扶搖直上三億裏——極寒與熾熱相伴的遙遠星球丨Calling太空_風聞

編者按：“浩瀚的空天還有許多未知的奧秘有待探索”，為此，中科院之聲與中國科學院國家空間科學中心聯合開設“Calling太空”科普專欄，為大家講述有趣的故事，介紹一些與空間科學和航天相關的知識。****

水星（Mercury），在中國古代又稱辰星，是太陽系的八大行星中最小且最靠近太陽的一顆。水星的直徑只有4880km，僅為地球直徑的三分之一。距離太陽的平均距離只有5800萬公里，且表面缺乏大氣，晝夜温差極大，向陽面温度最高可達到+432℃，背陽面温度可低至-172℃。由於離太陽很近，太陽對水星的吸引力很強，所以水星也是圍繞太陽跑的最快的行星，繞太陽一圈只要88個地球日。

圖1 水星（圖片來源：NASA）

相對於月球的百餘次探測的歷史來説，人類對於水星的瞭解知之甚少。NASA曾梳理出水星的十大主要科學問題有：（1）水星的密度為什麼那麼高？（2）水星的磁場特徵是什麼？（3）水星的地質演化過程如何？（4）水星兩極有水冰嗎？（5）水星的外層有哪些揮發性成分？（6）在沒有電離層的情況下，行星際磁場怎樣與太陽風相互作用？（7）水星大氣的主要成分是什麼？（8）水星磁層是由什麼構成的？重離子起什麼作用？（9）水星核的結構和狀態是什麼樣的？（10）水星的外殼是由什麼構成的？

早在公元前3000年，水星被閃族人發現。1631年，英國天文學家托馬斯·哈里奧特（Thomas Harriot）與意大利天文學家伽利略·伽利萊（Galileo Galilei）使用新發明的望遠鏡觀測到了水星，同年，法國科學家皮埃爾·伽桑狄（Pierre Gassendi）使用望遠鏡觀測到了水星凌日。

1991年，天文學家們通過地基射電望遠鏡在水星兩極檢測到異常明亮的雷達亮斑，雷達反射率和極化特徵的結果與火星南極極冠相似，由於水星的轉軸傾角很小，兩極地區存在太陽無法照射的永久陰影區，水冰可能會存在極區環形山底部，因此天文學家推測在水星的南北兩極環形山底部可能存在水冰。

圖2 阿雷西博天文台獲得的水星北極地區的雷達圖像。黃色區域表示雷達反射率高的區域（圖片來源：NASA）

由於探測水星的空間環境惡劣，迄今為止，僅有“水手10號（Mariner 10）”探測器和“信使號（MESSENGER）”探測器到達過水星。

1973年11月，NASA成功發射水手10號探測器，水手10號是第一個連續探測兩顆行星的探測器。他通過飛越金星上空對金星表面進行探測後，又藉助金星的引力改變運動的速度和方向繼續飛行，最終進入近日點在水星軌道上的日心軌道，開展對水星的飛越探測。在1974年到1975年間，水手10號對水星進行了3次飛越探測，共發回5000多張照片，探測了水星表面大約45%的區域。水手10號的探測結果表明，水星表面與月球相似，由岩石組成，由於經受過隕石撞擊，密密麻麻布滿了大大小小的環形山、盆地和坑穴等。水手10號還確定了水星存在全球性的偶極磁場，磁場強度是地球的1%。探測出水星極稀薄的外逸層中含有微量的He、Ar、Ne等元素。水手10號的探測數據填補了人類對水星的認知空白。

1973年11月3日水手10號發射升空（圖片來源：NASA）

水手10號第一次飛越水星拍攝的照片（圖片來源：NASA）

在水手10號完成對水星首次探測的30年後，NASA確定了信使號探測任務作為“發現”（Discovery）任務之一，對水星進行更加深入的探測和了解。

信使號探測器，英文名為MESSENGER，取自MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging的首字母，譯為水星表面，空間環境，地球化學，測距。2004 年 8 月 3 日在美國佛羅里達州卡納維拉爾空軍基地搭載Delta II運載火箭發射升空，在長達6年多的飛行過程中，共飛行了約79億公里，進行了5次軌道修正。經過了6次行星飛越借力後， 於2011年3月成功進入水星環繞軌道並開展探測，成為首個環繞水星的空間探測器。

信使號探測器主要任務目標是研究水星的化學構成、地質學和磁場，獲得水星三維圖像、表面化學特徵、內部磁場以及幾何結構等數據。

信使號探測器飛行示意圖（圖片來源：NASA）

2004年8月3日信使號探測器發射升空（圖片來源：NASA）

信使號探測器經過五次軌道修正，六次飛越探測最終抵達水星（圖片來源：NASA）

信使號探測器主要任務目標是研究水星的化學構成、地質學和磁場，獲得水星三維圖像、表面化學特徵、內部磁場以及幾何結構等數據。

為完成這些任務，信使號探測器共配置7台科學載荷，包括：磁強計（MAG）、γ射線與中子光譜儀(GRNS)、X射線光譜儀(XRS)、水星大氣與表面成分光譜儀(MASCS)、高能粒子與等離子體光譜儀(EPPS)、水星雙重成像系統(MDIS)、水星激光高度計(MLA)。

信使號探測器共配置7台有效載荷（圖片來源：據NASA數據編輯）

信使號探測器載荷配置佈局圖（圖片來源：據NASA數據編輯）

信使號擬解決的關鍵科學問題、科學目標和科學載荷探測目標如下：

信使號探測器的六個關鍵科學問題對應的科學目標和科學載荷探測目標（圖片來源：據參考文獻２ 編輯）

信使號探測器在水星環繞軌道上對其進行了為期四年的全面探測，從根本上改變了我們對水星的認知，主要探測對象包括水星表層、內核、外逸層、磁場、磁氣圈以及行星際空間，獲得了大量的科學探測數據和豐富的科學產出，包括：水星北極藴藏着水冰和有機化合物、火山作用在形成水星表面形態方面發揮了重要作用、水星是揮發分豐富的行星、水星表面具有明顯的化學不均一性等，同時完成了水星全球物質成分分佈的測繪、水星磁氣圈的3D模型建模、水星北半球的地形剖面圖和重力場探測圖的探測研究等任務。

鎂/硅和鋁/硅的分佈圖説明了水星表面具有明顯的化學不均一性（圖片來源：NASA）

信使號探測器MLA載荷繪製的水星北半球詳細地形圖（圖片來源：NASA）

在這其中，信使號探測器為水星兩極地區存在水冰提供的科學數據更是里程碑級的發現。信使號攜帶的γ射線與中子光譜儀（GRNS）對水星兩極開展探測，經科學家們對其探測數據研究表明，此前利用地基雷達觀測到水星兩極反射率異常區域確實探測到了氫的存在，在這些區域存在“富氫層”，該“富氫層”位於厚度小於10到20釐米的水星表層之下。同時，使用水星激光高度計（MLA）和水星雙重成像系統（MDIS）首次對水星北極極區進行觀測，獲取到北極極區光譜變化、以及詳細地形等信息，進一步證實了阿雷西博望遠鏡和水星γ射線與中子譜儀對極區的探測結果。這一發現為早期水星極區永久陰影區存在水冰的假説提供了有力的支撐。

紅色區域為信使號測量到的永久陰影區，黃色亮斑是地基雷達觀測結果，這一鑲嵌圖表明地基雷達的極區反射率異常部分都位於信使號測量的永久陰影區內。（圖片來源：NASA）

信使號探測數據認為極區存在水冰的區域（黃色部分）（圖片來源：NASA）

2015年4月30日，信使號的推進劑耗盡，最終按照計劃撞擊水星表面，結束了將近11年的飛行任務，在水星北極接近Suisei Planitia的Janácek火山口的地方（北緯54.44°，東經210.12°）留下了一個直徑約15米的撞擊坑。

信使號探測器於2015年4月30日以撞擊水星的方式結束其探測使命（圖片來源：NASA）

作為太陽系的最內側行星，水星探測有助於揭示太陽系起源與演化等重大科學問題，在人類僅有的兩次水星探測任務後——水手10號和信使號，歐空局（ESA）和日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)合作研製的“貝皮-科倫坡（Bepi Colombo）”號正在“奔水”的過程中，“貝皮-科倫坡”號包括兩個探測器：水星行星軌道器和水星磁氣圈軌道器，預計2025年12月進入水星環繞軌道，開展協同探測任務，“貝皮-科倫坡”號的科學數據將極大的促進人類對水星的認識。期待在未來“奔水”的路途中也將出現中國研製的探測器的身影。

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6. James V. McAdams,Robert W. Farquhar,Anthony H. Taylor,Bobby G. Williams. MESSENGER Mission Design and Navigation[J]. Space Science Reviews,2007,131(1-4).

來源：中國科學院國家空間科學中心、中國科學院月球與深空探測總體部