水星探测：奔赴冰与火的世界 | 科学世界·星际征途

太阳系里从水星到火星的类地行星占据的空间，通常被称为内太阳系。水星，作为离太阳最近的行星，代表着内太阳系的边疆地带，充满神秘，却又不易到达。本期星际征途，由来自中山大学的王一尘博士和肖智勇教授，向我们展示人类水星探测的历程，揭开水星神秘的面纱。王一尘博士，2024年获得博士学位，目前在中山大学从事博士后研究工作，使用NASA信使号任务数据研究水星表面的撞击历史和成分特性。肖智勇教授是信使号任务团队成员，嫦娥探月项目科学团队成员，长期从事月球和水星的地质学研究，并参与嫦娥五号和嫦娥六号月球样品分析。

专栏主持人：李荐扬

水星（Mercury），古称辰星，是中国古代天文观测的重要目标之一。水星是太阳系最小且距离太阳最近的行星，其直径约为地球的三分之一，平均轨道半径仅为日地距离的0.4倍。由于距离太阳较近，水星绕太阳公转的速度极快，远超其他行星，仅需要约88个地球日便能完成次公转。因此，在罗马神话中，水星被称为“墨丘利”（Mercurius），是快速奔跑的信使神；而在希腊神话中对应“赫耳墨斯”(Hermes)，形象为戴着有翅膀的头盔、手持手杖的传信使者。

山高“水”长：水星探测为何如此困难?

相比于人类对月球进行的百余次探测，对水星的探测频率和认知程度显得逊色很多。迄今为止，仅有水手10号（Mariner 10）和信使号（MESSENGER）探测器曾到访过水星，还有就是目前仍在奔赴水星途中的贝比科隆博号（BepiColombo）探测器。

然而，水星距离地球并不遥远，为什么水星探测任务如此之少？原因在于水星之旅太过艰难。

作为一颗行星，水星的质量仅为地球的5.5%，探测器很难被水星的引力“捕获”；同时，太阳的引力场又太过巨大，探测器一不小心就可能直接被太阳的引力“拉走”。因此，探测器要想安全抵达水星，需要不断地减速刹车，稍有不慎便会与水星擦肩而过。

水星与太阳的平均距离仅为5790万千米，表面温差极大：白天表面最高温度可达427°C，夜晚最低可低至-173°C。如此严酷的“冰火两重天”，对探测器的热防护设计提出了极高的要求。虽然探测器通常能耐受严寒，但对抗高温则需要设计复杂的散热和隔热系统。

因此，水星探测技术复杂、成本高昂、周期漫长。在1973年，人类才有了第一艘水星探测器——水手10号，但受制于当时的工程技术水平，无法实现稳定的环绕探测，只能在1974~1975年间3次飞掠水星。一直到2004年发射的信使号，在经历了7年的飞行后才艰难地进入水星轨道，实现了人类首次水星在轨环绕探测。

这使得水星在太阳系的舞台上显得格外低调而神秘。也正是这种神秘感，激发了人类对水星探测的无尽兴趣和不竭动力；而水星探测的巨大难度，则一次次激励人类展现出无畏的勇气与非凡的合作精神。下面，我们来一起回顾人类探索水星的伟大历程，以及所取得的丰硕成果，逐步揭开这颗被太阳炽热光辉掩盖的行星的层层面纱。

水手10号：水星首次“侧脸”特写

水手10号是美国航天局（NASA）“水手号计划”中的第10次任务，同时也是人类首个造访水星的探测器。这个任务还开创了人类深空探测的诸多“首次”：首次执行双行星探测任务，对金星和水星进行联合观测；首次获取长周期彗星数据的探测器；首次成功利用重力助推（gravity assist，也称为“引力弹弓”）效应改变探测器轨道，并为以后的深空探测任务提供了高效的轨道调整方案。

直接飞抵水星需要消耗大量能量进行减速，这种方式不仅成本昂贵，还会减少科学载荷的搭载空间。在这一困境下，意大利科学家、数学家和工程师朱塞佩·科隆博（Giuseppe Colombo，1920～1984）创造性地将重力助推原理应用于探测器的轨道设计中。他提出利用金星的重力助推效应帮助水手10号降低轨道速度，从而更高效地抵达水星。为纪念他在水星探测领域的杰出贡献，目前正在奔赴水星的探测器以他的昵称——贝比·科隆博（BepiColombo）命名。

水手10号于1973年11月3日在美国发射升空，搭载有相机、紫外线分光计、红外线辐射计、磁力仪等科学载荷。1974年2月5日，它飞掠金星，并于同年3月29日第1次飞掠水星（轨道高度703千米）。随后，水手10号进入周期为176天的轨道（水星公转周期的2倍），每飞行1圈便飞掠水星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次飞掠探测（轨道高度为327千米，最接近水星的一次）。由于水手10号的轨道与水星的公转周期成简单的固定比率，而水星的公转周期和自转周期也成简单固定比率，每一次探测器回到水星的时候都出现在同样的位置。因此，3次飞掠都只能看见水星的同一张“侧脸”，占水星总表面约40%~45%的区域，平均分辨率约1千米/像素。

尽管在这一次造访中水星只向人类展示出了它的侧颜，但仍然给人类认识水星提供了宝贵的资料。水手10号的探测发现：水星的表面与月球非常相似，布满了密密麻麻的撞击坑（小行星撞击形成的凹坑）；水星出人意料地存在一个稀薄的大气层（后称为“外逸层”）和全球性磁场；水星的两极发现了疑似水冰的信号；水星内部可能存在巨大的铁质核心等。这些发现给人类带来了巨大的惊喜，也促使人类开始筹备下一次更全面、更精细的探测任务，以求窥探水星的全貌。

深度探测水星的全能“信使”

在水手10号任务之后，下一步的水星探测毫无疑问应当是轨道器环绕探测，开展全球性、多圈层、多视角的探测。然而，要实现在轨探测，还面临着任务设计、航天技术、热工程、科学载荷轻量化等方面的挑战。因此，直到1999年，NASA才选定信使号为下一次水星探测任务。信使号的英文全称为“MEcury Surface,Space ENvironment, GEochemistry and Ranging”，直译为“水星表面，太空环境，地球化学与测距”，取首字母组成单词“MESSENGER”，即“信使”之意。立项之后，信使号的开发、集成和测试任务历时4年半，最终于2004年8月3日成功发射。在之后的近7年时间内信使号先后通过1次地球、2次金星和3次水星重力助推减速后，于2011年3月18日进入水星轨道，开始了持续4年多的在轨观测。

信使号的总体科学目标是对水星开展全球性、多尺度的观测，探究水星内部-表面-空间环境的特征。核心科学目标包括：

（1）水星的密度为何如此高？

（2）水星的地质演化历史是怎样的？

（3）水星核的结构和状态是怎样的？

（4）水星磁场的特征和起源是怎样的？

（5）水星极区是否存在水冰？

（6）水星有哪些挥发性物质，它们的来源是什么？

为探究上述目标，信使号搭载了8台科学载荷，分别为：水星双成像系统（相机）、水星大气与表面成分光谱仪、伽马射线谱仪、水星激光高度计、X射线谱仪、磁强计、中子谱仪、高能粒子谱仪和射电仪。这些载荷能够对水星进行全球成像、地形测绘、表面的元素分布和物质组成探测，测量水星的磁场、大气和空间环境，推断水星内部结构和特征等。

信使号在轨4年的探测，收集了海量宝贵的科学数据，从根本上改变了人类对水星的认知。

信使号首次利用高分辨率相机绘制了水星的全球地图，向人类展现了这颗星球的完整面貌。水星整体呈现单调的暗灰色，表面却存在着丰富多样的地质特征：数不尽的撞击坑、高耸陡峭的悬崖、广袤的火山熔岩平原，还点缀着大量的火山口、与挥发分活动相关的亮斑（白晕凹陷）和暗点。这些迥异的地形地貌，形成于不同的地质时代、具有独特的物质组成与成因机制。因而，在不同科学手段和观测视角下，水星表面也可呈现出显著的差异，让水星看起来不再“朴实无华”，而展示出一幅幅五彩斑斓的地质画卷，记录着丰富的历史和奥秘供人类探索与解读。

水星上的中国艺术家和文学家

水星表面遍布大大小小的撞击坑，记录着水星悠久的演化历程。1976年，国际天文学联合会开始为水星上的撞击坑命名。不同于月球撞击坑以科学家名字命名，水星撞击坑向人类历史上伟大的艺术家和文学家们致敬，如莫扎特、贝多芬、托尔斯泰等。其中有22个撞击坑以我国历史人物命名，包括李白、李清照、关汉卿鲁迅等。这些名字被铭刻在最接近太阳的行星上，象征着人类艺术与文明的光辉，也是一种跨越时空的文化传承。

冰与火共存的世界

水星，尽管名字中带有“水”，实则却是一个“火”的世界。水星表面保留了大量火山活动的印记，展现出一个“热情奔放”的地质历史。根据信使号的探测数据，水星表面几乎完全被火山平原覆盖，快速漫延的熔岩填平了古老的撞击坑，侵蚀了早期地形，形成了蜿蜒的熔岩渠道。这些火山平原早在水星形成后的10亿年内就已多次覆盖整个星球，之后火山活动逐渐减弱，水星进入“休眠期”。与覆盖月球表面约17%表面积的月海玄武岩类似，覆盖水星表面约27%的平坦平原大多形成于溢流型玄武岩，但是其形成时间集中在约37亿年前后的2亿年内，代表了最近一次全球性火山喷发事件。

近期，科学家发现水星的火山活动可能比之前认为的更加“年轻”。在最近的10亿年内，水星仍存在小规模的爆发型火山活动。这一发现表明，在水星看似冷酷的外表下，依然有着一颗“跳动”的炽热内心，其幔部仍保有一定的热源，为这些晚期火山活动持续提供着动力。

左：水星火山平原；

中：水星熔岩渠道；

右：水星爆发型火山口及大面积分布的火山灰，在伪彩色图像中呈现亮黄色。

水星始终接受着太阳的炙烤，内部也涌动着炽热的熔岩，但水星依然在它的极区藏着“冰”的秘密。水星的极地有许多陨石撞击形成的深坑，而且由于地形遮挡，这些撞击坑底部永远被阳光所“遗忘”，温度常年低于-100°C，被称作“永久阴影区”。信使号在其中探测到了氢的存在，结合地基雷达的观测，科学家推测在永久阴影区的表层下10~20厘米的深度，可能有水冰赋存。这个发现为行星探测的潜在资源利用提供了宝贵的线索。

信使号另一个出人意料的发现是水星具有极高的挥发分含量，例如硫、钠、钾。由于水星距离太阳如此之近，太阳风（高速流动的带电粒子）的强烈轰击理应早已剥离了水星表面的挥发分物质，使其极为贫乏。然而，信使号发现水星富含挥发分，表面还广布着与挥发分活动密切关联的地貌——白晕凹陷(bright-haloed hollows)。这些凹陷形成在水星地质历史的近期乃至现在，表明水星仍存在着活跃的挥发分物质的供给与散失。在水星这样极端高温、强空间辐射的环境中，挥发分物质似乎仍能在“保存”与“流失”之间维持着微妙的动态平衡，这对于近恒星行星的形成和演化路径提供了关键的信息。

水星表面的白晕凹陷

水星的“铁核”与“钻石层”

水星的内部结构同样令人大为惊叹。作为太阳系类地行星中的“小个子”，水星却拥有一个体积占比高达80%的巨大核心，几乎全由铁和镍组成。科学家推测水星形成之初可能经历了剧烈的撞击事件，大碰撞剥离了绝大部分硅质外壳和水星幔，只留下了“铁胆”。

尽管如此，水星表面的铁元素含量却很低，反倒是碳的含量相对较高。信使号探测发现，水星整体暗淡的外观以及表面常见的暗色斑点，都与以石墨形式存在的碳有关。最新的研究发现，水星深部的碳可能在极端高压条件下形成钻石，并在行星演化过程中在核幔边界形成厚达16千米的“钻石层”。这一发现不仅让水星“身价倍增”，也为理解水星的起源与演化提供了新的研究视角。

接棒：从信使号到贝比科隆博

2015年4月30日，信使号以撞击水星表面的方式圆满结束了它的使命。2018年，由美国科学院院士、信使号首席科学家肖恩·所罗门（Sean Solomon）领衔的信使号团队汇集探测任务的研究成果，在剑桥出版社出版了集大成的著作《水星:信使号的发现》（Mercury:The View after MESSENGER），代表着基于信使号数据的水星科学研究告一段落。信使号的谢幕并非水星研究的终章，而是新探索的序曲。信使号颠覆了人类对水星的认知，同时留下了更多的谜团。同年，欧洲空间局（ESA）和日本航天局（JAXA）联合发射的贝比科隆博号探测器开赴水星。相较上一次30余年的等待，这次贝比科隆博号直接从信使号的手中拿到了水星探测的接力棒。

贝比科隆博号作为联合任务，由两个轨道器组成：由ESA主导的水星探测轨道器（MPO）和由JAXA主导的水星磁层轨道器（MMO）。来一趟水星不容易，两个探测器也是尽可能多地携带仪器。MPO一口气带了11个科学载荷，并针对信使号发现的重大科学问题进行性能上的调整与提升：拍摄分辨率更高、探测波段更宽、探测元素种类更多、探测面积更广、分析更精密，工程保障能力也更先进。MMO更专注于水星的磁场和太阳风的探测，搭载了5个载荷用于探测水星周围的空间环境。两个探测器将协同工作，以比信使号更近的轨道环绕水星，探索水星的磁场、表面、内部结构及其演化历程，回答水星留给人类的诸多谜题。

2018年10月20日，贝比科隆博号发射升空，开启了人类第3次奔赴水星的漫漫征程。本次飞行将经历一共9次重力助推制动，预计将花费7年时间从地球抵达水星。然而，由于探测器推进模块的供电系统出现问题，电推发动机未能以最大功率启动，导致贝比科隆博号的入轨时间由最初计划的2025年12月5日推迟至2026年11月。尽管时间延后，探测器整体运转一切正常，科学家们乐观地期待着它能按计划完成水星的深入探测。2025年1月9日，贝比科隆博号完成了最后一次飞掠水星，下一次的相逢便不再是匆匆擦肩而过，而是与水星近两年的日夜相伴了。

贝比科隆博最近一次飞掠水星拍摄照片——北部平原

向着内太阳系最后的边疆，进发！

自从人类首次将探测器送往水星，已经过去了51年；人类第一次看到水星的全貌，也已是10多年前的事情了。每一次水星探测，都是对技术与科学的极大挑战和突破。这些探测不仅推动了人类科技的进步，也逐步展现了国际合作的伟大力量。贝比科隆博号上搭载了16个国家直接参与研制的载荷，任务科研团队更是汇聚了全球行星科学家，包括中国科学家的智慧与力量。

每一次水星探测都是一场充满挑战的漫长征途，同时也是人类力量、勇气、好奇心、创新能力的综合体现。如今，我们已再次启程，无畏艰险且满怀期待，去探索内太阳系的边疆，去探究这个冰与火的世界里更多的奥秘。愿贝比科隆博号任务圆满成功，为人类的星际征途书写新篇！

作者简介

王一尘

中山大学科研博士后，从事天体表面地质过程研究。获NASA水星研究组Early Career Spotlight嘉奖。

肖智勇

中山大学教授，从事行星地质教学和科研。获侯德封青年科学家奖、AOGS杰出青年科学家和NASA MESSENGER团队贡献奖。入选国家重大人才工程计划。

本文摘编自《科学世界》杂志2025年第3期，文章内容略有删改。

实习编辑 | 范周桐