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文/吳志敏

中國航天科技集團(tuán)公司第八研究院高級(jí)工程師，研究員?，F(xiàn)任上海市退（離）休高級(jí)專家協(xié)會(huì)電子信息委副主任。

水星有水嗎？

在太陽系形成的過程中，行星是從太陽的“母體中子塊”中飛散出來而形成的。最早飛散出來的行星自然排行老大，離太陽最遠(yuǎn)。以此類推，最后飛散出來的行星自然只能被稱為“小弟”了。

探測水星的意義

在太陽系中，水星“出生”最晚，且最靠近太陽。

通過探測水星的體積大小、密度高低、物質(zhì)組成、大氣層狀態(tài)、磁場分布等特性，可以發(fā)現(xiàn)太陽原初的“母體中子塊”在飛散出“行星級(jí)中子碎塊”的過程中逐步出現(xiàn)星球體積變小、頻次變少的現(xiàn)象。水星誕生之后，太陽系中再也沒有新的行星形成。深入探測太陽系中年齡最小、離太陽最近的行星，對研究太陽系的形成和演化過程意義重大。

水星的特性

水星主要由金屬和硅酸鹽組成，它的直徑約是4 878千米，質(zhì)量約是3.302×1023千克，密度約是5.427克/厘米3。水星的質(zhì)量和密度都與地球接近且略小。相比太陽系小行星帶外的幾大行星，水星的物質(zhì)特性較接近地球，地球是太陽系中物質(zhì)特性最為豐富的星球，且擁有諸多的生命。然而，科學(xué)探測表明，水星上沒有生命存在。由于水星距太陽最近，因而受到的太陽光照最為強(qiáng)烈，表面溫度高達(dá)約430℃。

探索水星的歷程

回顧歷史，人類對水星的探索可以溯到幾個(gè)世紀(jì)前。最初，人們觀察和記錄的是水星的運(yùn)動(dòng)軌跡。水星離太陽較近，因而觀察較為困難。17世紀(jì)，伽利略通過望遠(yuǎn)鏡首次觀測到水星表面有幾個(gè)明亮斑點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，望遠(yuǎn)鏡的口徑越做越大，人類對水星的探測自然越發(fā)深入。20世紀(jì)中葉，航天技術(shù)得到快速發(fā)展，人們不再滿足在地球上用望遠(yuǎn)鏡觀察水星，而是希望發(fā)射水星探測器實(shí)現(xiàn)近距離觀測。

01

水手10號(hào)探測水星

1973年11月3日，美國國家航空航天局發(fā)射水手10號(hào)探測器（簡稱水手10號(hào)），先后對金星和水星進(jìn)行了探測。水手10號(hào)是人類制造的首個(gè)飛向水星的探測器，它向地球傳回了第一套詳細(xì)數(shù)據(jù)，繪制了40%~45%的水星表面。水手10號(hào)探測發(fā)現(xiàn)，水星擁有的稀薄大氣層主要由氦組成。

太陽引力巨大，水手10號(hào)在從地球飛向水星的過程中會(huì)受此影響加速。如果探測器飛行速度過快，將不利于對水星的觀測。對此，水手10號(hào)選擇飛掠觀測，它每176天飛掠水星一次。水手10號(hào)共3次飛掠水星，合計(jì)拍攝2 800張照片。對它拍攝的照片進(jìn)行分析后判定，水星表面存在大量的隕石坑和縱橫交錯(cuò)的懸崖。探測結(jié)果還表明，水星擁有微弱的磁場，其強(qiáng)度約為地球的1%。

水手10號(hào)

圖片來源：NASA/JPL

02

信使號(hào)探測水星

2004年8月3日，美國發(fā)射信使號(hào)水星探測器（簡稱信使號(hào)）。經(jīng)過6年半的時(shí)間，它完成了長達(dá)79億千米的旅程，于2011年3月18日首次進(jìn)入水星的軌道。信使號(hào)的主要目標(biāo)任務(wù)是探測水星表面的化學(xué)成分、地質(zhì)歷史、磁場性質(zhì)、星球大小、狀態(tài)測定以及水星外域性質(zhì)等。

為了更好地完成水星探測目標(biāo)任務(wù)，信使號(hào)攜帶了攝像機(jī)、磁力計(jì)、激光高度計(jì)、X射線分光儀、γ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。早在1990年，天文觀測到水星的某些亮區(qū)雷達(dá)反射率非常高，疑似存在水冰。通過信使號(hào)對水星地表近距離的詳細(xì)觀測及數(shù)據(jù)分析，科學(xué)家對水星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和地質(zhì)活動(dòng)有了深入充分的了解，最終證實(shí)水星極地地區(qū)存在大量的水冰。

2015年3月，信使號(hào)燃料即將耗盡，它已經(jīng)圍繞水星運(yùn)行了4年。4月30日15點(diǎn)26分，信使號(hào)撞擊水星，向大家告別。

2015年4月30日，信使號(hào)發(fā)送的最后一張圖像

圖片來源：NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington

03

貝皮科倫坡號(hào)探測器

為了進(jìn)一步揭開水星的神秘面紗，2018年10月20日，法屬圭亞那的庫魯航天發(fā)射中心發(fā)射了貝皮科倫坡號(hào)探測器（簡稱貝皮科倫坡號(hào)）。這是人類歷史上第三次對水星進(jìn)行探測。

貝皮科倫坡號(hào)是日本和歐洲聯(lián)合開發(fā)的水星探測器，由兩顆衛(wèi)星組成，一顆是水星行星軌道器，另一顆是水星磁層軌道器。行星軌道器主要研究水星的表面特征和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，磁層軌道器則主要研究水星的磁場和大氣。這兩顆衛(wèi)星互相配合和補(bǔ)充，從不同的角度和距離對水星進(jìn)行觀測和分析，以期揭示水星的多面性和復(fù)雜性。它搭載了11臺(tái)科學(xué)儀器，重點(diǎn)對水星進(jìn)行觀測和測量，收集有關(guān)水星表面、內(nèi)部、磁場、大氣等方面的數(shù)據(jù)。

貝皮科倫坡號(hào)預(yù)計(jì)于2025年12月進(jìn)入水星軌道，此后將提供更多、更精確的關(guān)于水星的信息。

貝皮科倫坡號(hào)的監(jiān)控相機(jī)1拍攝的照片

圖片來源：ESA

當(dāng)時(shí)，貝皮科倫坡號(hào)正在迅速靠近水星，距水星約121 000千米。

對水星的3次探測獲得了相當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)和圖像，科學(xué)家通過這些逐步揭示水星的真實(shí)面貌，掌握其表面特征和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人類對水星的探測也將越來越深入、全面。

人類對水星探測的步伐不會(huì)停止。未來，不僅將有環(huán)繞水星的探測器，而且會(huì)出現(xiàn)更新、更好的水星探測著陸器或地面探測飛行器。各類探測器上裝載著先進(jìn)儀器，將完成更全面、精確的水星地質(zhì)勘探、水星磁場測量、水星大氣成分分析等。

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《科學(xué)畫報(bào)》2024年第7期