"浩瀚的空天還有許多未知的奧秘有待探索。"

水星（Mercury），在中國(guó)古代又稱(chēng)辰星，是太陽(yáng)系的八大行星中最小且最靠近太陽(yáng)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(yáng)的平均距離只有5800萬(wàn)公里，且表面缺乏大氣，晝夜溫差極大，向陽(yáng)面溫度最高可達(dá)到+432℃，背陽(yáng)面溫度可低至-172℃。由于離太陽(yáng)很近，太陽(yáng)對(duì)水星的吸引力很強(qiáng)，所以水星也是圍繞太陽(yáng)跑的最快的行星，繞太陽(yáng)一圈只要88個(gè)地球日。

水星 / NASA

相對(duì)于月球的百余次探測(cè)的歷史來(lái)說(shuō)，人類(lèi)對(duì)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(wèn)題有：

1/ 水星的密度為什么那么高？

2/ 水星的磁場(chǎng)特征是什么？

3/ 水星的地質(zhì)演化過(guò)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(méi)有電離層的情況下，行星際磁場(chǎng)怎樣與太陽(yáng)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(guó)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(cè)到了水星，同年，法國(guó)科學(xué)家皮埃爾·伽桑狄（Pierre Gassendi）使用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到了水星凌日。

1991年，天文學(xué)家們通過(guò)地基射電望遠(yuǎn)鏡在水星兩極檢測(cè)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(yáng)無(wú)法照射的永久陰影區(qū)，水冰可能會(huì)存在極區(qū)環(huán)形山底部，因此天文學(xué)家推測(cè)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(tái)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(cè)水星的空間環(huán)境惡劣，迄今為止，僅有“水手10號(hào)（Mariner 10）”探測(cè)器和“信使號(hào)（MESSENGER）”探測(cè)器到達(dá)過(guò)水星。

1973年11月，NASA成功發(fā)射水手10號(hào)探測(cè)器，水手10號(hào)是第一個(gè)連續(xù)探測(cè)兩顆行星的探測(cè)器。他通過(guò)飛越金星上空對(duì)金星表面進(jìn)行探測(cè)后，又借助金星的引力改變運(yùn)動(dòng)的速度和方向繼續(xù)飛行，最終進(jìn)入近日點(diǎn)在水星軌道上的日心軌道，開(kāi)展對(duì)水星的飛越探測(cè)。在1974年到1975年間，水手10號(hào)對(duì)水星進(jìn)行了3次飛越探測(cè)，共發(fā)回5000多張照片，探測(cè)了水星表面大約45%的區(qū)域。水手10號(hào)的探測(cè)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(guò)隕石撞擊，密密麻麻布滿(mǎn)了大大小小的環(huán)形山、盆地和坑穴等。水手10號(hào)還確定了水星存在全球性的偶極磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度是地球的1%。探測(cè)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(hào)的探測(cè)數(shù)據(jù)填補(bǔ)了人類(lèi)對(duì)水星的認(rèn)知空白。

1973年11月3日水手10號(hào)發(fā)射升空 / NASA

水手10號(hào)第一次飛越水星拍攝的照片 / NASA

在水手10號(hào)完成對(duì)水星首次探測(cè)的30年后，NASA確定了信使號(hào)探測(cè)任務(wù)作為“發(fā)現(xiàn)”（Discovery）任務(wù)之一，對(duì)水星進(jìn)行更加深入的探測(cè)和了解。

信使號(hào)探測(cè)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(cè)距。2004 年 8 月 3 日在美國(guó)佛羅里達(dá)州卡納維拉爾空軍基地搭載Delta II運(yùn)載火箭發(fā)射升空，在長(zhǎng)達(dá)6年多的飛行過(guò)程中，共飛行了約79億公里，進(jìn)行了5次軌道修正。經(jīng)過(guò)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(kāi)展探測(cè)，成為首個(gè)環(huán)繞水星的空間探測(cè)器。

信使號(hào)探測(cè)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(chǎng)，獲得水星三維圖像、表面化學(xué)特征、內(nèi)部磁場(chǎng)以及幾何結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)。

信使號(hào)探測(cè)器飛行示意圖 / NASA

2004年8月3日信使號(hào)探測(cè)器發(fā)射升空 / NASA

信使號(hào)探測(cè)器經(jīng)過(guò)五次軌道修正，六次飛越探測(cè)最終抵達(dá)水星 / NASA

信使號(hào)探測(cè)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(chǎng)，獲得水星三維圖像、表面化學(xué)特征、內(nèi)部磁場(chǎng)以及幾何結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)。

為完成這些任務(wù)，信使號(hào)探測(cè)器共配置7臺(tái)科學(xué)載荷，包括：磁強(qiáng)計(jì)（MAG）、γ射線(xiàn)與中子光譜儀(GRNS)、X射線(xiàn)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(jì)(MLA)。

信使號(hào)探測(cè)器共配置7臺(tái)有效載荷 / 據(jù)NASA數(shù)據(jù)編輯

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

信使號(hào)擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題、科學(xué)目標(biāo)和科學(xué)載荷探測(cè)目標(biāo)如下：

信使號(hào)探測(cè)器的六個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題對(duì)應(yīng)的科學(xué)目標(biāo)和科學(xué)載荷探測(cè)目標(biāo) / 據(jù)參考文獻(xiàn)２ 編輯

信使號(hào)探測(cè)器在水星環(huán)繞軌道上對(duì)其進(jìn)行了為期四年的全面探測(cè)，從根本上改變了我們對(duì)水星的認(rèn)知，主要探測(cè)對(duì)象包括水星表層、內(nèi)核、外逸層、磁場(chǎng)、磁氣圈以及行星際空間，獲得了大量的科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)和豐富的科學(xué)產(chǎn)出，包括：水星北極蘊(yùn)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(shí)完成了水星全球物質(zhì)成分分布的測(cè)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(chǎng)探測(cè)圖的探測(cè)研究等任務(wù)。

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

信使號(hào)探測(cè)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(hào)探測(cè)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(jí)的發(fā)現(xiàn)。信使號(hào)攜帶的γ射線(xiàn)與中子光譜儀（GRNS）對(duì)水星兩極開(kāi)展探測(cè)，經(jīng)科學(xué)家們對(duì)其探測(cè)數(shù)據(jù)研究表明，此前利用地基雷達(dá)觀測(cè)到水星兩極反射率異常區(qū)域確實(shí)探測(cè)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(shí)，使用水星激光高度計(jì)（MLA）和水星雙重成像系統(tǒng)（MDIS）首次對(duì)水星北極極區(qū)進(jìn)行觀測(cè)，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(shí)了阿雷西博望遠(yuǎn)鏡和水星γ射線(xiàn)與中子譜儀對(duì)極區(qū)的探測(cè)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(shuō)提供了有力的支撐。

紅色區(qū)域?yàn)樾攀固?hào)測(cè)量到的永久陰影區(qū)，黃色亮斑是地基雷達(dá)觀測(cè)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(hào)測(cè)量的永久陰影區(qū)內(nèi)。/ NASA

信使號(hào)探測(cè)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(hào)的推進(jìn)劑耗盡，最終按照計(jì)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(gè)直徑約15米的撞擊坑。

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

作為太陽(yáng)系的最內(nèi)側(cè)行星，水星探測(cè)有助于揭示太陽(yáng)系起源與演化等重大科學(xué)問(wèn)題，在人類(lèi)僅有的兩次水星探測(cè)任務(wù)后——水手10號(hào)和信使號(hào)，歐空局（ESA）和日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)合作研制的“貝皮-科倫坡（Bepi Colombo）”號(hào)正在“奔水”的過(guò)程中，“貝皮-科倫坡”號(hào)包括兩個(gè)探測(cè)器：水星行星軌道器和水星磁氣圈軌道器，預(yù)計(jì)2025年12月進(jìn)入水星環(huán)繞軌道，開(kāi)展協(xié)同探測(cè)任務(wù)，“貝皮-科倫坡”號(hào)的科學(xué)數(shù)據(jù)將極大的促進(jìn)人類(lèi)對(duì)水星的認(rèn)識(shí)。期待在未來(lái)“奔水”的路途中也將出現(xiàn)中國(guó)研制的探測(cè)器的身影。

參考文獻(xiàn) /

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來(lái)源 / 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心、中國(guó)科學(xué)院月球與深空探測(cè)總體部


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