水星記:那些飛往水星的探測器!

2019年04月22日
宇宙浩瀚,奧秘無窮!
人類一直在太空探索的路上前行。
人造地球衛星、月球探測器、火星探測器……
無數的探測器伸向外太空,
期待為我們揭開更多秘密。
今天,就要帶大家看一看
那些年飛往水星的探測器!
水星探測難在哪?
水星是距離太陽最近的行星,其次是金星、地球和火星。地球和它之間隔了一個金星。但實際上,從統計結果來看,比較金星和火星,水星反而更像是地球的鄰居,原因就在于地球和這些行星的會合周期(和地球距離達到最大或最小的周期)差距:水星116天,金星584天,火星780天。因而,水星經常和地球“見面”,長時間都是距離地球最近的行星,而金星和火星經常性地位于太陽系中與地球相對的另一端的角落里。
水星這個“水”字并沒有科學依據,只是個說法而已。實際上它距離太陽最近,被炙烤得最厲害,水分和大氣是極難保存的。地球距離太陽1.5億千米,接收到的能量僅為太陽能量的22億分之一,僅這些能量就強大到足以孕育地球上所有生命。水星距離太陽平均下來僅為4600~7000萬千米,面對的條件卻更加惡劣——它面對太陽的一面溫度可以高達430℃(中餐的大火爆炒也僅在300℃以內),而背對太陽的一面則是低至-170℃的極寒地帶。
水星太小,引力不足以維持任何大氣,那里幾近完全真空。同時,越小的體積就越容易散失熱量。在經過億萬年演化后,水星現在內部地質活動幾乎停止,所以也不會產生足夠強的磁場。因此,在僅有地球1.1%強度的磁場?;は?,水星根本無法抵御太陽附近強大的太陽風和電磁輻射,這導致水星是個幾乎不可能孕育生命的蠻荒之地。
同時也因它距離太陽最近,所以運轉速度也是所有行星里最快的,達到了驚人的47.89千米/秒,大幅超過地球的29.8千米/秒。它也因此獲得了西方神話傳說里飛行使者——信使神墨丘利(Mercury)的美名。
但這也使得對它的探測極其艱難:航天器一旦離開地球向軌道內側的太陽飛去時,便會受太陽的強大引力不斷加速,越飛越快。小小的水星因處在太陽系最內側,運動速度最快且引力極小,因此引力影響范圍極小,導致航天器極難跟上并在它附近做環繞運動,至少人類現有技術不可能直接剎車留在這個軌道。
在水星北極的永久陰暗坑洞內,可能藏著一些凍冰(圖片來源/NASA)
水星探測接力
1水手10號
水手10號任務的藝術效果圖(圖片來源/NASA)
1973年11月3日,美國的水手10號(Mariner 10)探測器從地球發射,它的使命是探測水星,但僅能從水星附近飛掠而過,大致“遠觀”一下而已。不過這個任務取得了極大的成功。1974年3月29日,它首次近距離飛掠水星,當時距離為700千米左右,1975年3月16日時再次飛掠,最近距離僅有300千米左右,這相比它上億千米的旅程而言簡直精準到不可思議。
在它有限的觀察時間內,它利用攜帶的相機拍下了約2800張水星照片(約占水星表面的40%),這是人類第一次看清楚水星的表面。它還利用輻射儀發現了水星表面向陽面和背陰面存在巨大溫差,周身幾乎沒有磁場、大氣層也極其稀薄,基本就是不毛之地。
2信使號
信使號任務的藝術效果圖(圖片來源/NASA)
后來,科學家們發現,為了能夠環繞水星,必須讓航天器不斷借助金星和地球的引力影響改變飛行的速度大小和方向,相當于蹦床時為了達到某個點花很長時間不斷蓄勢。因此對水星的探測普遍要耗時數年,必須一步一步調、極其耐心,才有可能。
這一系列技術難度極大,人類歷史上僅有美國國家航空航天局的信使號(Messenger)完成了環繞水星這一使命。它自2004年發射后花了7年時間才最終環繞水星!
信使號在水星工作了4年時間,這期間它做了大量有價值的工作。它不僅繪制了水星非常詳細的全球地圖、高程圖,從地貌甚至可以反推出水星曾經的地質運動,例如火山噴發痕跡。信使號還研究了水星的磁場變化和大氣演變,不過相對地球而言它們依然弱到可以忽略不計。
讓人驚喜的是,它發現水星極其稀薄的大氣中竟然存在一定的水蒸氣,而在北極附近的撞擊坑中,還出現了有機化合物和水存在的證據,但這距離發現生命還很遙遠。信使號在2015年任務結束后就撞擊向水星表面,永遠停留在那里,但它的發現還是激勵了后續任務的開展。
3貝皮·科倫坡衛星
貝皮·科倫坡號7年內的預計軌道(圖片來源/歐洲太空局)
2018年10月20日,歐洲太空局和日本共同研發的貝皮·科倫坡衛星(Bepi Colombo)成功發射。它起名自意大利科學家朱塞佩?科倫坡(Giuseppe Colombo,1920-1984)的昵稱,他提出了探測水星必須采取金星借力的方案,對水星研究做出了巨大貢獻。為了抵達水星,這個探測器最終需要花費7年時間,1次飛過地球、2次飛過金星、5次飛過水星,逐漸調整軌道才有可能在2025年抵達地球這個看似并不遠的鄰居,整個過程的難度可想而知。
在抵達水星軌道后,探測器將會一分為二,一個重點做水星全球勘探,在各個觀測波長觀測水星地質地貌,甚至可以研究地表淺層。這將幫助科學家研究水星曾經的歷史,甚至可以找到太陽和它共同演化的過程,畢竟水星是距離太陽最近的行星,它一定保留了太陽系早期演化更多的痕跡。另一個被釋放的探測器則主要研究水星極其微弱的磁場以及受太陽風影響產生的磁氣層,水星的磁場產生機制和演化規律,也是人類尚未完全確定的謎之所在。
目前,貝皮·科倫坡號正在深空旅行中,一切順利!
從水手10號到信使號,再到貝皮·科倫坡號,水星探測的接力棒還在傳遞,期待更多探測成果為我們揭開水星的奧秘。
來源:知識就是力量公眾號
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