冰火糾結(jié)的世界——聚焦水星探測(cè)

□ 何 研

美國在2004年8月發(fā)射的“信使號(hào)”水星探測(cè)器，經(jīng)過6年多時(shí)間，飛行近90億公里，終于在今年3月進(jìn)入環(huán)繞水星的橢圓形軌道，成為人類第一個(gè)環(huán)繞水星飛行的探測(cè)器。

水星雖然也屬于太陽系中的內(nèi)行星，但因離太陽太近，溫度太高，觀察相當(dāng)困難；離地球較遠(yuǎn)，探測(cè)器直接飛行探測(cè)難度較大，至今只有兩個(gè)探測(cè)器進(jìn)行過飛掠探測(cè)。因此，水星上有許多謎團(tuán)吸引著好奇的深空探索者們。

信使插翅快飛翔

水星在中國古代又稱辰星，在西方被稱為墨丘利，也就是羅馬神話中的信使。傳說他帽插雙翅，腳蹬飛靴，手握魔杖，行走如飛，頗有水星運(yùn)行疾速、稍縱即逝的特點(diǎn)。

水星是離太陽最近的一個(gè)行星，到太陽的平均距離只有5791萬公里，繞太陽運(yùn)行的軌道是扁長形的，近日點(diǎn)僅有4600萬公里，遠(yuǎn)日點(diǎn)卻有7000多萬公里。

水星是圍繞太陽跑得最快的行星。由于離太陽最近，太陽對(duì)水星吸引力很強(qiáng)，水星繞日公轉(zhuǎn)的軌道速度每秒達(dá)48公里，比地球每秒快18公里，繞太陽一圈只要88個(gè)地球日。

水星是八大行星中最小的行星，直徑只有4879公里，是地球直徑的三分之一強(qiáng)；體積是地球的562%，18個(gè)水星合起來才能抵上一個(gè)地球；質(zhì)量是地球的5%多一點(diǎn)，只比月球大三分之一。水星面對(duì)太陽一面的溫度達(dá)427度，背對(duì)太陽一面的溫度則低到零下173度，溫差600度，被稱為“冰與火的世界”。

水星的外表很像月球。水星表面布滿了環(huán)形山、大平原、盆地、輻射紋和斷崖。環(huán)形山也以地球上的名人命名，不過月球環(huán)形山多以天文學(xué)家、科學(xué)家命名，水星則多以文學(xué)藝術(shù)家命名，在已命名的300多個(gè)環(huán)形山中，有15個(gè)是以中國歷代文學(xué)藝術(shù)家的姓名命名的，像李白、白居易等都名列其中。

水星的內(nèi)部卻更像地球。水星有磁場(chǎng)和磁層，雖然只有地球磁場(chǎng)強(qiáng)度的1%，但也是偶極磁場(chǎng)。水星也有地殼、地幔和地核。地核可能是一個(gè)巨大的鐵疙瘩，比整個(gè)月球還要大，直徑有3600公里，質(zhì)量占水星全部質(zhì)量的70%-80%，成為水星的支配者。外殼主要是硅酸鹽，厚度只有500公里到600公里。

人類對(duì)水星的探測(cè)很少，對(duì)水星上的許多現(xiàn)象缺乏了解，比如水星為什么存在磁層、是不是曾經(jīng)有過火山活動(dòng)、是不是存在水冰、為什么會(huì)有大氣、地核為什么那樣厚重等等，而對(duì)這些問題的探究又對(duì)認(rèn)識(shí)地球的演變、行星的演變、太陽系的演變以及它們的相互影響都有著重要的意義。

“水手”先期探路忙

直到上個(gè)世紀(jì)70年代初，人類才用航天探測(cè)器對(duì)水星進(jìn)行了近距離的探測(cè)。第一個(gè)對(duì)水星開展近距離探測(cè)的是美國發(fā)射的“水手10號(hào)”探測(cè)器。

“水手號(hào)”是美國在上世紀(jì)60年代到70年代發(fā)射的系列行星和行星際探測(cè)器，主要探測(cè)金星和火星及其周圍空間。這個(gè)系列探測(cè)器共計(jì)發(fā)射10個(gè)，最后一個(gè)“水手10號(hào)”是世界上第一個(gè)雙星觀測(cè)器，主要對(duì)金星和水星進(jìn)行探測(cè)。

“水手10號(hào)”是美國1973年11月發(fā)射的，在1974年2月探測(cè)了金星之后，借助金星的引力改變軌道，進(jìn)入一條以176天為周期的繞日飛行橢圓形軌道。這條軌道的近日點(diǎn)正好與水星公轉(zhuǎn)的橢圓形軌道的遠(yuǎn)日點(diǎn)交會(huì)，使“水手10號(hào)”每隔半年能與水星靠近一次，可對(duì)水星進(jìn)行近距離探測(cè)。

“水手10號(hào)”從1974年3月到1975年3月先后三次與水星相遇。第一次距離水星表面431公里，第二次距離4800公里，第三次最近只有320公里，共發(fā)回全景、近景和特寫照片5000多張，覆蓋了水星45%的表面，分辨率可達(dá)1000米，對(duì)研究水星提供了極其寶貴的資料。

從圖片中第一次發(fā)現(xiàn)，水星的表面酷似月球，密布著大大小小的環(huán)形山，保持著早期曾受隕石轟擊的痕跡，證明未經(jīng)風(fēng)化，也說明水星大氣非常稀薄。從圖片上還發(fā)現(xiàn)包括卡路里盆地在內(nèi)的100多個(gè)具有放射條紋的環(huán)形坑，四周布滿蜘蛛網(wǎng)式的溝壑，沒有發(fā)現(xiàn)被侵蝕的痕跡，說明不存在水。

“水手10號(hào)”探測(cè)了水星的溫度和大氣，測(cè)出極其稀薄的大氣中含有微量的氦、汽化鈉和氧。發(fā)現(xiàn)水星有磁場(chǎng)，磁場(chǎng)位形與地球相似，因太陽風(fēng)中帶電粒子的壓力，使水星磁場(chǎng)發(fā)生變化，也形成一個(gè)與地球類似的磁層。由于探測(cè)到水星的密度很大，推算水星可能有一個(gè)質(zhì)量巨大的鐵質(zhì)內(nèi)核。

“信使”親密會(huì)信使

1997年正式立項(xiàng)、2004年8月3日正式發(fā)射的“信使號(hào)”水星探測(cè)器是人類第一個(gè)真正意義上的水星探測(cè)器。

根據(jù)地球與水星9100公里距離，探測(cè)器用3個(gè)月的時(shí)間就可直飛到達(dá)，但這需要帶上一枚巨大的制動(dòng)火箭來解決太陽對(duì)探測(cè)器的強(qiáng)大引力。美國華人女科學(xué)家陳婉妍設(shè)計(jì)了一種借助地球、金星和水星引力改變探測(cè)器飛行軌道的辦法，達(dá)到繞飛入軌的目的，這就使飛行時(shí)間從3個(gè)月延長到6年半。

按照這種設(shè)計(jì)，“信使號(hào)”從2004年8月發(fā)射升空，2005年7月一次飛越地球，2006年10月和2007年6月兩次飛越金星，2008年1月、2008年10月和2009年9月三次飛越水星，直到2011年3月最終將探測(cè)器從繞太陽軌道送入環(huán)水星軌道。如此復(fù)雜的軌道設(shè)計(jì)充分展示了人類的聰明才智。

“信使號(hào)”的全名是“水星表面、空間環(huán)境、地質(zhì)化與測(cè)距宇宙飛船”，攜帶了7種科學(xué)儀器，科學(xué)目標(biāo)有6項(xiàng)，主要是為什么水星的密度那么高、水星具有何種地質(zhì)形成過程、水星核具有怎樣的構(gòu)成和形態(tài)、水星具有何種磁場(chǎng)特征、水星兩極的異常物質(zhì)是什么、水星表面的哪些不穩(wěn)定物質(zhì)對(duì)其外大氣層的形成起了重要作用等。

“信使號(hào)”已三次飛掠水星進(jìn)行探測(cè)，每次都獲得了新的突破。第一次飛掠時(shí)，拍攝了1200多張水星圖片，記錄了以前從未見過的地形地貌，發(fā)現(xiàn)了火山活動(dòng)在水星表面平原形成過程中起了重要作用。第二次飛掠水星，首次窺見了水星西半球的真面目，傳回1200多張水星圖片。從蜘蛛地形結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)水星可能在不斷收縮、老化。第三次飛掠使拍攝覆蓋面積超過95%以上。

今年3月正式進(jìn)入的繞水星飛行軌道，是大橢圓形軌道，軌道距離水星表面最近距離為200公里，最遠(yuǎn)距離達(dá)15193公里，軌道周期為12小時(shí)。在這一軌道上將進(jìn)行為期一年的探測(cè)，完成探測(cè)任務(wù)后將殞落在水星上。

“貝皮·科倫布號(hào)”探測(cè)器

攜手探測(cè)解迷茫

繼美國的“信使號(hào)”之后，近年來，歐洲空間局和日本也在積極研制水星探測(cè)器，名為“貝皮·科倫布號(hào)”。

這一探測(cè)器由歐洲空間局的“水星行星軌道器”、日本的“水星磁層軌道器”和一個(gè)“水星轉(zhuǎn)移模塊”組成?！八切行擒壍榔鳌笔侵魈綔y(cè)器，攜帶11臺(tái)儀器，主要研究水星表面和內(nèi)部成分；“水星磁層軌道器”是次探測(cè)器，攜帶5臺(tái)儀器，集中研究水星周圍的磁層；為使兩個(gè)探測(cè)器攜手奔向水星，歐洲空間局研制了一個(gè)“水星轉(zhuǎn)移模塊”，將提供飛往水星的所需要的電推進(jìn)和化學(xué)推進(jìn)。

“貝皮·科倫布號(hào)”主要完成5項(xiàng)任務(wù)：一是用高科技設(shè)備完成對(duì)水星最全面、清晰度最高的觀測(cè)；二是拍攝首批熱成像照片，確定水星表面成分，生成整體溫度圖；三是提供第一幅水星表面特征的整體三維圖；四是對(duì)水星引力環(huán)境進(jìn)行有史以來最全面的數(shù)字測(cè)量；五是首次進(jìn)行雙點(diǎn)研究，歐洲與日本的兩個(gè)水星軌道探測(cè)器同時(shí)在兩個(gè)地區(qū)對(duì)水星環(huán)境展開研究。

“貝皮·科倫布號(hào)”計(jì)劃在2013年8月用俄羅斯的火箭發(fā)射，將一方面利用太陽能電推進(jìn)裝置提供推力，一方面借用月球、地球、金星和水星本身的引力，形成一種新穎的力量組合，用6年多時(shí)間，飛行約70億公里。

在2019年抵近水星后，“水星轉(zhuǎn)移模塊”首先分離，兩個(gè)軌道器進(jìn)入圍繞水星的極軌道；到達(dá)“水星磁層軌道器”的軌道時(shí)，“水星行星軌道器”再分離，逐步下降到自身工作軌道；“水星行星軌道器”上還有一個(gè)水星表面單元，將在水星的一極著陸，進(jìn)行為期一周的水星表面探測(cè)。