水星探測接力

毛新愿

環(huán)境惡劣的水星

水星是距離太陽最近的行星，其次是金星、地球和火星。地球和它之間隔了一個(gè)金星。但實(shí)際上，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，比較金星和火星，水星反而更像是地球的鄰居，原因就在于地球和這些行星的會(huì)合周期（和地球距離達(dá)到最大或最小的周期）差距：水星116天，金星584天，火星780天。因而，水星經(jīng)常和地球“見面”，長時(shí)間都是距離地球最近的行星，而金星和火星經(jīng)常性地位于太陽系中與地球相對(duì)的另一端的角落里。

水星這個(gè)“水”字并沒有科學(xué)依據(jù)，只是個(gè)說法而已。實(shí)際上它距離太陽最近，被炙烤得最厲害，水分和大氣是極難保存的。地球距離太陽1.5億千米，接收到的能量僅為太陽能量的22億分之一，僅這些能量就強(qiáng)大到足以孕育地球上所有生命。水星距離太陽平均下來僅為4600～7000萬千米，面對(duì)的條件卻更加惡劣—它面對(duì)太陽的一面溫度可以高達(dá)430℃（中餐的大火爆炒也僅在300℃以內(nèi)），而背對(duì)太陽的一面則是低至-170℃的極寒地帶。

?信使（Messenger）號(hào)探測器記錄的水星全景（圖片來源 / NASA）

難以到達(dá)的水星

水星太小，引力不足以維持任何大氣，那里幾近完全真空。同時(shí)，越小的體積就越容易散失熱量。在經(jīng)過億萬年演化后，水星現(xiàn)在內(nèi)部地質(zhì)活動(dòng)幾乎停止，所以也不會(huì)產(chǎn)生足夠強(qiáng)的磁場。因此，在僅有地球1.1%強(qiáng)度的磁場保護(hù)下，水星根本無法抵御太陽附近強(qiáng)大的太陽風(fēng)和電磁輻射，這導(dǎo)致水星是個(gè)幾乎不可能孕育生命的蠻荒之地。

同時(shí)也因它距離太陽最近，所以運(yùn)轉(zhuǎn)速度也是所有行星里最快的，達(dá)到了驚人的47.89千米/秒，大幅超過地球的29.8千米/秒。它也因此獲得了西方神話傳說里飛行使者—信使神墨丘利（Mercury）的美名。

但這也使得對(duì)它的探測極其艱難：航天器一旦離開地球向軌道內(nèi)側(cè)的太陽飛去時(shí)，便會(huì)受太陽的強(qiáng)大引力不斷加速，越飛越快。小小的水星因處在太陽系最內(nèi)側(cè)，運(yùn)動(dòng)速度最快且引力極小，因此引力影響范圍極小，導(dǎo)致航天器極難跟上并在它附近做環(huán)繞運(yùn)動(dòng)，至少人類現(xiàn)有技術(shù)不可能直接剎車留在這個(gè)軌道。

水星探測接力

水手10號(hào)

1973年11月3日，美國的水手10號(hào)（Mariner 10）探測器從地球發(fā)射，它的使命是探測水星，但僅能從水星附近飛掠而過，大致“遠(yuǎn)觀”一下而已。不過這個(gè)任務(wù)取得了極大的成功。1974年3月29日，它首次近距離飛掠水星，當(dāng)時(shí)距離為700千米左右，1975年3月16日時(shí)再次飛掠，最近距離僅有300千米左右，這相比它上億千米的旅程而言簡直精準(zhǔn)到不可思議。

在它有限的觀察時(shí)間內(nèi)，它利用攜帶的相機(jī)拍下了約2800張水星照片（約占水星表面的40%），這是人類第一次看清楚水星的表面。它還利用輻射儀發(fā)現(xiàn)了水星表面向陽面和背陰面存在巨大溫差，周身幾乎沒有磁場、大氣層也極其稀薄，基本就是不毛之地。

信使號(hào)

后來，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，為了能夠環(huán)繞水星，必須讓航天器不斷借助金星和地球的引力影響改變飛行的速度大小和方向，相當(dāng)于蹦床時(shí)為了達(dá)到某個(gè)點(diǎn)花很長時(shí)間不斷蓄勢。因此對(duì)水星的探測普遍要耗時(shí)數(shù)年，必須一步一步調(diào)、極其耐心，才有可能。

這一系列技術(shù)難度極大，人類歷史上僅有美國國家航空航天局的信使號(hào)（Messenger）完成了環(huán)繞水星這一使命。它自2004年發(fā)射后花了7年時(shí)間才最終環(huán)繞水星！

信使號(hào)在水星工作了4年時(shí)間，這期間它做了大量有價(jià)值的工作。它不僅繪制了水星非常詳細(xì)的全球地圖、高程圖，從地貌甚至可以反推出水星曾經(jīng)的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)，例如火山噴發(fā)痕跡。信使號(hào)還研究了水星的磁場變化和大氣演變，不過相對(duì)地球而言它們依然弱到可以忽略不計(jì)。

讓人驚喜的是，它發(fā)現(xiàn)水星極其稀薄的大氣中竟然存在一定的水蒸氣，而在北極附近的撞擊坑中，還出現(xiàn)了有機(jī)化合物和水存在的證據(jù)，但這距離發(fā)現(xiàn)生命還很遙遠(yuǎn)。信使號(hào)在2015年任務(wù)結(jié)束后就撞擊向水星表面，永遠(yuǎn)停留在那里，但它的發(fā)現(xiàn)還是激勵(lì)了后續(xù)任務(wù)的開展。

貝皮·科倫坡衛(wèi)星

2018年10月20日，歐洲太空局和日本共同研發(fā)的貝皮·科倫坡衛(wèi)星（Bepi Colombo）成功發(fā)射。它起名自意大利科學(xué)家朱塞佩·科倫坡（Giuseppe Colombo，1920-1984）的昵稱，他提出了探測水星必須采取金星借力的方案，對(duì)水星研究做出了巨大貢獻(xiàn)。為了抵達(dá)水星，這個(gè)探測器最終需要花費(fèi)7年時(shí)間，1次飛過地球、2次飛過金星、5次飛過水星，逐漸調(diào)整軌道才有可能在2025年抵達(dá)地球這個(gè)看似并不遠(yuǎn)的鄰居，整個(gè)過程的難度可想而知。

在抵達(dá)水星軌道后，探測器將會(huì)一分為二，一個(gè)重點(diǎn)做水星全球勘探，在各個(gè)觀測波長觀測水星地質(zhì)地貌，甚至可以研究地表淺層。這將幫助科學(xué)家研究水星曾經(jīng)的歷史，甚至可以找到太陽和它共同演化的過程，畢竟水星是距離太陽最近的行星，它一定保留了太陽系早期演化更多的痕跡。另一個(gè)被釋放的探測器則主要研究水星極其微弱的磁場以及受太陽風(fēng)影響產(chǎn)生的磁氣層，水星的磁場產(chǎn)生機(jī)制和演化規(guī)律，也是人類尚未完全確定的謎之所在。

目前，貝皮·科倫坡號(hào)正在深空旅行中，一切順利！

?水手10號(hào)任務(wù)的藝術(shù)效果圖（圖片來源 / NASA）

?信使號(hào)任務(wù)的藝術(shù)效果圖（圖片來源 / NASA）

?在水星北極的永久陰暗坑洞內(nèi)，可能隱藏著一些凍冰（圖片來源 / NASA）

?貝皮·科倫坡號(hào)7年內(nèi)的預(yù)計(jì)軌道（圖片來源 / 歐洲太空局）