水星表面布满环形山(Calling太空)

编者按："浩瀚的空天还有许多未知的奥秘有待探索"，为此，中科院之声与中国科学院国家空间科学中心联合开设“Calling太空”科普专栏，为大家讲述有趣的故事，介绍一些与空间科学和航天相关的知识。

水星（Mercury），在中国古代又称辰星，是太阳系的八大行星中最小且最靠近太阳的一颗。水星的直径只有4880km，仅为地球直径的三分之一。距离太阳的平均距离只有5800万公里，且表面缺乏大气，昼夜温差极大，向阳面温度最高可达到 432℃，背阳面温度可低至-172℃。由于离太阳很近，太阳对水星的吸引力很强，所以水星也是围绕太阳跑的最快的行星，绕太阳一圈只要88个地球日。

(资料图片)

图1 水星（图片来源：NASA）

相对于月球的百余次探测的历史来说，人类对于水星的了解知之甚少。NASA曾梳理出水星的十大主要科学问题有：（1）水星的密度为什么那么高？（2）水星的磁场特征是什么？（3）水星的地质演化过程如何？（4）水星两极有水冰吗？（5）水星的外层有哪些挥发性成分？（6）在没有电离层的情况下，行星际磁场怎样与太阳风相互作用？（7）水星大气的主要成分是什么？（8）水星磁层是由什么构成的？重离子起什么作用？（9）水星核的结构和状态是什么样的？（10）水星的外壳是由什么构成的？

早在公元前3000年，水星被闪族人发现。1631年，英国天文学家托马斯·哈里奥特（Thomas Harriot）与意大利天文学家伽利略·伽利莱（Galileo Galilei）使用新发明的望远镜观测到了水星，同年，法国科学家皮埃尔·伽桑狄（Pierre Gassendi）使用望远镜观测到了水星凌日。

1991年，天文学家们通过地基射电望远镜在水星两极检测到异常明亮的雷达亮斑，雷达反射率和极化特征的结果与火星南极极冠相似，由于水星的转轴倾角很小，两极地区存在太阳无法照射的永久阴影区，水冰可能会存在极区环形山底部，因此天文学家推测在水星的南北两极环形山底部可能存在水冰。

图2 阿雷西博天文台获得的水星北极地区的雷达图像。黄色区域表示雷达反射率高的区域（图片来源：NASA）

由于探测水星的空间环境恶劣，迄今为止，仅有“水手10号（Mariner 10）”探测器和“信使号（MESSENGER）”探测器到达过水星。

1973年11月，NASA成功发射水手10号探测器，水手10号是第一个连续探测两颗行星的探测器。他通过飞越金星上空对金星表面进行探测后，又借助金星的引力改变运动的速度和方向继续飞行，最终进入近日点在水星轨道上的日心轨道，开展对水星的飞越探测。在1974年到1975年间，水手10号对水星进行了3次飞越探测，共发回5000多张照片，探测了水星表面大约45%的区域。水手10号的探测结果表明，水星表面与月球相似，由岩石组成，由于经受过陨石撞击，密密麻麻布满了大大小小的环形山、盆地和坑穴等。水手10号还确定了水星存在全球性的偶极磁场，磁场强度是地球的1%。探测出水星极稀薄的外逸层中含有微量的He、Ar、Ne等元素。水手10号的探测数据填补了人类对水星的认知空白。

1973年11月3日水手10号发射升空（图片来源：NASA）

水手10号第一次飞越水星拍摄的照片（图片来源：NASA）

在水手10号完成对水星首次探测的30年后，NASA确定了信使号探测任务作为“发现”（Discovery）任务之一，对水星进行更加深入的探测和了解。

信使号探测器，英文名为MESSENGER，取自MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging的首字母，译为水星表面，空间环境，地球化学，测距。2004 年 8 月 3 日在美国佛罗里达州卡纳维拉尔空军基地搭载Delta II运载火箭发射升空，在长达6年多的飞行过程中，共飞行了约79亿公里，进行了5次轨道修正。经过了6次行星飞越借力后， 于2011年3月成功进入水星环绕轨道并开展探测，成为首个环绕水星的空间探测器。

信使号探测器主要任务目标是研究水星的化学构成、地质学和磁场，获得水星三维图像、表面化学特征、内部磁场以及几何结构等数据。

信使号探测器飞行示意图（图片来源：NASA）

2004年8月3日信使号探测器发射升空（图片来源：NASA）

信使号探测器经过五次轨道修正，六次飞越探测最终抵达水星（图片来源：NASA）

信使号探测器主要任务目标是研究水星的化学构成、地质学和磁场，获得水星三维图像、表面化学特征、内部磁场以及几何结构等数据。

为完成这些任务，信使号探测器共配置7台科学载荷，包括：磁强计（MAG）、γ射线与中子光谱仪(GRNS)、X射线光谱仪(XRS)、水星大气与表面成分光谱仪(MASCS)、高能粒子与等离子体光谱仪(EPPS)、水星双重成像系统(MDIS)、水星激光高度计(MLA)。

信使号探测器共配置7台有效载荷（图片来源：据NASA数据编辑）

信使号探测器载荷配置布局图（图片来源：据NASA数据编辑）

信使号拟解决的关键科学问题、科学目标和科学载荷探测目标如下：

信使号探测器的六个关键科学问题对应的科学目标和科学载荷探测目标（图片来源：据参考文献２ 编辑）

信使号探测器在水星环绕轨道上对其进行了为期四年的全面探测，从根本上改变了我们对水星的认知，主要探测对象包括水星表层、内核、外逸层、磁场、磁气圈以及行星际空间，获得了大量的科学探测数据和丰富的科学产出，包括：水星北极蕴藏着水冰和有机化合物、火山作用在形成水星表面形态方面发挥了重要作用、水星是挥发分丰富的行星、水星表面具有明显的化学不均一性等，同时完成了水星全球物质成分分布的测绘、水星磁气圈的3D模型建模、水星北半球的地形剖面图和重力场探测图的探测研究等任务。

镁/硅和铝/硅的分布图说明了水星表面具有明显的化学不均一性（图片来源：NASA）

信使号探测器MLA载荷绘制的水星北半球详细地形图（图片来源：NASA）

在这其中，信使号探测器为水星两极地区存在水冰提供的科学数据更是里程碑级的发现。信使号携带的γ射线与中子光谱仪（GRNS）对水星两极开展探测，经科学家们对其探测数据研究表明，此前利用地基雷达观测到水星两极反射率异常区域确实探测到了氢的存在，在这些区域存在“富氢层”，该“富氢层”位于厚度小于10到20厘米的水星表层之下。同时，使用水星激光高度计（MLA）和水星双重成像系统（MDIS）首次对水星北极极区进行观测，获取到北极极区光谱变化、以及详细地形等信息，进一步证实了阿雷西博望远镜和水星γ射线与中子谱仪对极区的探测结果。这一发现为早期水星极区永久阴影区存在水冰的假说提供了有力的支撑。

红色区域为信使号测量到的永久阴影区，黄色亮斑是地基雷达观测结果，这一镶嵌图表明地基雷达的极区反射率异常部分都位于信使号测量的永久阴影区内。（图片来源：NASA）

信使号探测数据认为极区存在水冰的区域（黄色部分）（图片来源：NASA）

2015年4月30日，信使号的推进剂耗尽，最终按照计划撞击水星表面，结束了将近11年的飞行任务，在水星北极接近Suisei Planitia的Janácek火山口的地方（北纬54.44°，东经210.12°）留下了一个直径约15米的撞击坑。

信使号探测器于2015年4月30日以撞击水星的方式结束其探测使命（图片来源：NASA）

作为太阳系的最内侧行星，水星探测有助于揭示太阳系起源与演化等重大科学问题，在人类仅有的两次水星探测任务后——水手10号和信使号，欧空局（ESA）和日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)合作研制的“贝皮-科伦坡（Bepi Colombo）”号正在“奔水”的过程中，“贝皮-科伦坡”号包括两个探测器：水星行星轨道器和水星磁气圈轨道器，预计2025年12月进入水星环绕轨道，开展协同探测任务，“贝皮-科伦坡”号的科学数据将极大的促进人类对水星的认识。期待在未来“奔水”的路途中也将出现中国研制的探测器的身影。

参考文献：

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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).

来源：中国科学院国家空间科学中心、中国科学院月球与深空探测总体部

关键词： 天文学家 中国科学院