互动科普

历史上首次到达水星的探测器，是在1974～1975年间3次成功飞掠水星的NASA的水手10号探测器，但它只观测到了水星总面积的45%左右。而信使号是历史上首次进入水星环绕轨道的探测器，成功拍摄到了水星的全貌。

未曾预料的钾之谜

在信使号收获的成果中，最引人瞩目的当属水星表面存在异常多的挥发性物质（钾等）这一事实。据说，这个重大发现关系到水星的诞生之谜，甚至关系到更大的问题——太阳系整体的历史。

太阳系的行星中，水星、金星、地球、火星同属“岩石行星”。存在于各岩石行星表面的挥发性物质钾与难挥发性物质钍之间的比例（因为同时包含了放射性元素，因此可以通过检测水星表面各处的伽马射线来测定），其顺序是，离太阳最远的火星最大，其次是地球、金星（地球与金星差别很小）。

离太阳越远，行星的挥发性物质越难以失去（或者说行星的材料构成中包含越多难挥发性物质）。如果这样考虑的话，离太阳最近的水星当然就最缺乏挥发性物质。但实际上，水星的钾含量与火星相当，其比例甚至超过了火星。

水星上没有发生过巨大的撞击？

然而据推测，水星的金属内核异常大。在星体总质量中，金属内核约占到70%。顺便说一下，地球的金属内核占总质量的比例略微超过30%。

关于水星为什么会存在异常金属内核的解释有几种，但其中最有力的一种假说是“大碰撞理论”。具体是指，水星遭遇过巨大天体的撞击，表面的岩石层被吹散，从而导致金属内核的比例升高。

大碰撞之时，撞击的能量使得水星表面熔化成浆。这样一来，星体表面的挥发性物质应该就会受到严重损失。但实际上，信使号已确认水星表面残留有丰富的挥发性物质。因此，水星上是否发生过大碰撞就成为疑问。

大碰撞发生之后，挥发性物质是否又被重新供给，这种可能性并非没有考虑过，但如此一来，挥发性物质的供给方法又不明确。另一方面，由于水星的挥发性物质的比例与火星相当，因此也有说法认为，水星形成于火星的轨道附近，其后向太阳系内侧移动。

近年来，关于太阳系的行星在形成过程中或形成之后出现大规模移动的可能性，人们也进行了认真的探讨，从这个意义上说，假设水星移动过也不是不可思议。但是，如果发生过移动，那又会产生新的问题，即如何解释水星的超大金属内核。无论如何，信使号的发现撼动了太阳系的形成理论，这一点毫无疑问。

                                             水星全景图

上图是利用信使号拍摄的图像合成的水星全景图。不同颜色代表物质组成不同。在信使号的帮助下，人类首次获得了水星的全景图。由于是将球面铺开成平面，所以图像的上下方有些变形。

水星上奇妙的磁场

我们来看一下信使号的另外一个重大发现吧。水星上存在磁场，这是水手10号首次近距离观测水星时发现的。体积比金星和火星还小的水星上竟然存在磁场，实在令人震惊。行星上形成磁场需要液体的金属内核，我们曾以为，直径很小的水星，其金属内核已经完全冷却凝固，而磁场也已完全消失。

信使号也观测到了水星的磁场。因为我们早已知道水星存在磁场，所以这在意料之中。但引起研究人员关注的是，水星上磁场的发生源好像偏离了水星中心点470千米。水星的半径约2400千米，偏离的距离相当于水星半径的1/5。

这暗示着水星内部有不均匀的结构。可以说，由于信使号的发现，水星磁场更加神秘了。

去很难，去了也很难

从水手10号到信使号，中间为何会有30多年的“空白期”呢？这是因为，到达水星，再进入环绕轨道，这是非常困难的。

要到达水星，只要朝着太阳的方向“降落”即可，所以按直觉这应该是比较容易的事情。但实际上，如果不消耗大量的能量（燃料）进行大幅减速，就无法“降落”到水星的公转轨道附近。而且，要进入水星的环绕轨道还需要更多的能量（减速）。如果把信使号消耗的能量用于朝着太阳系外前进，甚至有可能脱离太阳的引力圈。

而且，由于水星距离太阳很近，高温防护措施必不可少。在水星距离太阳最近的近日点附近，太阳传送到水星的热量是在地球轨道附近的11.4倍。在太阳的热量和强烈的紫外线之外，高温状态下的水星表面散发的热量也非常强。

因此，信使号在安装了遮挡热量与紫外线的防护罩的同时，不得不选择在水星南极远离水星的环绕轨道。这样一来，在南极一侧，信使号不会接收到来自水星的热量，但这样对南极一侧的地形和磁场的观测精度就会有所降低。

信使号在如此残酷的环境下，将原本预计1年的观测时间延长至3年，为我们发送来了水星外貌的图片。

日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）与欧洲空间局（ESA）正在共同开发的探测器比皮科伦坡预计将于2017年发射升空，顺利的话，2024年1月将到达水星。

比皮科伦坡计划将JAXA方面负责的水星磁力圈探测器与ESA方面负责的水星表面探测器同时送入水星环绕轨道，是一个雄心勃勃的宏伟项目。信号使留下的“作业”，我们期待比皮科伦坡为我们做出解答。

JAXA与ESA正在共同开发的水星探测器比皮科伦坡

比皮科伦坡是由水星磁力圈探测器及其防晒装置、水星表面探测器和离子发动机模块组成。它们以组合在一起的状态从地球发射升空，即将进入水星环绕轨道之前分离。到达水星需要大幅度减速，利用离子发动机（瞬间输出功率很小，但使用的是太阳能发电的电力，效率很高）的逆向喷射可以进行长时间减速。同时，还会进行绕行星变轨减速（地球1次，金星2次，水星5次）。所谓绕行星变轨，是指让探测器通过行星等天体附近，利用天体的引力改变探测器前进方向的技术。另外，比皮科伦坡的命名是来自意大利天文学家朱塞佩·科伦坡（Giuseppe Colombo，1920～1984）的昵称比皮·科伦坡（Bepi Colombo）。科伦坡提出了水手10号接近水星时绕行星变轨的步骤，并向NASA提出了这个方案。

（本文发表于《科学世界》2016年2期）