"浩瀚的空天還有許多未知的奧秘有待探索。"

水星（Mercury），在中國古代又稱辰星，是太陽係的八大行星中最小且最靠近太陽的一顆。水星的直徑隻有4880km，僅(jin) 為(wei) 地球直徑的三分之一。距離太陽的平均距離隻有5800萬(wan) 公裏，且表麵缺乏大氣，晝夜溫差極大，向陽麵溫度最高可達到+432℃，背陽麵溫度可低至-172℃。由於(yu) 離太陽很近，太陽對水星的吸引力很強，所以水星也是圍繞太陽跑的最快的行星，繞太陽一圈隻要88個(ge) 地球日。

水星 / NASA

相對於(yu) 月球的百餘(yu) 次探測的曆史來說，人類對於(yu) 水星的了解知之甚少。NASA曾梳理出水星的十大主要科學問題有：

1/ 水星的密度為(wei) 什麽(me) 那麽(me) 高？

2/ 水星的磁場特征是什麽(me) ？

3/ 水星的地質演化過程如何？

4/ 水星兩(liang) 極有水冰嗎？

5/ 水星的外層有哪些揮發性成分？

6/ 在沒有電離層的情況下，行星際磁場怎樣與(yu) 太陽風相互作用？

7/ 水星大氣的主要成分是什麽(me) ？

8/ 水星磁層是由什麽(me) 構成的？重離子起什麽(me) 作用？

9/ 水星核的結構和狀態是什麽(me) 樣的？

10/ 水星的外殼是由什麽(me) 構成的？

早在公元前3000年，水星被閃族人發現。1631年，英國天文學家托馬斯·哈裏奧特（Thomas Harriot）與(yu) 意大利天文學家伽利略·伽利萊（Galileo Galilei）使用新發明的望遠鏡觀測到了水星，同年，法國科學家皮埃爾·伽桑狄（Pierre Gassendi）使用望遠鏡觀測到了水星淩日。

1991年，天文學家們(men) 通過地基射電望遠鏡在水星兩(liang) 極檢測到異常明亮的雷達亮斑，雷達反射率和極化特征的結果與(yu) 火星南極極冠相似，由於(yu) 水星的轉軸傾(qing) 角很小，兩(liang) 極地區存在太陽無法照射的永久陰影區，水冰可能會(hui) 存在極區環形山底部，因此天文學家推測在水星的南北兩(liang) 極環形山底部可能存在水冰。

阿雷西博天文台獲得的水星北極地區的雷達圖像。黃色區域表示雷達反射率高的區域 / NASA

由於(yu) 探測水星的空間環境惡劣，迄今為(wei) 止，僅(jin) 有“水手10號（Mariner 10）”探測器和“信使號（MESSENGER）”探測器到達過水星。

1973年11月，NASA成功發射水手10號探測器，水手10號是第一個(ge) 連續探測兩(liang) 顆行星的探測器。他通過飛越金星上空對金星表麵進行探測後，又借助金星的引力改變運動的速度和方向繼續飛行，最終進入近日點在水星軌道上的日心軌道，開展對水星的飛越探測。在1974年到1975年間，水手10號對水星進行了3次飛越探測，共發回5000多張照片，探測了水星表麵大約45%的區域。水手10號的探測結果表明，水星表麵與(yu) 月球相似，由岩石組成，由於(yu) 經受過隕石撞擊，密密麻麻布滿了大大小小的環形山、盆地和坑穴等。水手10號還確定了水星存在全球性的偶極磁場，磁場強度是地球的1%。探測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號的探測數據填補了人類對水星的認知空白。

1973年11月3日水手10號發射升空 / NASA

水手10號第一次飛越水星拍攝的照片 / NASA

在水手10號完成對水星首次探測的30年後，NASA確定了信使號探測任務作為(wei) “發現”（Discovery）任務之一，對水星進行更加深入的探測和了解。

信使號探測器，英文名為(wei) MESSENGER，取自MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging的首字母，譯為(wei) 水星表麵，空間環境，地球化學，測距。2004 年 8 月 3 日在美國佛羅裏達州卡納維拉爾空軍(jun) 基地搭載Delta II運載火箭發射升空，在長達6年多的飛行過程中，共飛行了約79億(yi) 公裏，進行了5次軌道修正。經過了6次行星飛越借力後， 於(yu) 2011年3月成功進入水星環繞軌道並開展探測，成為(wei) 首個(ge) 環繞水星的空間探測器。

信使號探測器主要任務目標是研究水星的化學構成、地質學和磁場，獲得水星三維圖像、表麵化學特征、內(nei) 部磁場以及幾何結構等數據。

信使號探測器飛行示意圖 / NASA

2004年8月3日信使號探測器發射升空 / NASA

信使號探測器經過五次軌道修正，六次飛越探測最終抵達水星 / NASA

信使號探測器主要任務目標是研究水星的化學構成、地質學和磁場，獲得水星三維圖像、表麵化學特征、內(nei) 部磁場以及幾何結構等數據。

為(wei) 完成這些任務，信使號探測器共配置7台科學載荷，包括：磁強計（MAG）、γ射線與(yu) 中子光譜儀(yi) (GRNS)、X射線光譜儀(yi) (XRS)、水星大氣與(yu) 表麵成分光譜儀(yi) (MASCS)、高能粒子與(yu) 等離子體(ti) 光譜儀(yi) (EPPS)、水星雙重成像係統(MDIS)、水星激光高度計(MLA)。

信使號探測器共配置7台有效載荷 / 據NASA數據編輯

信使號探測器載荷配置布局圖 / 據NASA數據編輯

信使號擬解決(jue) 的關(guan) 鍵科學問題、科學目標和科學載荷探測目標如下：

信使號探測器的六個(ge) 關(guan) 鍵科學問題對應的科學目標和科學載荷探測目標 / 據參考文獻２ 編輯

信使號探測器在水星環繞軌道上對其進行了為(wei) 期四年的全麵探測，從(cong) 根本上改變了我們(men) 對水星的認知，主要探測對象包括水星表層、內(nei) 核、外逸層、磁場、磁氣圈以及行星際空間，獲得了大量的科學探測數據和豐(feng) 富的科學產(chan) 出，包括：水星北極蘊藏著水冰和有機化合物、火山作用在形成水星表麵形態方麵發揮了重要作用、水星是揮發分豐(feng) 富的行星、水星表麵具有明顯的化學不均一性等，同時完成了水星全球物質成分分布的測繪、水星磁氣圈的3D模型建模、水星北半球的地形剖麵圖和重力場探測圖的探測研究等任務。

鎂/矽和鋁/矽的分布圖說明了水星表麵具有明顯的化學不均一性 / NASA

信使號探測器MLA載荷繪製的水星北半球詳細地形圖 / NASA

在這其中，信使號探測器為(wei) 水星兩(liang) 極地區存在水冰提供的科學數據更是裏程碑級的發現。信使號攜帶的γ射線與(yu) 中子光譜儀(yi) （GRNS）對水星兩(liang) 極開展探測，經科學家們(men) 對其探測數據研究表明，此前利用地基雷達觀測到水星兩(liang) 極反射率異常區域確實探測到了氫的存在，在這些區域存在“富氫層”，該“富氫層”位於(yu) 厚度小於(yu) 10到20厘米的水星表層之下。同時，使用水星激光高度計（MLA）和水星雙重成像係統（MDIS）首次對水星北極極區進行觀測，獲取到北極極區光譜變化、以及詳細地形等信息，進一步證實了阿雷西博望遠鏡和水星γ射線與(yu) 中子譜儀(yi) 對極區的探測結果。這一發現為(wei) 早期水星極區永久陰影區存在水冰的假說提供了有力的支撐。

紅色區域為(wei) 信使號測量到的永久陰影區，黃色亮斑是地基雷達觀測結果，這一鑲嵌圖表明地基雷達的極區反射率異常部分都位於(yu) 信使號測量的永久陰影區內(nei) 。/ NASA

信使號探測數據認為(wei) 極區存在水冰的區域（黃色部分）/ NASA

2015年4月30日，信使號的推進劑耗盡，最終按照計劃撞擊水星表麵，結束了將近11年的飛行任務，在水星北極接近Suisei Planitia的Janácek火山口的地方（北緯54.44°，東(dong) 經210.12°）留下了一個(ge) 直徑約15米的撞擊坑。

信使號探測器於(yu) 2015年4月30日以撞擊水星的方式結束其探測使命 / NASA

作為(wei) 太陽係的最內(nei) 側(ce) 行星，水星探測有助於(yu) 揭示太陽係起源與(yu) 演化等重大科學問題，在人類僅(jin) 有的兩(liang) 次水星探測任務後——水手10號和信使號，歐空局（ESA）和日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)合作研製的“貝皮-科倫(lun) 坡（Bepi Colombo）”號正在“奔水”的過程中，“貝皮-科倫(lun) 坡”號包括兩(liang) 個(ge) 探測器：水星行星軌道器和水星磁氣圈軌道器，預計2025年12月進入水星環繞軌道，開展協同探測任務，“貝皮-科倫(lun) 坡”號的科學數據將極大的促進人類對水星的認識。期待在未來“奔水”的路途中也將出現中國研製的探測器的身影。

參考文獻 /

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2. Solomon S C , Jr M N , Gold R E , et al. MESSENGER Mission Overview[J]. Space Science Reviews, 2007, 131(1-4):3-39.

3. 王帥.水星探測意義(yi) 及發展曆程研究[J].國際太空,2018(11):6-11.

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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).

來源 / 中國科學院國家空間科學中心、中國科學院月球與(yu) 深空探測總體(ti) 部


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