太陽系里從水星到火星的類地行星占據(jù)的空間，通常被稱為內(nèi)太陽系。水星，作為離太陽最近的行星，代表著內(nèi)太陽系的邊疆地帶，充滿神秘，卻又不易到達(dá)。本期星際征途，由來自中山大學(xué)的王一塵博士和肖智勇教授，向我們展示人類水星探測的歷程，揭開水星神秘的面紗。王一塵博士，2024年獲得博士學(xué)位，目前在中山大學(xué)從事博士后研究工作，使用NASA信使號任務(wù)數(shù)據(jù)研究水星表面的撞擊歷史和成分特性。肖智勇教授是信使號任務(wù)團(tuán)隊(duì)成員，嫦娥探月項(xiàng)目科學(xué)團(tuán)隊(duì)成員，長期從事月球和水星的地質(zhì)學(xué)研究，并參與嫦娥五號和嫦娥六號月球樣品分析。

專欄主持人：李薦揚(yáng)

水星（Mercury），古稱辰星，是中國古代天文觀測的重要目標(biāo)之一。水星是太陽系最小且距離太陽最近的行星，其直徑約為地球的三分之一，平均軌道半徑僅為日地距離的0.4倍。由于距離太陽較近，水星繞太陽公轉(zhuǎn)的速度極快，遠(yuǎn)超其他行星，僅需要約88個地球日便能完成次公轉(zhuǎn)。因此，在羅馬神話中，水星被稱為“墨丘利”（Mercurius），是快速奔跑的信使神；而在希臘神話中對應(yīng)“赫耳墨斯”(Hermes)，形象為戴著有翅膀的頭盔、手持手杖的傳信使者。

山高“水”長：水星探測為何如此困難?

相比于人類對月球進(jìn)行的百余次探測，對水星的探測頻率和認(rèn)知程度顯得遜色很多。迄今為止，僅有水手10號（Mariner 10）和信使號（MESSENGER）探測器曾到訪過水星，還有就是目前仍在奔赴水星途中的貝比科隆博號（BepiColombo）探測器。

然而，水星距離地球并不遙遠(yuǎn)，為什么水星探測任務(wù)如此之少？原因在于水星之旅太過艱難。

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，太陽的引力場又太過巨大，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(dá)水星，需要不斷地減速剎車，稍有不慎便會與水星擦肩而過。

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(dá)427°C，夜晚最低可低至-173°C。如此嚴(yán)酷的“冰火兩重天”，對探測器的熱防護(hù)設(shè)計(jì)提出了極高的要求。雖然探測器通常能耐受嚴(yán)寒，但對抗高溫則需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的散熱和隔熱系統(tǒng)。

因此，水星探測技術(shù)復(fù)雜、成本高昂、周期漫長。在1973年，人類才有了第一艘水星探測器——水手10號，但受制于當(dāng)時的工程技術(shù)水平，無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的環(huán)繞探測，只能在1974~1975年間3次飛掠水星。一直到2004年發(fā)射的信使號，在經(jīng)歷了7年的飛行后才艱難地進(jìn)入水星軌道，實(shí)現(xiàn)了人類首次水星在軌環(huán)繞探測。

這使得水星在太陽系的舞臺上顯得格外低調(diào)而神秘。也正是這種神秘感，激發(fā)了人類對水星探測的無盡興趣和不竭動力；而水星探測的巨大難度，則一次次激勵人類展現(xiàn)出無畏的勇氣與非凡的合作精神。下面，我們來一起回顧人類探索水星的偉大歷程，以及所取得的豐碩成果，逐步揭開這顆被太陽熾熱光輝掩蓋的行星的層層面紗。

水手10號：水星首次“側(cè)臉”特寫

水手10號是美國航天局（NASA）“水手號計(jì)劃”中的第10次任務(wù)，同時也是人類首個造訪水星的探測器。這個任務(wù)還開創(chuàng)了人類深空探測的諸多“首次”：首次執(zhí)行雙行星探測任務(wù)，對金星和水星進(jìn)行聯(lián)合觀測；首次獲取長周期彗星數(shù)據(jù)的探測器；首次成功利用重力助推（gravity assist，也稱為“引力彈弓”）效應(yīng)改變探測器軌道，并為以后的深空探測任務(wù)提供了高效的軌道調(diào)整方案。

直接飛抵水星需要消耗大量能量進(jìn)行減速，這種方式不僅成本昂貴，還會減少科學(xué)載荷的搭載空間。在這一困境下，意大利科學(xué)家、數(shù)學(xué)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(yīng)用于探測器的軌道設(shè)計(jì)中。他提出利用金星的重力助推效應(yīng)幫助水手10號降低軌道速度，從而更高效地抵達(dá)水星。為紀(jì)念他在水星探測領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)，目前正在奔赴水星的探測器以他的昵稱——貝比·科隆博（BepiColombo）命名。

水手10號于1973年11月3日在美國發(fā)射升空，搭載有相機(jī)、紫外線分光計(jì)、紅外線輻射計(jì)、磁力儀等科學(xué)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(jìn)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”，占水星總表面約40%~45%的區(qū)域，平均分辨率約1千米/像素。

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(rèn)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。這些發(fā)現(xiàn)給人類帶來了巨大的驚喜，也促使人類開始籌備下一次更全面、更精細(xì)的探測任務(wù)，以求窺探水星的全貌。

深度探測水星的全能“信使”

在水手10號任務(wù)之后，下一步的水星探測毫無疑問應(yīng)當(dāng)是軌道器環(huán)繞探測，開展全球性、多圈層、多視角的探測。然而，要實(shí)現(xiàn)在軌探測，還面臨著任務(wù)設(shè)計(jì)、航天技術(shù)、熱工程、科學(xué)載荷輕量化等方面的挑戰(zhàn)。因此，直到1999年，NASA才選定信使號為下一次水星探測任務(wù)。信使號的英文全稱為“MEcury Surface,Space ENvironment, GEochemistry and Ranging”，直譯為“水星表面，太空環(huán)境，地球化學(xué)與測距”，取首字母組成單詞“MESSENGER”，即“信使”之意。立項(xiàng)之后，信使號的開發(fā)、集成和測試任務(wù)歷時4年半，最終于2004年8月3日成功發(fā)射。在之后的近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(jìn)入水星軌道，開始了持續(xù)4年多的在軌觀測。

信使號的總體科學(xué)目標(biāo)是對水星開展全球性、多尺度的觀測，探究水星內(nèi)部-表面-空間環(huán)境的特征。核心科學(xué)目標(biāo)包括：

（1）水星的密度為何如此高？

（2）水星的地質(zhì)演化歷史是怎樣的？

（3）水星核的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)是怎樣的？

（4）水星磁場的特征和起源是怎樣的？

（5）水星極區(qū)是否存在水冰？

（6）水星有哪些揮發(fā)性物質(zhì)，它們的來源是什么？

為探究上述目標(biāo)，信使號搭載了8臺科學(xué)載荷，分別為：水星雙成像系統(tǒng)（相機(jī)）、水星大氣與表面成分光譜儀、伽馬射線譜儀、水星激光高度計(jì)、X射線譜儀、磁強(qiáng)計(jì)、中子譜儀、高能粒子譜儀和射電儀。這些載荷能夠?qū)λ沁M(jìn)行全球成像、地形測繪、表面的元素分布和物質(zhì)組成探測，測量水星的磁場、大氣和空間環(huán)境，推斷水星內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特征等。

信使號在軌4年的探測，收集了海量寶貴的科學(xué)數(shù)據(jù)，從根本上改變了人類對水星的認(rèn)知。

信使號首次利用高分辨率相機(jī)繪制了水星的全球地圖，向人類展現(xiàn)了這顆星球的完整面貌。水星整體呈現(xiàn)單調(diào)的暗灰色，表面卻存在著豐富多樣的地質(zhì)特征：數(shù)不盡的撞擊坑、高聳陡峭的懸崖、廣袤的火山熔巖平原，還點(diǎn)綴著大量的火山口、與揮發(fā)分活動相關(guān)的亮斑（白暈凹陷）和暗點(diǎn)。這些迥異的地形地貌，形成于不同的地質(zhì)時代、具有獨(dú)特的物質(zhì)組成與成因機(jī)制。因而，在不同科學(xué)手段和觀測視角下，水星表面也可呈現(xiàn)出顯著的差異，讓水星看起來不再“樸實(shí)無華”，而展示出一幅幅五彩斑斕的地質(zhì)畫卷，記錄著豐富的歷史和奧秘供人類探索與解讀。

水星上的中國藝術(shù)家和文學(xué)家

水星表面遍布大大小小的撞擊坑，記錄著水星悠久的演化歷程。1976年，國際天文學(xué)聯(lián)合會開始為水星上的撞擊坑命名。不同于月球撞擊坑以科學(xué)家名字命名，水星撞擊坑向人類歷史上偉大的藝術(shù)家和文學(xué)家們致敬，如莫扎特、貝多芬、托爾斯泰等。其中有22個撞擊坑以我國歷史人物命名，包括李白、李清照、關(guān)漢卿魯迅等。這些名字被銘刻在最接近太陽的行星上，象征著人類藝術(shù)與文明的光輝，也是一種跨越時空的文化傳承。

冰與火共存的世界

水星，盡管名字中帶有“水”，實(shí)則卻是一個“火”的世界。水星表面保留了大量火山活動的印記，展現(xiàn)出一個“熱情奔放”的地質(zhì)歷史。根據(jù)信使號的探測數(shù)據(jù)，水星表面幾乎完全被火山平原覆蓋，快速漫延的熔巖填平了古老的撞擊坑，侵蝕了早期地形，形成了蜿蜒的熔巖渠道。這些火山平原早在水星形成后的10億年內(nèi)就已多次覆蓋整個星球，之后火山活動逐漸減弱，水星進(jìn)入“休眠期”。與覆蓋月球表面約17%表面積的月海玄武巖類似，覆蓋水星表面約27%的平坦平原大多形成于溢流型玄武巖，但是其形成時間集中在約37億年前后的2億年內(nèi)，代表了最近一次全球性火山噴發(fā)事件。

近期，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)水星的火山活動可能比之前認(rèn)為的更加“年輕”。在最近的10億年內(nèi)，水星仍存在小規(guī)模的爆發(fā)型火山活動。這一發(fā)現(xiàn)表明，在水星看似冷酷的外表下，依然有著一顆“跳動”的熾熱內(nèi)心，其幔部仍保有一定的熱源，為這些晚期火山活動持續(xù)提供著動力。

左：水星火山平原；

中：水星熔巖渠道；

右：水星爆發(fā)型火山口及大面積分布的火山灰，在偽彩色圖像中呈現(xiàn)亮黃色。

水星始終接受著太陽的炙烤，內(nèi)部也涌動著熾熱的熔巖，但水星依然在它的極區(qū)藏著“冰”的秘密。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(yuǎn)被陽光所“遺忘”，溫度常年低于-100°C，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(dá)的觀測，科學(xué)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。這個發(fā)現(xiàn)為行星探測的潛在資源利用提供了寶貴的線索。

信使號另一個出人意料的發(fā)現(xiàn)是水星具有極高的揮發(fā)分含量，例如硫、鈉、鉀。由于水星距離太陽如此之近，太陽風(fēng)（高速流動的帶電粒子）的強(qiáng)烈轟擊理應(yīng)早已剝離了水星表面的揮發(fā)分物質(zhì)，使其極為貧乏。然而，信使號發(fā)現(xiàn)水星富含揮發(fā)分，表面還廣布著與揮發(fā)分活動密切關(guān)聯(lián)的地貌——白暈凹陷(bright-haloed hollows)。這些凹陷形成在水星地質(zhì)歷史的近期乃至現(xiàn)在，表明水星仍存在著活躍的揮發(fā)分物質(zhì)的供給與散失。在水星這樣極端高溫、強(qiáng)空間輻射的環(huán)境中，揮發(fā)分物質(zhì)似乎仍能在“保存”與“流失”之間維持著微妙的動態(tài)平衡，這對于近恒星行星的形成和演化路徑提供了關(guān)鍵的信息。

水星表面的白暈凹陷

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”，水星卻擁有一個體積占比高達(dá)80%的巨大核心，幾乎全由鐵和鎳組成?？茖W(xué)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(diǎn)，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(dá)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。

接棒：從信使號到貝比科隆博

2015年4月30日，信使號以撞擊水星表面的方式圓滿結(jié)束了它的使命。2018年，由美國科學(xué)院院士、信使號首席科學(xué)家肖恩·所羅門（Sean Solomon）領(lǐng)銜的信使號團(tuán)隊(duì)匯集探測任務(wù)的研究成果，在劍橋出版社出版了集大成的著作《水星:信使號的發(fā)現(xiàn)》（Mercury:The View after MESSENGER），代表著基于信使號數(shù)據(jù)的水星科學(xué)研究告一段落。信使號的謝幕并非水星研究的終章，而是新探索的序曲。信使號顛覆了人類對水星的認(rèn)知，同時留下了更多的謎團(tuán)。同年，歐洲空間局（ESA）和日本航天局（JAXA）聯(lián)合發(fā)射的貝比科隆博號探測器開赴水星。相較上一次30余年的等待，這次貝比科隆博號直接從信使號的手中拿到了水星探測的接力棒。

貝比科隆博號作為聯(lián)合任務(wù)，由兩個軌道器組成：由ESA主導(dǎo)的水星探測軌道器（MPO）和由JAXA主導(dǎo)的水星磁層軌道器（MMO）。來一趟水星不容易，兩個探測器也是盡可能多地?cái)y帶儀器。MPO一口氣帶了11個科學(xué)載荷，并針對信使號發(fā)現(xiàn)的重大科學(xué)問題進(jìn)行性能上的調(diào)整與提升：拍攝分辨率更高、探測波段更寬、探測元素種類更多、探測面積更廣、分析更精密，工程保障能力也更先進(jìn)。MMO更專注于水星的磁場和太陽風(fēng)的探測，搭載了5個載荷用于探測水星周圍的空間環(huán)境。兩個探測器將協(xié)同工作，以比信使號更近的軌道環(huán)繞水星，探索水星的磁場、表面、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其演化歷程，回答水星留給人類的諸多謎題。

2018年10月20日，貝比科隆博號發(fā)射升空，開啟了人類第3次奔赴水星的漫漫征程。本次飛行將經(jīng)歷一共9次重力助推制動，預(yù)計(jì)將花費(fèi)7年時間從地球抵達(dá)水星。然而，由于探測器推進(jìn)模塊的供電系統(tǒng)出現(xiàn)問題，電推發(fā)動機(jī)未能以最大功率啟動，導(dǎo)致貝比科隆博號的入軌時間由最初計(jì)劃的2025年12月5日推遲至2026年11月。盡管時間延后，探測器整體運(yùn)轉(zhuǎn)一切正常，科學(xué)家們樂觀地期待著它能按計(jì)劃完成水星的深入探測。2025年1月9日，貝比科隆博號完成了最后一次飛掠水星，下一次的相逢便不再是匆匆擦肩而過，而是與水星近兩年的日夜相伴了。

貝比科隆博最近一次飛掠水星拍攝照片——北部平原

向著內(nèi)太陽系最后的邊疆，進(jìn)發(fā)！

自從人類首次將探測器送往水星，已經(jīng)過去了51年；人類第一次看到水星的全貌，也已是10多年前的事情了。每一次水星探測，都是對技術(shù)與科學(xué)的極大挑戰(zhàn)和突破。這些探測不僅推動了人類科技的進(jìn)步，也逐步展現(xiàn)了國際合作的偉大力量。貝比科隆博號上搭載了16個國家直接參與研制的載荷，任務(wù)科研團(tuán)隊(duì)更是匯聚了全球行星科學(xué)家，包括中國科學(xué)家的智慧與力量。

每一次水星探測都是一場充滿挑戰(zhàn)的漫長征途，同時也是人類力量、勇氣、好奇心、創(chuàng)新能力的綜合體現(xiàn)。如今，我們已再次啟程，無畏艱險(xiǎn)且滿懷期待，去探索內(nèi)太陽系的邊疆，去探究這個冰與火的世界里更多的奧秘。愿貝比科隆博號任務(wù)圓滿成功，為人類的星際征途書寫新篇！

作者簡介

王一塵

中山大學(xué)科研博士后，從事天體表面地質(zhì)過程研究。獲NASA水星研究組Early Career Spotlight嘉獎。

肖智勇

中山大學(xué)教授，從事行星地質(zhì)教學(xué)和科研。獲侯德封青年科學(xué)家獎、AOGS杰出青年科學(xué)家和NASA MESSENGER團(tuán)隊(duì)貢獻(xiàn)獎。入選國家重大人才工程計(jì)劃。

本文摘編自《科學(xué)世界》雜志2025年第3期，文章內(nèi)容略有刪改。

實(shí)習(xí)編輯 | 范周桐