奔赴水星——贝皮科伦布号的背后

1    引子

2018年10月20日，贝皮科伦布号成功发射升空。这项任务由欧洲空间局(ESA)与日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)联合进行，预计经过七年左右的飞行，于2025年到达水星，有望进一步揭示水星的神秘面纱。

贝皮科伦布号发射升空

2    去水星干什么

抵达水星后，贝皮科伦布号将开展必要的测量，目的是研究水星的物质组成、内部结构、大气层、磁层和演化历史。与水星一样，地球也是一颗行星，这些行星之间既有相似之处，也有自己的特点，我们通过了解其他行星上是什么样子的，将帮助我们更好地理解地球为什么是现在这样，这也是大多数行星探测任务的主要目标。根据官方网站的报道，贝皮科伦布号的主要科学使命包括：

1、由于水星是与太阳最近的行星，因此，研究水星的形成与后续演化过程，有助于揭示靠近恒星的行星的起源和演化过程，对太阳系外行星的研究有重要的参考意义。

2、水星作为一颗行星，需要研究它的形成过程，内部结构，地质特征，物质组成，以及水星表面的撞击坑分布。

3、水星基本没有大气层，但仍有外逸层，这次任务将研究水星大气层的成分与大气运动过程。

4、水星磁层的结构，研究磁层与太阳风的相互作用过程。

5、水星磁场的起源。地球磁场源于地球内部有熔融的岩浆，像发电机一样产生磁场。水星内部应该已经固结，这次任务将探测水星的磁场是如何形成的。

6、信使号水星探测器已经在极地探测到了冰层，这次任务将探测这些挥发物的成分和来源。

7、对爱因斯坦广义相对论进行实际检验。

图 水星

图 月球，表面也有很多撞击坑

4    水星探测难在何处

水星(Mercury)处于太阳系的内带，属于内行星，也是类地行星之一。在八大行星中，水星最靠近太阳。

截至到目前为止，只有水手10号和信使号探测器对水星进行了近距离的观测。贝皮科伦布号是飞往水星的第三个探测器。

人类对水星的关注程度，明显低于火星、月球、金星、木星和土星等星球。主要原因一方面在于有的科学家认为水星探测的科学价值不大，另一方面是由于水星靠近太阳，航天探测的难度比较高。

水星的质量和引力较小，轨道器要实现环绕水星，只需要较低的飞行速度即可。然而，在太阳引力作用下，水星探测器将不由自主地加速，这个矛盾对水星探测器的测量与控制提出了较高的要求。如果要在水星上着陆的话，由于水星基本没有大气，着陆器无法通过空气阻力或降落伞减速。

5    几经推迟，终于等到花开

贝皮科伦布号原计划2012年4月发射，预计经过4年零两个月的行星际巡航抵达水星。后推迟到2013年8月发射，预计于2019年8月到达水星。结果贝皮科伦布号得发射时间又一再推迟，直到2018年10月才发射。

深空探测任务大多历时很长，贝皮科伦布号从上世纪90年代开始酝酿，到最终实现发射，历时20多年才得以成行。如果等到科学探测数据传回地球，一些人已经退休，一些人甚至已经离开人世，整整一代人已经过去了。这就需要科学家真的对此怀有浓厚兴趣，才能如此长期坚守。

贝皮科伦布号除了两个轨道器外，科学家原来还计划释放一个着陆器到水星上，实现人类航天器首次登陆水星。但遗憾的是，由于经费预算受限，以及技术难度巨大，曾经计划的水星着陆器（MSE）已经被取消了。

 图 装配和检测中的贝皮科伦布号

6    为什么是欧洲和日本合作

从20世纪90年代以来，一些发达国家开始提出航天器探测水星的计划。1995年，在欧洲空间局拟定的20年航天规划中，就已经把水星探测放在十分重要的地位。而后，欧空局和日本联合提出了贝皮科伦布号（BepiColombo）水星探测计划，计划对水星展开为期1年的科学探测。

贝皮科伦布号虽然是一次任务，却由两个航天器组成。其中，欧空局负责水星轨道器（MPO），这是一个三轴稳定的航天器，卫星在环绕水星的轨道上运行，配备11台科学仪器，星下点指向水星表面。

水星轨道器上的科学仪器，包括照相机、光谱仪(覆盖红外、紫外、X射线、伽玛射线、中子等探测波段)、辐射计、激光高度计、磁强计、粒子分析仪、Ka波段应答器和加速度计。其中，十台仪器由欧空局成员国的科研机构负责研制，一台仪器由俄罗斯提供。

日本宇宙航空研究开发机构负责水星磁层轨道器（MMO），这是一个自旋稳定的航天器，配备五台科学仪器。

水星磁层轨道器上的科学仪器，包括磁强计、离子光谱仪、电子能量分析仪、冷高能等离子探测仪、等离子波分析仪、照相机。这些仪器由国家资助下的科研机构负责研制，其中一台来自欧洲，四台来自日本。其中，欧洲方面对日本的科学仪器研制也做出了重要贡献。

图 贝皮科伦布号探测器

贝皮科伦布号的探测轨道。图中红色近圆形轨道为水星轨道器的预定轨道，而黄色椭圆轨道为水星磁层轨道器的预定轨道。

贝皮科伦布号探测器使用太阳能电力推进系统，在从地球飞向水星的过程中，可不断推动探测器，大大减少了化学燃料的使用，降低了发射时的重量。这是首次在大型深空探测任务中使用这种推进系统。

7    奇怪的探测器名

大家已经听习惯了好奇号、勇气号、机遇号、卡西尼号、新视野号这些探测器的名字，这颗水星探测器的名字听起来比就较陌生了。

贝皮科伦布号是以意大利帕多瓦大学的贝皮•科伦布教授（1920-1984）的名字命名的。这是一位极富想象力的数学家和工程师。他是第一个发现水星存在轨道共振的科学家，他发现，水星自转三圈的时候，正好绕太阳两圈。他还向美国国家航空航天局建议，利用金星的引力弹弓效应，把水手10号航天器放到太阳轨道上，从而使水手10号在1974到1975年间实现了三次飞越水星，让我们得以见识水星的真面目。

为纪念贝皮•科伦布的科学成就，1999年在意大利那不勒斯举行的会议上，欧空局科学计划委员会决定，将他们的水星探测器命名为贝皮科伦布号。

8    信使号水星探测回顾

信使号（MESSENGER）是“水星表面、空间环境、地球化学与测距”（MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry and Ranging）的英文缩写，而水星在希腊神话里本就是上帝的信使。信使号于2004年8月3日在美国卡纳维拉尔角发射场发射，借助地球、金星和水星的引力，2011年进入水星轨道对其进行探测。

信使号探测器环绕水星的运行轨道是高偏心率的大椭圆轨道。距离水星最近点为200 km，最远点为15193 km。信使号轨道面偏离水星赤道面80°，在近水点附近可以对水星表面和地质情况进行探测。信使号任务探测了水星表面的化学成分、磁场特征，研究水星的地质历史；对水星内核的大小和状态进行了探测，还探测了水星极地挥发份储量，特别是发现了水星的极地存在水冰；此外，信使号还对水星的逃逸层和磁圈进行了测量。

9    卡路里盆地的新发现

自上世纪70年代以来，关于水星表面的火山活动及其在水星地质演化历史中的作用，一直是科学界争论的焦点。一些科学家认为火山活动对水星地质演化的影响基本可以忽略，另一部分科学家则认为，火山活动对水星的地质演化产生极其巨大的影响。

卡路里盆地是水星上一个巨大的撞击盆地，直径约为1550千米，大致相当于北京到福州的直线距离，也是太阳系中最大的撞击盆地之一。

结合水手10号与信使号的探测数据，目前已经可以基本重建整个卡路里盆地的地质历史。卡路里盆地形成于太阳系形成后的前10亿年，大约为38亿年前，当时，大量的小行星撞击水星、火星、月球等类地行星，是一个重大撞击十分密集的时代。与月球上的月海盆地一样，紧随着巨大撞击事件之后，是十分活跃的火山喷发。火山喷发产生的岩浆流填充了巨大盆地的内部，形成了卡路里盆地中颜色相对较浅的红色物质（上图）。盆地内的其他小型撞击坑，则是在岩浆填充之后才撞上去形成的。信使号还拍到卡路里盆地内一处有斜坡的大型火山，科学家认为这是盾状火山，直径大约95 千米。

信使号还发现了卡路里盆地中的一种特殊地形：一处直径约800米高的高地周围，有上百条向外辐射的裂纹，从空中看去如同一只张牙舞爪的百足蜘蛛，这种地形从未在太阳系其他行星上发现过。科学家把这种地形命名为“蜘蛛”地形推测认为可能是火山喷发的残余遗迹，“蜘蛛腿”可能是水星上随处可见的山脊。

水星的体积虽然远小于月球，但火山喷发对地质演化的影响却远大于月球。因此，火山活动对水星来说影响极为深远，意义也格外重大。信使号探测数据说明，距今38亿年至40亿年之间，水星曾经有过剧烈的火山喷发，规模甚至覆盖整个水星，持续时间较长，大规模的火山喷发活动，塑造了当今水星的主要地形地貌。

图 水星表面的撞击坑

10  水星上居然有水

在信使号2008年1月14日第一次飞越水星期间，距离水星表面最近只有约200千米。利用信使号上搭载的双重成像系统，拍摄了大约20%的水星表面，这些地方从未被航天器拍摄过，拍摄图像的清晰度大大超过了上世纪70年代水手10号所拍的照片。

下图是2008年10月6日信使号探测器第二次飞越水星时拍摄的，当时两者相距大约2.8万千米。从信使号传回地球的照片看，水星外表有点像西瓜。

信使号还惊人地发现，水星离太阳这么近，温度这么高，它的逃逸层居然还有大量的水。同时，信使号发现了水星可能存在液态内核的一些证据，发现水星的磁场依然活跃，还发现一块异常丰富的等离子体云被“困”在水星的磁场中。这些发现极大地改变了人类对水星的已有认识。作为后来者，信使号的这些发现也为贝皮科伦布号的探测目标设计奠定了基础。

延伸阅读：水星的轨道共振

水星离太阳的距离在0.3075~0.4667天文单位（4600万千米～6982万千米）之间变化，平均距离为0.579×l0⁸ 千米（0.38天文单位），而地球是1.5×l0⁸ 千米（1天文单位）。水星绕太阳公转轨道的偏心率较大，为0.2056，故其轨道很扁。水星的轨道面与黄道面之间的倾角为7.00487度。在太阳系天体中，水星的轨道偏心率和倾角是所有行星中最大的。

由于水星在近日点时总以同一经度朝着太阳，在远日点时以相差90°的经度朝着太阳，所以水星随着经度不同而出现季节变化。

水星在轨道上的平均运动速度为每秒48千米，是太阳系中运动速度最快的行星，是地球公转速率的四倍多。水星绕太阳运行一周只需要87.969天。除公转之外，水星本身也有自转。过去认为水星的自转周期应当与公转周期相等，都是88天。1965年，美国天文学家利用安装在波多黎各阿雷西博天文台的、当今世界上最大的射电望远镜测定了水星的自转周期，结果并不是88天，而是58.6462天，正好是水星公转周期的2／3。也就是说，水星绕日运转2周（2个水星年），则相应自转3周（3个水星日）。其结果，发生了水星的3天（从日出到下一次日出的一个昼夜，约176个地球日）相当于水星的2年（也是176天）的奇妙现象。