親子科學時光

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文/吳志敏

中國航天科技集團公司第八研究院高級工程師，研究員。現任上海市退（離）休高級專家協會電子信息委副主任。

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。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、物質組成、大氣層狀態、磁場分布等特性，可以發現太陽原初的“母體中子塊”在飛散出“行星級中子碎塊”的過程中逐步出現星球體積變小、頻次變少的現象。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，質量約是3.302×1023千克，密度約是5.427克/厘米3。水星的質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，水星的物質特性較接近地球，地球是太陽系中物質特性最為豐富的星球，且擁有諸多的生命。然而，科學探測表明，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烈，表面溫度高達約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世紀前。最初，人們觀察和記錄的是水星的運動軌跡。水星離太陽較近，因而觀察較為困難。17世紀，伽利略通過望遠鏡首次觀測到水星表面有幾個明亮斑點。隨著科學技術的發展，望遠鏡的口徑越做越大，人類對水星的探測自然越發深入。20世紀中葉，航天技術得到快速發展，人們不再滿足在地球上用望遠鏡觀察水星，而是希望發射水星探測器實現近距離觀測。

01

水手10號探測水星

1973年11月3日，美國國家航空航天局發射水手10號探測器（簡稱水手10號），先后對金星和水星進行了探測。水手10號是人類制造的首個飛向水星的探測器，它向地球傳回了第一套詳細數據，繪制了40%~45%的水星表面。水手10號探測發現，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號在從地球飛向水星的過程中會受此影響加速。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號選擇飛掠觀測，它每176天飛掠水星一次。水手10號共3次飛掠水星，合計拍攝2 800張照片。對它拍攝的照片進行分析后判定，水星表面存在大量的隕石坑和縱橫交錯的懸崖。探測結果還表明，水星擁有微弱的磁場，其強度約為地球的1%。

水手10號

圖片來源：NASA/JPL

02

信使號探測水星

2004年8月3日，美國發射信使號水星探測器（簡稱信使號）。經過6年半的時間，它完成了長達79億千米的旅程，于2011年3月18日首次進入水星的軌道。信使號的主要目標任務是探測水星表面的化學成分、地質歷史、磁場性質、星球大小、狀態測定以及水星外域性質等。

為了更好地完成水星探測目標任務，信使號攜帶了攝像機、磁力計、激光高度計、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種科學儀器。早在1990年，天文觀測到水星的某些亮區雷達反射率非常高，疑似存在水冰。通過信使號對水星地表近距離的詳細觀測及數據分析，科學家對水星的內部結構和地質活動有了深入充分的了解，最終證實水星極地地區存在大量的水冰。

2015年3月，信使號燃料即將耗盡，它已經圍繞水星運行了4年。4月30日15點26分，信使號撞擊水星，向大家告別。

2015年4月30日，信使號發送的最后一張圖像

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

03

貝皮科倫坡號探測器

為了進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射中心發射了貝皮科倫坡號探測器（簡稱貝皮科倫坡號）。這是人類歷史上第三次對水星進行探測。

貝皮科倫坡號是日本和歐洲聯合開發的水星探測器，由兩顆衛星組成，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部結構，磁層軌道器則主要研究水星的磁場和大氣。這兩顆衛星互相配合和補充，從不同的角度和距離對水星進行觀測和分析，以期揭示水星的多面性和復雜性。它搭載了11臺科學儀器，重點對水星進行觀測和測量，收集有關水星表面、內部、磁場、大氣等方面的數據。

貝皮科倫坡號預計于2025年12月進入水星軌道，此后將提供更多、更精確的關于水星的信息。

貝皮科倫坡號的監控相機1拍攝的照片

圖片來源：ESA

當時，貝皮科倫坡號正在迅速靠近水星，距水星約121 000千米。

對水星的3次探測獲得了相當的數據和圖像，科學家通過這些逐步揭示水星的真實面貌，掌握其表面特征和內部結構的信息。隨著科學技術的不斷進步，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停止。未來，不僅將有環繞水星的探測器，而且會出現更新、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儀器，將完成更全面、精確的水星地質勘探、水星磁場測量、水星大氣成分分析等。

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《科學畫報》2024年第7期