Sao Thủy

Dị thường quay và hệ quả

Sao Thủy quay quanh trục của nó được ba vòng trong hai chu kỳ quỹ đạo quanh Mặt Trời, khi lấy các ngôi sao cố định làm hệ quy chiếu. Nếu nhìn từ Mặt Trời, trong hệ quy chiếu quay theo quỹ đạo chuyển động, Sao Thủy chỉ quay được 1 vòng trong hai chu kỳ quỹ đạo của hành tinh. Tỉ số chính xác này là do ảnh hưởng của hiện tượng khóa thủy triều. Còn nếu một người đứng trên Sao Thủy, họ sẽ chỉ thấy Mặt Trời di chuyển 1 lần trên nền trời, hay chỉ có 1 "ngày" trong 2 "năm" Sao Thủy.
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. Trong thời gian một năm của ban "ngày", Mặt Trời di chuyển rất chậm trên bầu trời từ chân trời phía đông sang chân trời phía tây, trong khi hành tinh đã hoàn thành một vòng quỹ đạo quanh Mặt Trời, đi qua cả điểm cận nhật và điểm viễn nhật. Tại điểm cận nhật, cường độ ánh sáng chiếu lên bề mặt hành tinh cao gấp hai lần khi nó ở điểm viễn nhật. Có những điểm trên bề mặt bị Mặt Trời chiếu sáng liên tục trong cả "ngày" khi nó ở điểm cận nhật. Những nơi này do vậy trở nên rất nóng. Những nơi mà Mặt Trời ở trên cao bầu trời trong thời gian hành tinh ở điểm viễn nhật có nhiệt độ thấp hơn so với lúc cận nhật.
Sự chênh lệch nhiệt độ lúc cận nhật và viễn nhật còn tăng theo sự biến đổi của tốc độ chuyển động biểu kiến Mặt Trời trên bầu trời của Sao Thủy. Càng gần điểm cận nhật, Sao Thủy có vận tốc quỹ đạo cao hơn khi nó tiến đến điểm viễn nhật. (Xem ở đây.) Gần điểm cận nhật, vận tốc góc quỹ đạo Sao Thủy tăng đáng kể gần bằng vận tốc góc tự quay quanh trục, tính theo những ngôi sao cố định ở xa. Trong lúc này, nếu nhìn từ Mặt Trời, chúng ta sẽ chỉ thấy được một mặt bán cầu Sao Thủy luôn hướng về phía Mặt Trời, giống như một bán cầu Mặt Trăng luôn hướng về Trái Đất. Quá trình một bán cầu hướng về Mặt Trời trong thời gian lâu làm tăng cường bức xạ Mặt Trời chiếu lên bán cầu này trong thời điểm Sao Thủy ở gần điểm cận nhật. Quá trình ngược lại xảy ra khi hành tinh ở gần điểm viễn nhật, khi Mặt Trời dường như di chuyển nhanh hơn trên nền trời Sao Thủy.
Ở một nơi bất kỳ trên bề mặt hành tinh, có một chu kỳ biến đổi nhiệt độ lặp lại hàng "ngày" trên Sao Thủy. 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 nơi 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.

Hố và bồn địa va chạm

Các hố va chạm trên Sao Thủy có đường kính từ những hốc nhỏ cho đến những hố nhiều vành rộng hàng trăm kilômét. Chúng đều ở trạng thái bị "phong hóa" dần, từ những hố tỏa tia tương đối mới cho đến những hố tồn tại từ lâu chỉ còn lại dấu vết mờ. Các hố va chạm trên Sao Thủy khác rõ rệt so với hố va chạm trên Mặt Trăng bởi phạm vi vật liệu bị bắn ra nhỏ hơn sau những cú va chạm của thiên thạch, đây là hệ quả của trường hấp dẫn mạnh hơn của Sao Thủy so với của Mặt Trăng. Theo quy ước của IAU, những hố va chạm mới phát hiện phải 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 Sao Thủy.
Hố va chạm lớn nhất là Bồn địa Caloris có đường kính bằng 1.550 km. 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. Tại điểm đối cực của Bồn địa Caloris là một vùng diện tích lớn có địa hình đồi mà các nhà khoa học gọi là "Địa hình Kỳ lạ" ("Weird Terrain"). Nguồn gốc hình thành vùng này 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 làm đứt gãy bề mặt hành tinh tại vùng này. Một giả thuyết khác cho rằng "Địa hình Kỳ lạ" hình thành do sự hội tụ của vật liệu bắn ra từ cú va chạm mạnh này.
Trên toàn bề mặt Sao Thủy đã được chụp ảnh có khoảng 15 lòng chảo va chạm. Lòng chảo Tolstoj đường kính 400 km có nhiều bờ vành với đặc trưng nổi bật đó là vật liệu bắn ra từ lòng chảo này kéo dài tới 500 km từ bờ vành và trong lòng chảo đã bị những vật liệu lấp đầy thành địa hình bằng phẳng. Bồn địa Beethoven có phạm vi vật liệu bắn ra tương tự và có đường kính bờ vành 625 km. Giống như Mặt Trăng, bề mặt Sao Thủy cũng 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

Có hai vùng đồng bằng khác nhau về mặt địa chất trên Sao Thủy. Những đồng bằng liên miệng núi lửa / hố va chạm là những đặc điểm cổ nhất trên bề mặt, trước khi bề mặt hành tinh bị bắn phá bởi các thiên thạch. Những 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 các hố với đường kính dưới 30 km. Người ta vẫn không biết rõ chúng có nguồn gốc từ các hố va chạm hay là miệng núi lửa.
Những đồng bằng trơn phẳng là những vùng rộng lớn có cao độ thấp và hình dáng tương tự "biển" trên Mặt Trăng. Điển hình là, chúng chiếm đầy một vành rộng quanh Bồn địa Caloris. Không giống như biển trên Mặt Trăng, những đồng bằng trơn phẳng trên Sao Thủy có suất phản chiếu ánh sáng như của những đồng bằng liên miệng núi lửa cổ. Mặc dù thiếu đi những đặc điểm của sự hoạt động núi lửa, địa mạo giống thùy cục bộ ủng hộ giả thuyết cho rằng chúng có nguồn gốc núi lửa. Mọi đồng bằng trơn phẳng đều hình thành sau Bồn địa Caloris, bởi vì chúng có khá nhiều hố va chạm nhỏ so với vùng có vật liệu bắn ra từ Bồn địa. Nền của Bồn địa Caloris chứa nhiều địa hình phẳng phân biệt về mặt địa chất, ngăn cách bởi những dãy đất cao và những khe nứt gãy xếp thành hình đa giác. Các nhà khoa học không biết rõ là địa hình này do dung nham núi lửa lấp đầy hay do vật liệu nóng chảy xuất hiện từ các vụ thiên thạch rơi xuống.
Một đặc điểm khác thường trên bề mặt Sao Thủy đó là sự xuất hiện của nhiều vách núi cắt qua các đồng bằng. Khi lõi hành tinh lạnh đi, lớp vỏ của nó co lại và dẫn đến địa hình bề mặt bị biến dạng, sụt xuống tạo ra những vách đá này. Những nếp gấp này còn xuất hiện bên trên các hố va chạm hay ở đồng bằng trơn phẳng, và có lẽ những nếp gấp / vách đá này mới hình thành gần đây. Bề mặt Sao Thủy còn chịu sức hút của lực thủy triều từ Mặt Trời làm cho bề mặt như được dâng lên giống như thủy triều lên xuống—lực thủy triều của Mặt Trời tác động lên Sao Thủy lớn gấp 17 lần lực thủy triều của Mặt Trăng lên Trái Đất.

Môi trường bề mặt và "Khí quyển"

Nhiệt độ bề mặt của Sao Thủy dao động từ 100 K (-173⁰C) đến 700 K (427⁰C) 
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. Vùng được Mặt Trời chiếu sáng có nhiệt độ gần 700 K tại điểm cận nhật sau đó giảm xuống 550 K ở điểm viễn nhật. 
Ở mặt tối của hành tinh này, nhiệt độ trung bình là 110 K. 
Cường độ bức xạ Mặt Trời trên bề mặt Sao Thủy nằm trong khoảng 4,59 đến 10,61 lần hằng số Mặt Trời (1.370 W•m⁻²).
Mặc dù nhiệt độ ban ngày trên bề mặt Sao Thủy nhìn chung cực kỳ cao, nhưng các quan sát cho rằng băng (nước) có tồn tại trên Sao Thủy. Đáy của các hố va chạm sâu ở các cực chưa bao giờ tiếp xúc trực tiếp ánh sáng Mặt Trời, và nhiệt độ ở đây duy trì dưới 102 K; rất thấp so với nhiệt độ trung bình của hành tinh này. Băng nước phản xạ rất mạnh với sóng radar, và các quan sát từ kính thiên văn Goldstone đường kính 70 m và VLA trong đầu thập niên 1990 đã tiết lộ rằng có những "miền" phản xạ rất mạnh sóng ra đa ở gần các cực. Trong khi băng không phải là nguyên nhân duy nhất gây ra sự phản xạ mạnh ở các vùng này, các nhà thiên văn học tin rằng điều này có khả năng xảy ra rất cao.
Các 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. So sánh với các hành tinh khác, 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. Các nhà khoa học vẫn chưa biết rõ nguồn gốc băng trên Sao Thủy, nhưng hai nguồn có thể xảy ra là từ sự thoát hơi nước trong lòng hành tin hoặc đến từ các sao chổi rơi xuống Sao Thủy.
Với khối lượng quá nhỏ, Sao Thủy không đủ sức bảo tồn bầu khí quyển của nó – các nguyên tử trong bầu khí quyển liên tục bị mất vào trong không gian vì sức hút của trọng lực quá yếu. Hành tinh có một "tầng khí quyển ngoài" rất mong manh chứa hiđrô, heli, ôxy, natri, canxi, kali và các 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. Các nguyên tử hiđrô và heli có thể do gió Mặt Trời mang đến, khuếch tán vào từ quyển của Sao Thủy trước khi thoát trở lại vào không gian. Phân rã phóng xạ của các nguyên tố trong lớp vỏ của Sao Thủy là một nguồn khác cung cấp lượng heli, cũng như natri và kali. MESSENGER đã phát hiện một tỉ lệ lớn các nguyên tố canxi, heli, hydroxit, magiê, ôxy, kali, silic và natri. Hơi nước cũng có mặt, 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 ôxy từ trong đá, và thăng hoa từ các bể băng bị chôn vùi vĩnh cửu trong các hố va chạm tại hai cực tối. Việc phát hiện ra một lượng lớn nước liên quan đến các ion như O⁺, OH⁻, và H₂O⁺ là một điều rất ngạc nhiên đối với các nhà khoa học. Do số lượng các ion này xuất hiện trong môi trường không gian quanh Sao Thủy, các nhà khoa học phỏng đoán rằng các phân tử này có thể được thổi đi từ bề mặt hoặc ngoại quyển bởi gió Mặt Trời.
Các nhà khoa học cũng thấy tồn tại natri, kali và canxi trong bầu khí quyển hành tinh vào thập niên 1980-1990, và họ cho đây là kết quả của sự bốc hơi các đá trên bề mặt khi các tiểu thiên thạch va chạm vào Sao Thủy. Năm 2008, thiết bị trên tàu MESSENGER phát hiện ra nguyên tố magiê. Các nghiên cứu chỉ ra rằng, sự phát thải natri xuất hiện ở một số khu vực tương ứng với các cực từ của hành tinh này. Điều này có thể là kết quả của sự tương tác giữa từ quyển và bề mặt của Thủy 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. Sean C. Solomon nới với tờ The New York Times là lượng băng trên Sao Thủy "đủ để bao phủ Washington, D.C., trong một lớp băng dày hai dặm rưỡi."

Quỹ đạo quanh mặt Trời và quay quanh trục

Quỹ đạo của Sao Thủy là một hình elip rất hẹp, độ dài của bán trục chính là 70 triệu km trong khi bán trục nhỏ chỉ có 46 triệu km. Vận tốc quỹ đạo của Sao Thủy rất cao vì ảnh hưởng trọng lực của Mặt Trời. Sao Thủy quay một vòng chung quanh Mặt Trời vào khoảng 88 ngày – một năm Sao Thủy, do đó, dài bằng 88 ngày của Trái Đất. Biểu đồ bên cạnh 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 Thủy Tinh theo khoảng thời gian 5 ngày. Hình vẽ bên 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 ra sự biến đổi phức tạp của nhiệt độ bề mặt Sao Thủy. Sự cộng hưởng này khiến 1 "ngày" trên Sao Thủy bằng chính xác hai "năm" của Sao Thủy, hay 176 ngày Trái Đất.
Mặt phẳng quỹ đạo của Sao Thủy nghiêng 7 độ so với mặt phẳng quỹ đạo của Trái Đất (mặt phẳng hoàng đạo), 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). Do vậy hiện tượng đi qua của Sao Thủy trên đĩa Mặt Trời chỉ xuất hiện khi hành tinh 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 xảy ra trung bình sau khoảng 7 năm Trái Đất.
Độ nghiêng trục quay của hành tinh gần như bằng 0, với giá trị tốt nhất đo được bằng 0,027 độ. Giá trị này nhỏ hơn hẳn so với của Sao Mộc, và là hành tinh có độ nghiêng trục quay nhỏ thứ hai với giá trị 3,1 độ. Điều này có nghĩa là một người nếu 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.
Ở một số điểm cụ thể trên bề mặt Sao Thủy, một số người có thể nhìn thấy Mặt Trời mọc một nửa đường, sau đó nó quay ngược lại và lại mọc trở lại, tất cả trong cùng một ngày Sao Thủy. Điều 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 Sao Thủy bằng vận tốc tự quay quanh trục của hành tinh do vậy chuyển động biểu kiến của Mặt Trời mất đi; càng gần điểm cận nhật hơn, vận tốc quỹ đạo góc của Sao Thủy vượt vận tốc góc tự quay. Từ đây, nếu một người đứng trên Sao Thủy, Mặt Trời hiện lên như là chuyển động theo hướng ngược lại. Bốn ngày sau khi hành tinh đi qua điểm cận nhật, 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, nhưng khoảng thời gian này có thể thay đổi từ 105 ngày đến 129 ngày do quỹ đạo elip lệch tâm của nó. Sao Thủy có thể cách Trái Đất một khoảng cách 77,3 triệu km, nhưng sẽ không gần hơn Trái Đất một khoảng 80 triệu km cho đến năm 28.622 AD. Lần tiếp cận tới với khoảng cách 82,1 triệu km là vào năm 2679, và khoảng cách 82 triệu km vào năm 4487. 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. Khoảng thời gian biến đổi lớn như vậy là do độ lệch tâm quỹ đạo của Sao Thủy.

Cộng hưởng Tự quay-quỹ đạo

Trong nhiều năm các nhà thiên văn nghĩ rằng Sao Thủy bị khóa đồng bộ với Mặt Trời, nó tự quay được một vòng trong mỗi chu kỳ quỹ đạo và luôn luôn hướng một bán cầu về phía Mặt Trời, giống như một bán cầu của Mặt Trăng luôn hướng về phía Trái Đất. Quan trắc bằng radar năm 1965 chứng minh rằng hành tinh có cộng hưởng Tự quay-quỹ đạo 3:2, hành tinh 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—ở điểm cận nhật, khi lực thủy triều của Mặt Trời là mạnh nhất, và Mặt Trời gần như đứng yên trên nền trời của Sao Thủy.
Lý do ban đầu mà các nhà thiên văn nghĩ rằng hành tinh bị khóa đồng bộ với Mặt Trời đó là, 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 vậy luôn xuất hiện với cùng một bán cầu. Điều này là do, một cách 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. Do 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) 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.
Các mô phỏng trên máy tính cho thấy, độ lệch tâm quỹ đạo của Sao Thủy biến đổi hỗn loạn từ giá trị gần 0 (tròn) đến giá trị hơn 0,45 trong hàng triệu năm do ảnh hưởng nhiễu loạn từ các hành tinh khác. 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), do trạng thái này thường xuất hiện ở những vật thể có độ lệch tâm quỹ đạo lớn. Mô phỏng cũng cho kết quả trong tương lai do ảnh hưởng hấp dẫn của Sao Mộc làm tăng độ dài khoảng cách của điểm cận nhật trên quỹ đạo Sao Thủy và có 1% khả năng hành tinh này sẽ va chạm với Sao Kim trong khoảng 5 tỷ năm nữa.

Sự tiến động của điểm cận nhật

Năm 1859, nhà toán học và thiên văn học người Pháp Urbain Le Verrier thông báo phát hiện ra sự tiến động rất chậm của điểm cận nhật quỹ đạo Sao Thủy xung quanh Mặt Trời mà không thể giải thích đầy đủ bằng định luật vạn vật hấp dẫn của Newton và bởi lý thuyết nhiễu loạn do ảnh hưởng của các hành tinh khác. Ông 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 người 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. Do phát hiện thành công Sao Hải Vương dựa trên những tính toán nhiễu loạn quỹ đạo của Sao Thiên Vương khiến nhiều nhà thiên văn học tin rằng tồn tại một hành tinh chưa khám phá ở gần Mặt Trời mà họ đặt tên là "Vulcan", nhưng họ không bao giờ tìm thấy nó.
Sự tiến động của điểm cận nhật của quỹ đạo Sao Thủy bằng 5600 giây cung (1,5556°) trên một thế kỷ, trong khi 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. Năm 1915, lý thuyết tương đối tổng quát của Albert Einstein 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 cuối cùng 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 Sao Thủy biến đổi từ −2,6 (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). Hành tinh trở lên sáng nhất khi nó đến gần Mặt Trời. Chúng ta rất khó quan sát Sao Thủy bởi nó luôn gần Mặt Trời, và thường bị lu mờ đi bởi ánh sáng của Mặt Trời. Sao Thủy thường có thể quan sát bằng ống nhòm hay thậm chí bằng mắt thường và chỉ xuất hiện trong thời điểm ngắn trong lúc chạng vạng.
Sao Thủy, giống như một vài hành tinh và những ngôi sao sáng nhất, có thể nhìn thấy trong những lần nhật thực toàn phần.
Giống như Mặt Trăng và Sao Kim, Sao Thủy cũng trải qua các pha khi nhìn từ Trái Đất. Nó ở pha "mới" tại vị trí giao hội gần và pha "tròn" tại vị trí giao hội xa so với Trái Đất. Nhưng hành tinh gần như không thể quan sát được vì cả hai vị trí này nó đều bị lu mờ dưới ánh sáng Mặt Trời.
Về mặt kỹ thuật, Sao Thủy sáng nhất khi nó ở pha tròn. Tuy 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.
Nhưng thực tế, thời điểm Sao Thủy sáng nhất (pha tròn) thì giới thiên văn nghiệp dư lại không thể quan sát được do nó ở rất gần Mặt Trời trên bầu trời. Thời điểm quan sát Sao Thủy tốt nhất khi nó ở pha lưỡi liềm hoặc trương huyền, tuy lúc 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 hành 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° khi nó ở điểm cận nhật đến 27,8° khi ở điểm viễn nhật. Tại thời điểm có góc ly giác cực đại ở phía tây, Sao Thủy mọc sớm nhất hơn Mặt Trời, và tại góc ly giác cực đại ở hướng đông, nó lặn muộn nhất sau Mặt Trời.
Đứng trên mặt đất, tại những vĩ độ nhiệt đới và cận nhiệt đới, có thể quan sát Sao Thủy dễ hơn so với khi đứng tại những vùng có vĩ độ cao hơn. 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, do vậy khoảng thời gian lúc chạng vạng ngắn hơn, và (ii) ở những thời điểm thích hợp trong năm, mặt phẳng hoàng đạo cắt chân trời ở góc dốc đứng lớn, có nghĩa là Sao Thủy ở góc cao độ tương đối lớn (lên tới 28°) khi bầu trời hoàn toàn tối. Những điều kiện này có thể tồn tại, như 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.
Ở vĩ độ ở vùng ôn đới, có thể quan sát Sao Thủy dễ hơn khi đứng ở Nam bán cầu Trái Đất so với ở Bắc bán cầu. Điều này là do góc ly giác cực đại ở phía tây Mặt Trời xuất hiện khi quan sát hành tinh vào thời điểm đầu mùa thu ở bán cầu nam, trong khi 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. Ngược lại, tại những vùng vĩ độ ôn đối bắc bán cầu, Sao Thủy luôn chỉ lên cao vài độ so với chân trời; do đó khó và chỉ có thể quan sát được trong thời gian ngắn. Khi quan sát hành tinh này cần phải có kính lọc để giảm ảnh hưởng của ánh sáng Mặt Trời.
Nếu quan sát qua các kính thiên văn mặt đất thì chúng ta chỉ quan sát được Sao Thủy ở phần bán cầu sáng và chỉ thu được chi tiết bề mặt giới hạn. Tàu không gian đầu tiên trong số hai tàu từ trước đến nay (2013) thăm dò Sao Thủy đó là tàu Mariner 10, nó gửi về hình ảnh của 45% diện tích bề mặt hành tinh trong hai năm 1974 và 1975. Tàu thứ hai MESSENGER, sau ba lần bay qua Sao Thủy trong các năm 2008 tới 2009, nó đi vào quỹ đạo cực quay quanh Sao Thủy vào ngày 17 tháng 3 năm 2011, và gửi về dữ liệu gần như toàn bộ bề mặt hành tinh và những dữ liệu cần thiết khác.
Kính viễn vọng không gian Hubble không phải lúc nào cũng quan sát được Sao Thủy, do những thủ tục cần thiết để bảo vệ thiết bị camera khi hướng trực tiếp về phía gần Mặt Trời.

Thời cổ đại

Chứng tích sớm nhất ghi lại những quan sát Sao Thủy là từ bảng MUL.APIN của người Babylon thu thập. Những quan sát này do các nhà thiên văn cổ đại Assyria thực hiện ở thế kỷ XIV TCN. 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"). Những ghi chép của người Babylon về Sao Thủy có từ thế kỷ I TCN. Người Babylon gọi tên hành tinh là "Nabu" theo tên của vị thần thông điệp trong thần thoại của họ.
Thời đại Hēsíodos của Hy Lạp cổ đại gọi hành tinh này là Στίλβων (Stilbon), có nghĩa "sự lấp lánh", và Ἑρμάων (Hermaon). Sau đó người Hy Lạp gọi hành tinh là Apollo khi hành tinh xuất hiện vào sáng sớm, và Hermes khi nó xuất hiện vào buổi tối. Khoảng thế kỷ IV TCN, các nhà thiên văn Hy Lạp nhận ra hai thiên thể này là cùng một hành tinh, và Hermes (Ερμής: Ermis), là tên gọi của Sao Thủy trong tiếng Hy Lạp hiện đại. Tên gọi của hành tinh trong văn minh La Mã là, Mercury (Latin Mercurius), vị thần tương đương với thần Hermes của người Hy Lạp, do bởi hành tinh di chuyển nhanh hơn bất kỳ hành tinh nào 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.
Nhà thiên văn Ai Cập - La Mã Claudius Ptolemaeus từng viết về khả năng hành tinh đi qua đĩa Mặt Trời trong tác phẩm Giả thuyết hành tinh của ông. Ông nêu ra không thể quan sát thấy Sao Thủy đi qua Mặt Trời bởi vì hành tinh này 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. Trong tiếng Trung Quốc, Hàn Quốc, Nhật Bản và tiếng Việt hiện đại gọi hành tinh này là "Thủy Tinh", Sao Thủy (水星), dựa trên Ngũ Hành. Thần thoại Hindu sử dụng tên thần "Budha" cho Sao Thủy và vị thần này cai quản ngày thứ Tư. Thần Odin trong thần thoại German 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 thứ Tư trong tuần tương ứng với Sao Thủy và trong nhiều ngôn ngữ Latin ngày nay, ví dụ mercredi trong tiếng Pháp, miércoles trong tiếng Tây Ban Nha, hoặc miercuri trong tiếng Rumani vẫn mang từ gốc Latin của Sao Thủy. Tên gọi các bảy ngày trong tuần trong thế giới hiện đại đều tương ứng với mỗi một hành tinh biết đến từ thời cổ đại, cùng với Mặt Trời cho chủ Nhật.
Trong thiên văn học Hồi giáo, nhà thiên văn Abū Ishāq Ibrāhīm al-Zarqālī ở Al-Andalus vào thế kỷ XI miêu tả quỹ đạo của Sao Thủy có hình oval thay vì hình tròn, như hình quả trứng, mặc dù phát hiện này không ảnh hưởng đến lý thuyết của ông về các tính toán thiên văn học. Trong thế kỷ XII, Ibn Bajjah quan sát thấy "hai hành tinh giống như chấm đen trên đĩa Mặt Trời," mà sau đó vào 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.)
Nhà thiên văn Ấn Độ Nilakantha Somayaji của trường phái Kerala trong thế kỷ XV phát triển mô hình hệ hành tinh trong đó Sao Thủy quay quanh Mặt Trời, và Mặt Trời lại quay quanh Trái Đất; một mô hình tương tự như của Tycho Brahe đề xuất vào cuối thế kỷ XVI.

Nghiên cứu qua kính thiên văn trên mặt đất

Quan sát bầu trời bằng kính thiên văn đầu tiên do Galileo Galilei thực hiện và ông cũng là người đầu tiên quan sát Sao Thủy vào thập niên 1610. Mặc dù ông đã nhận ra các pha trên Sao Kim lúc đó, nhưng kính thiên văn của ông không đủ mạnh để nhận ra hiện tượng này trên Sao Thủy. Năm 1631 Pierre Gassendi là người đầu tiên dùng kính thiên văn quan sát hiện tượng đi qua đĩa Mặt Trời của hành tinh do Johannes Kepler tiên đoán. Năm 1639 Giovanni Battista Zupi phát hiện ra Sao Thủy cũng trải qua các pha giống như pha Mặt Trăng và Sao Kim. Những quan sát này củng cố thêm bằng chứng Sao Thủy quay quanh Mặt Trời.
Một hiện tượng hiếm gặp trong thiên văn đó là một hành tinh che khuất một hành tinh khác khi nhìn từ Trái Đất. Sao Thủy và Sao Kim che khuất lẫn nhau cách thời điểm vài thế kỷ, và sự kiện này xảy ra vào ngày 28 tháng 3 năm 1737, là một sự kiện duy nhất trong lịch sử cho đến nay được quan sát bởi nhà thiên văn John Bevis ở Đài quan sát Hoàng gia Greenwich. Lần Sao Kim che khuất Sao Thủy tiếp theo xảy ra vào ngày 3 tháng 12 năm 2133.
Những khó khăn trong quan sát Sao Thủy cũng làm cho hành tinh này ít được nghiên cứu so với các hành tinh khác. Năm 1800 Johann Schröter cố gắng quan sát chi tiết bề mặt Thủy Tinh, và tuyên bố đã nhìn thấy một ngọn núi cao 20 km trên hành tinh. 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°. Trong 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 giống như trường hợp Mặt Trăng của Trái Đất. Nhà thiên văn Eugenios Antoniadi tiếp tục nỗ lực vẽ bản đồ chi tiết hành tinh, và ông xuất bản một cuốn sách năm 1934 với những bản đồ và kết quả quan sát do ông thực hiện. Nhiều đặc điểm trên Sao Thủy, đặc biệt là những vùng có suất phản chiếu mạnh, đã được Antoniadi đặt tên trong các bản đồ của ông.
Tháng 6 năm 1962, 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, mở ra cách thức mới trong nghiên cứu hành tinh này. 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. Cho đến thời điểm này đa số các nhà thiên văn đều đồng ý về sự quay đồng bộ của Sao Thủy, và phát hiện qua quan trắc vô tuyến của các nhà khoa học Mỹ là một điều ngạc nhiên đối với họ. Nếu Sao Thủy bị khóa thủy triều, bán cầu tối của nó phải cực lạnh, nhưng các đo lường qua bức xạ vô tuyến cho thấy bán cầu này nóng hơn rất nhiều như dự tính. Các nhà thiên văn học phải miễn cưỡng từ bỏ lý thuyết về sự quay đồng bộ và đề xuất ra một cơ chế khác để giải thích; 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.
Nhà thiên văn học Italia Giuseppe Colombo nhận thấy chu kỳ tự quay bằng 2/3 chu kỳ quỹ đạo Sao Thủy, và 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 thường gặp. Data from Mariner 10 subsequently confirmed this view. Và như vậy các bản đồ của Schiaparelli và Antoniadi là thiếu chính xác. Quả 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. Mặt khác tốc độ tự quay của Sao Thủy thực tế lại rất chậm, và bán cầu được chiếu sáng chậm thay đổi cũng như độ mạnh của ánh sáng Mặt Trời làm cho những quan sát trở nên kém tin cậy.
Những quan sát bằng kính thiên văn quang học không mang lại nhiều thông tin mới về Sao Thủy, nhưng 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, cho phép loại bỏ ảnh hưởng của ánh sáng Mặt Trời. Qua phép đo giao thoa vô tuyến, họ thu được những đặc trưng vật lý và hóa học trên bề mặt cũng như ở độ sâu dưới vài mét của Sao Thủy. Cho đến tận khi các tàu không gian tiến hành thăm dò Sao Thủy, nhiều tính chất cơ bản của hành tinh vẫn chưa bị tiết lộ. Những tiến bộ về công nghệ quang học gần đây đã nâng cao khả năng quan sát từ mặt đất. Năm 2000, những quan sát thực hiện bởi kính thiên văn 1,5 mét ở Đài quan sát núi Wilson may mắn phát hiện thêm một số đặc điểm bề mặt mà trước đó không được tàu Mariner 10 phát hiện. Các 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.
Kính thiên văn vô tuyến Arecibo cũng đã thực hiện vẽ bản đồ bề mặt và quan sát các hành tinh khác, với độ phân giải 5 km, bao gồm những khối băng trong bóng tối ở vùng cực mà có thể là băng nước.

Thăm dò không gian

Nghiên cứu Sao Thủy bằng quan sát kính thiên văn mặt đất gặp phải những khó khăn về mặt kỹ thuật, do quỹ đạo hành tinh gần với Mặt Trời nên nó luôn bị ánh sáng làm lu mờ. Một tàu không gian phóng lên từ Trái Đất phải hành trình hơn 91 triệu kilômét vào vùng ảnh hưởng hấp dẫn của Mặt Trời. Sao Thủy có tốc độ trên quỹ đạo bằng 48 km/s, trong khi của Trái Đất xấp xỉ 30 km/s. Do vậy tàu không gian phải thực hiện sự thay đổi lớn trong vận tốc (delta-v) nhằm đi vào quỹ đạo chuyển dịch Hohmann nằm gần Sao Thủy, so với vận tốc delta-v cần thiết cho những phi vụ đến các hành tinh khác.
Thế năng của vật thể trong trường hấp dẫn Mặt Trời trở thành động năng của nó; đòi hỏi sự thay đổi lớn hơn trong delta-v nhằm đưa tàu không gian quay quanh nó hơn là chỉ bay lướt qua. Để có thể đi vào quỹ đạo quanh Sao Thủy các tàu không gian cần phải mang theo lượng lớn nhiên liệu cho động cơ tên lửa. Cũng không thể thực hiện hoạt động hãm phanh trong khí quyển bởi vì hành tinh này có khí quyển quá mỏng. Một chuyến hành trình đến Sao Thủy đòi hỏi nhiều nhiên liệu tên lửa hơn so với chỉ cần thoát ra khỏi Hệ Mặt Trời. Do đó, cho tới 2013 mới chỉ có hai tàu không gian thăm dò Sao Thủy. 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.