测领域，具备深空探测的普适性探测意义，即科学层面上揭示太阳系起源与演化、解答行星形成和生命起源等基础科学问题；经济层面上牵动创新科技的发展，促进材料、控制、制造等领域的发展，进而带动国家经济发展；政治层面上彰显国家综合国力和科学发展水平，激励青少年探索和创新的科学精神，激发人民爱国热情。此外，水星因其独特的属性具有其特异性的探测意义。

水星的轨道运动在自然理论的发展和验证中具有关键作用，这是因为水星的轨道受到太阳和其他行星的引力扰动影响。这种影响表现为水星绕太阳轨道上的微小旋转或进动。这个每世纪大约9.5角秒（0.16度）的微小运动已为人们所熟知已有两个世纪，实际上，除了大约7%的轨道运动（相当于43角秒或0.012度）可以用艾萨克·牛顿提出的普遍引力理论来解释。然而，这种微小差异太大，不能被忽视，因此人们提出了解释，通常涉及到尚未被发现的额外行星在水星轨道内。

在1915年，阿尔伯特·爱因斯坦证明了他的广义相对论可以解释这一微小差异，从而将水星轨道的进动变成了广义相对论的重要验证观测。此后，水星被用于其他相对论测试，这些测试利用了这一事实：当水星位于太阳和地球的另一侧（合日）时，必须经过太阳附近。广义相对论预测，由于太阳的强大引力扭曲了周围的时空，移动的电磁信号将在此区域中遵循略有不同的路径，所需的传播时间也略有不同。通过比较反射回来的雷达信号与广义相对论的具体预测，科学家成功进行了第二次重要的相对论验证。

2023年12月，行星研究所（Planetary Research Institute）的一项新研究表明，外星生命可能比人类以前想象的还要陌生，而且离地球更近——外星生命可能存在水星北极的冰川中，隐藏在这颗本来不适合人类居住的行星表面之下。