比冥王星更難抵達，人類如何揭開水星的面紗？

在太陽系的版圖中，有一顆行星堪稱“矛盾體”——它是離太陽最近的“炙烤之地”，表面正午溫度能熔化鉛；卻又在兩極的永久陰影里，藏著數(shù)十億噸水冰。它就是水星，一顆看似“簡單”卻讓人類探測屢屢碰壁的巖石行星。直到近幾十年的兩次關(guān)鍵任務，我們才逐漸揭開它的神秘面紗。

探測水星：比去冥王星

更難的“太空剎車”挑戰(zhàn)

很多人以為太空探測“越遠越難”，但水星卻打破了這個認知——去水星的難度甚至超過冥王星。

首先，作為一顆行星，水星的質(zhì)量僅為地球的5.5%，探測器很難被水星的引力“捕獲”；同時，太陽的引力場太過巨大，探測器一不小心就可能直接被太陽的引力“拉走”。因此，探測器要想安全抵達水星，需要不斷地減速剎車，稍有不慎便會與水星擦肩而過。

除了軌道難題，極端環(huán)境更是“生死考驗”。水星與太陽的平均距離僅為5790萬千米，表面溫差極大：白天表面最高溫度可達427℃，夜晚最低可低至-173℃。如此嚴酷的“冰火兩重天”，對探測器的熱防護設(shè)計提出了極高的要求。雖然探測器通常能耐受嚴寒，但對抗高溫則需要設(shè)計復雜的散熱和隔熱系統(tǒng)。

水星首次“側(cè)臉”特寫

水手10號是美國航天局（NASA）“水手號計劃”中的第10次任務，同時也是人類首個造訪水星的探測器。由于直接飛抵水星需要消耗大量能量進行減速，意大利科學家、數(shù)學家和工程師朱塞佩·科隆博（Giuseppe Colombo，1920～1984）創(chuàng)造性地將重力助推原理應用于探測器的軌道設(shè)計中。他提出利用金星的重力助推效應幫助水手10號降低軌道速度，從而更高效地抵達水星。

水手10號于1973年11月3日在美國發(fā)射升空，搭載有相機、紫外線分光計、紅外線輻射計、磁力儀等科學載荷。1974年2月5日，它飛掠金星，并于同年3月29日第1次飛掠水星（軌道高度703千米）。隨后，水手10號進入周期為176天的軌道（水星公轉(zhuǎn)周期的2倍），每飛行1圈便飛掠水星1次，并于1974年9月21日和1975年3月6日完成了水星的第2次和第3次飛掠探測（軌道高度為327千米，最接近水星的一次）。由于水手10號的軌道與水星的公轉(zhuǎn)周期成簡單的固定比率，而水星的公轉(zhuǎn)周期和自轉(zhuǎn)周期也成簡單固定比率，每一次探測器回到水星的時候都出現(xiàn)在同樣的位置。因此，3次飛掠都只能看見水星的同一張“側(cè)臉”。

盡管在這一次造訪中水星只向人類展示出了它的側(cè)顏，但仍然給人類認識水星提供了寶貴的資料。水手10號的探測發(fā)現(xiàn)：水星的表面與月球非常相似，布滿了密密麻麻的撞擊坑（小行星撞擊形成的凹坑）；水星出人意料地存在一個稀薄的大氣層（后稱為“外逸層”）和全球性磁場；水星的兩極發(fā)現(xiàn)了疑似水冰的信號；水星內(nèi)部可能存在巨大的鐵質(zhì)核心等。

劃破星塵的探測足跡

除了1973年發(fā)射的水手10號飛掠任務，還有下列兩次探測任務極大地拓展了人類對水星的認識。這兩項任務共同奠定了人類對水星地質(zhì)和環(huán)境的深入理解，為未來研究恒星附近的巖石行星提供了重要參考。

NASA于2004年發(fā)射的信使號（MESSENGER）是首個圍繞水星運行的探測器。在發(fā)射后的近7年時間內(nèi)，信使號先后通過1次地球、2次金星和3次水星重力助推減速后，于2011年3月18日進入水星軌道，開始了持續(xù)4年多的在軌觀測。它揭示了水星高密度的成因，發(fā)現(xiàn)了兩極永久陰影隕坑中的水冰和有機化合物，記錄了火山活動的痕跡，并研究了水星稀薄的大氣層和磁場的細節(jié)。2015年，信使號因燃料耗盡受控墜毀于水星表面，完成任務。

圖為水星上名為埃德加·愛倫·坡的隕石坑內(nèi)空洞的景象。在這張照片中，坡的黑色邊緣從環(huán)繞著它的棕黃色火山平原中凸顯出來。小小的空洞點綴在黑色邊緣上，就像夜空中藍色白色的星星。這張照片是“信使號”廣角相機使用紅、綠、藍濾鏡進行的數(shù)百次高分辨率定向彩色觀測之一。（圖源：NASA）

歐洲空間局（ESA）與日本航天局（JAXA）聯(lián)合開展的貝比科隆博（BepiColombo）任務于2018年發(fā)射，計劃于2025年到達水星軌道。任務分為兩個軌道器：環(huán)水星軌道器（MPO）和水星磁層軌道器（MIO）。通過電力推進與多次重力助推到達水星后，貝比科隆博將詳細研究水星的表面地質(zhì)、大氣、磁層和鐵核結(jié)構(gòu)，為探索近恒星行星的形成與演化提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

貝比科隆博飛越地球示意圖。貝比科隆博在2025年進入太陽系最內(nèi)側(cè)行星的軌道之前會飛越地球一次、金星兩次和水星六次進行總共九次的重力輔助機動（圖源：ESA）

水星上的“水與火之歌”

信使號最震撼的發(fā)現(xiàn)，是在水星極區(qū)找到水冰痕跡。水星的極地有許多隕石撞擊形成的深坑，而且由于地形遮擋，這些撞擊坑底部永遠被陽光所“遺忘”，溫度常年低于-100℃，被稱作“永久陰影區(qū)”。信使號在其中探測到了氫的存在，結(jié)合地基雷達的觀測，科學家推測在永久陰影區(qū)的表層下10-20厘米的深度，可能有水冰賦存。

與此同時，信使號還拍到了水星表面的“火山遺跡”——直徑約1550公里的卡洛里斯盆地，是太陽系中最年輕的大型撞擊盆地之一，其內(nèi)部的放射狀溝槽和褶皺山脊，記錄了水星早期火山活動的劇烈場景。水與火的共存，讓水星的演化歷史變得更加撲朔迷離。

圖為卡洛里斯盆地的地質(zhì)斷層。（圖源：NASA官網(wǎng)：Faults in the Caloris Basin）

水星的“鐵核”與“鉆石層”

水星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)同樣令人大為驚嘆。作為太陽系類地行星中的“小個子”，水星卻擁有一個質(zhì)量占比超過 60%的巨大核心，幾乎全由鐵和鎳組成。科學家推測水星形成之初可能經(jīng)歷了劇烈的撞擊事件，大碰撞剝離了絕大部分硅質(zhì)外殼和水星幔，只留下了“鐵膽”。

盡管如此，水星表面的鐵元素含量卻很低，反倒是碳的含量相對較高。信使號探測發(fā)現(xiàn)，水星整體暗淡的外觀以及表面常見的暗色斑點，都與以石墨形式存在的碳有關(guān)。最新的研究發(fā)現(xiàn)，水星深部的碳可能在極端高壓條件下形成鉆石，并在行星演化過程中在核幔邊界形成厚達16千米的“鉆石層”。這一發(fā)現(xiàn)不僅讓水星“身價倍增”，也為理解水星的起源與演化提供了新的研究視角。

水星的探測價值，遠不止于成為研究系外“超級地球”的樣本——這顆被科學家稱為“化石行星”的天體，或許正藏著解答“我們是誰、我們從哪來”這一終極問題的鑰匙。作為太陽系中最靠近恒星的巖石行星，它的結(jié)構(gòu)和演化過程保留著太陽系早期形成的原始痕跡。理解水星的鐵核形成、磁場起源，不僅能幫助判斷系外行星的宜居性，更能讓我們在追溯星際物質(zhì)的流轉(zhuǎn)中，靠近生命誕生的真相。每一次靠近水星，都是在為人類探索宇宙邊界積累經(jīng)驗，更是在為解答自身起源的千古之謎尋找答案。

來源：科學世界

原標題：冰火星球：人類探測水星的史詩之旅 | 科學世界·星際征途

編輯：冰糕

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