抵達(dá)水星的“信使”

　　
　　2011年3月17日，美國宇航局宣布，已在太空飛行6年半之久的信使號(hào)航天器當(dāng)天終于進(jìn)入環(huán)繞水星的軌道運(yùn)行，開始對(duì)其進(jìn)行為期一年的在軌探測，這引起了人們對(duì)信使號(hào)使命的關(guān)注。
　　水星是離太陽最近的行星，它到太陽的平均距離為5791萬千米。其直徑的平均值為4879千米，約是地球的三分之一。論個(gè)兒大小水星在太陽系八大行星中排行老末，但其平均密度卻達(dá)5.46克/立方厘米，僅次于地球。由此計(jì)算下來，水星的體積和質(zhì)量都是地球的5.6%左右。它和金星一樣，沒有天然衛(wèi)星，顯得特別寂寞。
　　水星不像地球那樣斜著身子繞太陽公轉(zhuǎn)，因而也沒有隨緯度不同的四季變化。作為類地行星的水星，有些物理參數(shù)接近地球，如宻度和年齡，其表面形狀和對(duì)陽光反射率又類似月球，故而對(duì)其探測和研究，可以幫助人類深化對(duì)地球和月球演變歷史和趨勢的認(rèn)識(shí)。
　　
　　水手10號(hào)的探測
　　
　　在信使號(hào)之前，人類只向水星發(fā)射過一個(gè)航天器—水手10號(hào)。它于1973年11月3日發(fā)射升空，最終進(jìn)入一條繞日運(yùn)行的周期為176天的橢圓軌道。該軌道的近日點(diǎn)與水星公轉(zhuǎn)軌道的遠(yuǎn)日點(diǎn)交會(huì)，以使航天器能對(duì)水星進(jìn)行探測。由于水手10號(hào)對(duì)水星采用飛掠式探測方式，故而探測次數(shù)有限，只有3次。
　　水手10號(hào)共向地球發(fā)回5000多張照片，覆蓋了將近水星一半的表面，分辨率可達(dá)1000米。照片用射頻電波發(fā)回地球后，科研人員用計(jì)算機(jī)將其進(jìn)行強(qiáng)化處理合成出了水星的半球景象圖。照片表明，水星表面酷似月球，密布著大大小小的環(huán)形山，保持著早期曾遭隕石轟擊的記錄，其周圍仍有明顯的輻射條紋，證明未經(jīng)風(fēng)化，亦即水星大氣非常稀薄。以水星北緯30度、西經(jīng)195度為中心，有個(gè)名為卡路里的盆地，直徑竟達(dá)2600千米。在水星表面未曾看到被侵蝕過的痕跡，說明它不存在水。由于大氣稀薄和無水，故而水星是個(gè)高溫而又干燥的天體。它離太陽很近，正午時(shí)赤道地區(qū)溫度可達(dá)430℃，而到夜晚，長時(shí)間的熱量散失使其溫度最低可達(dá)零下180℃。在這種環(huán)境下自然沒有生命存活。
　　
　　水手10號(hào)還發(fā)現(xiàn)水星有磁場。雖然其磁場強(qiáng)度僅為地球磁場的1%左右，但磁場位形與地球相似，也是偶極場。同時(shí)，由于太陽風(fēng)中帶電粒子的壓力作用，使水星磁場發(fā)生變化，也形成一個(gè)與地球類似的磁層。
　　鑒于水星密度較大，有的科學(xué)家估計(jì)，它的內(nèi)部有一個(gè)鐵核，鐵核外部是500～600千米的巖石殼體。然而對(duì)水手10號(hào)資料的詳盡分析，并未檢測出水星外殼巖石中有鐵存在。當(dāng)然，這并不能否定水星含有鐵質(zhì)內(nèi)核。
　　
　　信使號(hào)的飛行路線
　　
　　2004年8月13日發(fā)射升空的信使號(hào)航天器全名為“水星表面、空間環(huán)境、地質(zhì)化學(xué)與測距宇宙飛船”。它攜帶著攝像機(jī)、磁力計(jì)、激光高度計(jì)、X射線分光儀、r射線分光儀、高能粒子分光儀、大氣和表面成分分光儀共7種科學(xué)儀器?？茖W(xué)家們希望它能完成對(duì)整個(gè)水星表面的測繪工作，驗(yàn)證水星極高密度的理論，分析水星的地質(zhì)史，研究水星內(nèi)核結(jié)構(gòu)與磁場，對(duì)水星的化學(xué)組成成分等進(jìn)行確定，同時(shí)在水星兩極背陽的環(huán)形山中尋找固態(tài)水。由于終年不見陽光的水星極地環(huán)形山陰影內(nèi)，溫度一直在0℃以下，故而可能存在大量水冰。
　　按照計(jì)劃，信使號(hào)航天器發(fā)射升空后，相繼飛掠地球1次、金星2次、水星3次，借助這3顆行星的引力以減速，最終進(jìn)入水星軌道運(yùn)行。選擇這樣一條迂回路線的目的，就是為了免帶實(shí)現(xiàn)制動(dòng)減速的額外燃料，從而減輕信使號(hào)的重量，降低成本。
　　信使號(hào)2008年1月14日第一次飛掠水星時(shí)，拍攝了1200多張水星圖片，記錄了一些以前從未見到的地形。其攜帶的科學(xué)儀器首次探測了水星表面的礦物化學(xué)組成，研究了水星磁場和引力場情況，還對(duì)水星環(huán)境進(jìn)行了探測，用分光儀拍攝了水星稀薄的大氣，并記錄了水星磁層中的高能粒子和等離子體。根據(jù)信使號(hào)提供的數(shù)據(jù)資料，科學(xué)家在水星一處盆地周圍發(fā)現(xiàn)了火山口存在的證據(jù)，證明火山活動(dòng)在水星表面平原形成過程中起了重要作用；水星表面除了平原，還存在褶皺、斷層等其他多種地形。
　　2008年10月6日，信使號(hào)第二次飛掠水星，首次窺見了水星西半球的真面目，對(duì)此前未被觀測面積的30%進(jìn)行了拍攝。更重要的是，它的激光高度計(jì)還獲得了水星的地形測量數(shù)據(jù)。這使科學(xué)家能夠首次把水星表面的高清晰度地貌圖片和高分辨率地形測量數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，對(duì)水星地表地質(zhì)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)與月球、火星的表面不同。尤為令人注目的是，科學(xué)家竟然發(fā)現(xiàn)了一個(gè)直徑為750千米被命名為倫勃朗的盆地。該盆地可能是40億年前外來物頻繁撞擊水星時(shí)形成的。雖然時(shí)間遙遠(yuǎn)，但它是迄今為止在水星表面發(fā)現(xiàn)的最年輕的坑洞。在第二次飛掠水星過程中，信使號(hào)還用分光儀對(duì)水星大氣層最外圈進(jìn)行了觀測，并搜尋到鈉、鈣、鎂以及氫原子的蹤跡，其中鎂是首次得到確認(rèn)。此前已顯示鎂存在的跡象，但不知道鎂元素可能是水星表面的重要組成物質(zhì)。
　　由于信使號(hào)第一次和第二次是分別飛掠水星的東半球和西半球，故使科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這顆行星的磁場是高度對(duì)稱的。本來，水星白天溫度很高，其重力加速度又較小，僅為地球的38%，這使水星大氣層非常稀薄，如無物質(zhì)補(bǔ)充，大氣層早就消失了?？茖W(xué)家根據(jù)信使號(hào)兩次探測發(fā)現(xiàn)的水星磁場位形，經(jīng)研究后認(rèn)為，太陽風(fēng)到達(dá)水星磁場時(shí)，風(fēng)中的帶電粒子受到磁場的作用力，其運(yùn)動(dòng)方向會(huì)有所偏轉(zhuǎn)，本應(yīng)無法到達(dá)水星表面。不過，太陽風(fēng)自身的磁場會(huì)與水星磁場相互作用，扭曲成漩渦狀結(jié)構(gòu)，這便是被稱作通量傳輸事件的天文學(xué)現(xiàn)象。這種磁場重聯(lián)現(xiàn)象，雖然地球也有，但信使號(hào)的探測表明，水星發(fā)生的頻率比地球高10倍。該種情況出現(xiàn)時(shí)，一部分太陽風(fēng)中的帶電粒子能夠到達(dá)水星表面，可將足夠的能量傳遞給水星表面粒子，使后者脫離水星表面逃逸到大氣層中。這就是說，太陽風(fēng)可能是水星大氣層不斷得到物質(zhì)補(bǔ)充的重要原因。
　　信使號(hào)在2009年9月29日第三次飛掠水星時(shí)，又拍攝了水星的一些以前從未觀測過的地方的照片，使得水星表面測繪面積擴(kuò)大到98%。此次探測發(fā)現(xiàn)，水星有一處中間凹陷、四周明亮的區(qū)域?？茖W(xué)家分析認(rèn)為，這可能是火山遺跡。信使號(hào)還發(fā)現(xiàn)一個(gè)直徑達(dá)290千米的巨大雙環(huán)撞擊盆地，另外在水星表面還發(fā)現(xiàn)了大量的鐵和鈦?？茖W(xué)家通過對(duì)比前兩次數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，水星上也存在“季節(jié)變換"，外大氣層中的鈉、鈣、鎂等的含量隨季節(jié)都有不同的變化。這些研究結(jié)果對(duì)分析水星整個(gè)大氣層提供了重要信息。
　　
　　水星探測升溫
　　
　　從2011年3月17日開始，在太空疾馳了88.4億千米的信使號(hào)終于轉(zhuǎn)入環(huán)繞水星的橢圓軌道飛行，開始其一年時(shí)間的探測工作。實(shí)際上，信使號(hào)己成為水星的第一顆人造衛(wèi)星，它能對(duì)水星整個(gè)表面進(jìn)行拍攝、測繪和遙感考察，獲得的探測資料要比水手10號(hào)豐富得多。
　　在執(zhí)行任務(wù)期間，信使號(hào)傳回地面的大量照片將能制作整個(gè)水星表面的高分辨率的彩圖，通過激光高度計(jì)提供的數(shù)據(jù)資料將能繪制水星表面的三維圖像，磁力計(jì)的探測結(jié)果有可能解開水星的磁場之謎，4種分光儀的測量能夠給出水星空間及其表面的確切元素比例和表面巖石的組成，還能判斷水星極地是否真的有冰存在。鑒于水星兩極地區(qū)環(huán)形山底部永遠(yuǎn)見不到陽光，加之水星大氣稀薄，不能像地球一樣將赤道熱量帶到兩極，故而科學(xué)家們推測那里冷得足以讓水凍成冰。1991年天文學(xué)家們用地面射電望遠(yuǎn)鏡向水星發(fā)射了電波，發(fā)現(xiàn)其南北極環(huán)形山底部有類似冰質(zhì)的反射雷達(dá)波，是否確有水冰，信使號(hào)應(yīng)能提供更為準(zhǔn)確的資料?？傊?，信使號(hào)將對(duì)水星物理特征、化學(xué)組成、空間環(huán)境進(jìn)行廣泛搜索，其發(fā)現(xiàn)不僅有助于進(jìn)一步了解水星，而且能夠解釋地球的形成成因。
　　鑒于水星、金星、火星都是太陽系的類地行星，其構(gòu)成和演變都有相近之處，因而對(duì)水星的探測和研究，能夠幫助人類對(duì)類地行星共性特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)。相對(duì)火星和金星的航天探測來說，水星顯得冷清得多，這也是人們對(duì)信使號(hào)寄予厚望的原因。在信使號(hào)之后，日本和歐洲空間局也將于近幾年先后向水星發(fā)射航天器，對(duì)這個(gè)神秘天體繼續(xù)進(jìn)行探測。
　　【責(zé)任編輯】龐云