"浩瀚的空天還有許多未知的奧秘有待探索。"

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，晝夜溫差極大，向陽面溫度最高可達(dá)到+432℃，背陽面溫度可低至-172℃。由于離太陽很近，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。

水星 / NASA

相對于月球的百余次探測的歷史來說，人類對于水星的了解知之甚少。NASA曾梳理出水星的十大主要科學(xué)問題有：

1/ 水星的密度為什么那么高？

2/ 水星的磁場特征是什么？

3/ 水星的地質(zhì)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(fā)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(fēng)相互作用？

7/ 水星大氣的主要成分是什么？

8/ 水星磁層是由什么構(gòu)成的？重離子起什么作用？

9/ 水星核的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)是什么樣的？

10/ 水星的外殼是由什么構(gòu)成的？

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

1991年，天文學(xué)家們通過地基射電望遠(yuǎn)鏡在水星兩極檢測到異常明亮的雷達(dá)亮斑，雷達(dá)反射率和極化特征的結(jié)果與火星南極極冠相似，由于水星的轉(zhuǎn)軸傾角很小，兩極地區(qū)存在太陽無法照射的永久陰影區(qū)，水冰可能會存在極區(qū)環(huán)形山底部，因此天文學(xué)家推測在水星的南北兩極環(huán)形山底部可能存在水冰。

阿雷西博天文臺獲得的水星北極地區(qū)的雷達(dá)圖像。黃色區(qū)域表示雷達(dá)反射率高的區(qū)域 / NASA

由于探測水星的空間環(huán)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(dá)過水星。

1973年11月，NASA成功發(fā)射水手10號探測器，水手10號是第一個連續(xù)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(jìn)行探測后，又借助金星的引力改變運動的速度和方向繼續(xù)飛行，最終進(jìn)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(jìn)行了3次飛越探測，共發(fā)回5000多張照片，探測了水星表面大約45%的區(qū)域。水手10號的探測結(jié)果表明，水星表面與月球相似，由巖石組成，由于經(jīng)受過隕石撞擊，密密麻麻布滿了大大小小的環(huán)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(shù)據(jù)填補了人類對水星的認(rèn)知空白。

1973年11月3日水手10號發(fā)射升空 / NASA

水手10號第一次飛越水星拍攝的照片 / NASA

在水手10號完成對水星首次探測的30年后，NASA確定了信使號探測任務(wù)作為“發(fā)現(xiàn)”（Discovery）任務(wù)之一，對水星進(jìn)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(huán)境，地球化學(xué)，測距。2004 年 8 月 3 日在美國佛羅里達(dá)州卡納維拉爾空軍基地搭載Delta II運載火箭發(fā)射升空，在長達(dá)6年多的飛行過程中，共飛行了約79億公里，進(jìn)行了5次軌道修正。經(jīng)過了6次行星飛越借力后， 于2011年3月成功進(jìn)入水星環(huán)繞軌道并開展探測，成為首個環(huán)繞水星的空間探測器。

信使號探測器主要任務(wù)目標(biāo)是研究水星的化學(xué)構(gòu)成、地質(zhì)學(xué)和磁場，獲得水星三維圖像、表面化學(xué)特征、內(nèi)部磁場以及幾何結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)。

信使號探測器飛行示意圖 / NASA

2004年8月3日信使號探測器發(fā)射升空 / NASA

信使號探測器經(jīng)過五次軌道修正，六次飛越探測最終抵達(dá)水星 / NASA

信使號探測器主要任務(wù)目標(biāo)是研究水星的化學(xué)構(gòu)成、地質(zhì)學(xué)和磁場，獲得水星三維圖像、表面化學(xué)特征、內(nèi)部磁場以及幾何結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)。

為完成這些任務(wù)，信使號探測器共配置7臺科學(xué)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(tǒng)(MDIS)、水星激光高度計(MLA)。

信使號探測器共配置7臺有效載荷 / 據(jù)NASA數(shù)據(jù)編輯

信使號探測器載荷配置布局圖 / 據(jù)NASA數(shù)據(jù)編輯

信使號擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題、科學(xué)目標(biāo)和科學(xué)載荷探測目標(biāo)如下：

信使號探測器的六個關(guān)鍵科學(xué)問題對應(yīng)的科學(xué)目標(biāo)和科學(xué)載荷探測目標(biāo) / 據(jù)參考文獻(xiàn)２ 編輯

信使號探測器在水星環(huán)繞軌道上對其進(jìn)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(rèn)知，主要探測對象包括水星表層、內(nèi)核、外逸層、磁場、磁氣圈以及行星際空間，獲得了大量的科學(xué)探測數(shù)據(jù)和豐富的科學(xué)產(chǎn)出，包括：水星北極蘊藏著水冰和有機(jī)化合物、火山作用在形成水星表面形態(tài)方面發(fā)揮了重要作用、水星是揮發(fā)分豐富的行星、水星表面具有明顯的化學(xué)不均一性等，同時完成了水星全球物質(zhì)成分分布的測繪、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(wù)。

鎂/硅和鋁/硅的分布圖說明了水星表面具有明顯的化學(xué)不均一性 / NASA

信使號探測器MLA載荷繪制的水星北半球詳細(xì)地形圖 / NASA

在這其中，信使號探測器為水星兩極地區(qū)存在水冰提供的科學(xué)數(shù)據(jù)更是里程碑級的發(fā)現(xiàn)。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(jīng)科學(xué)家們對其探測數(shù)據(jù)研究表明，此前利用地基雷達(dá)觀測到水星兩極反射率異常區(qū)域確實探測到了氫的存在，在這些區(qū)域存在“富氫層”，該“富氫層”位于厚度小于10到20厘米的水星表層之下。同時，使用水星激光高度計（MLA）和水星雙重成像系統(tǒng)（MDIS）首次對水星北極極區(qū)進(jìn)行觀測，獲取到北極極區(qū)光譜變化、以及詳細(xì)地形等信息，進(jìn)一步證實了阿雷西博望遠(yuǎn)鏡和水星γ射線與中子譜儀對極區(qū)的探測結(jié)果。這一發(fā)現(xiàn)為早期水星極區(qū)永久陰影區(qū)存在水冰的假說提供了有力的支撐。

紅色區(qū)域為信使號測量到的永久陰影區(qū)，黃色亮斑是地基雷達(dá)觀測結(jié)果，這一鑲嵌圖表明地基雷達(dá)的極區(qū)反射率異常部分都位于信使號測量的永久陰影區(qū)內(nèi)。/ NASA

信使號探測數(shù)據(jù)認(rèn)為極區(qū)存在水冰的區(qū)域（黃色部分）/ NASA

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

信使號探測器于2015年4月30日以撞擊水星的方式結(jié)束其探測使命 / NASA

作為太陽系的最內(nèi)側(cè)行星，水星探測有助于揭示太陽系起源與演化等重大科學(xué)問題，在人類僅有的兩次水星探測任務(wù)后——水手10號和信使號，歐空局（ESA）和日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)合作研制的“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(yù)計2025年12月進(jìn)入水星環(huán)繞軌道，開展協(xié)同探測任務(wù)，“貝皮-科倫坡”號的科學(xué)數(shù)據(jù)將極大的促進(jìn)人類對水星的認(rèn)識。期待在未來“奔水”的路途中也將出現(xiàn)中國研制的探測器的身影。

參考文獻(xiàn) /

1. 焦維新,陳鴻飛.深空探測的歷史、現(xiàn)狀與未來[J].航天器工程,2006(02):39-44.

2. Solomon S C , Jr M N , Gold R E , et al. MESSENGER Mission Overview[J]. Space Science Reviews, 2007, 131(1-4):3-39.

3. 王帥.水星探測意義及發(fā)展歷程研究[J].國際太空,2018(11):6-11.

4. 博引.信使號進(jìn)入水星軌道 成為世界上第顆水星探測衛(wèi)星[J].國際太空,2011(05):31-39.

5. 李澤明,李元.水星的探測與研究進(jìn)展[J/OL].地球化學(xué):1-26[2021-04-21].https://doi.org/10.19700/j.0379-1726.2021.01.013.

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(xué)院國家空間科學(xué)中心、中國科學(xué)院月球與深空探測總體部


關(guān)注【深圳科普】微信公眾號，在對話框：
回復(fù)【最新活動】，了解近期科普活動
回復(fù)【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回復(fù)【研學(xué)營】，了解最新科普研學(xué)營
回復(fù)【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書籍】，了解最新科普書籍
回復(fù)【團(tuán)體定制】，了解最新團(tuán)體定制活動
回復(fù)【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【觀鳥知識】，學(xué)習(xí)觀鳥相關(guān)科普知識
回復(fù)【博物學(xué)院】，了解更多博物學(xué)院活動詳情