文|創(chuàng)瞰巴黎

導(dǎo)讀

“信使號”航天器捕捉到水星上存在冰特征。水星離太陽如此之近、如此之熱，水星上是否真的存在冰？這一多年來備受爭議的問題或?qū)⑼ㄟ^第三次水星探測——“貝皮·科倫坡任務(wù)”得到確切的答案。

一覽：

• 貝皮·科倫坡（BepiColombo）任務(wù)（2018-2028）是航天史上第三次探索水星地表和環(huán)境的任務(wù)。
• 水星是距離太陽最近的行星?？苽惼氯蝿?wù)旨在進(jìn)一步了解水星及其與太陽的相互作用。
• 由于太陽的引力過大，需要使用引力輔助技術(shù)才能避免航天器栽進(jìn)太陽——這可是個太空力學(xué)難題。
• 科倫坡航天器上的質(zhì)譜分析儀（MSA）將測量水星的離子構(gòu)成。
• 航天器還會確認(rèn)水星極地隕石坑中究竟存不存在冰。

水星是太陽系中最小的行星，四顆類地行星之一（以硅酸鹽巖石為主要成分），離太陽最近，也是唯一一顆與地球一樣有磁場的行星。然而，由于距離太陽太近，運(yùn)行速度太快，對水星的研究也是在所有行星中最少的。

繼美國國家航空航天局的“水手10號”探測器（1973年至1975年）和“信使號”探測器（2004年至2015年）后，貝皮·科倫坡任務(wù)（下稱科倫坡任務(wù)）是史上第三次探索水星地表和環(huán)境的任務(wù)，將分析水星的結(jié)構(gòu)、內(nèi)部動力、磁場產(chǎn)生及其與太陽和太陽風(fēng)的相互作用。通過比較研究，該任務(wù)還將加深人類對地球的理解，揭秘地球的陸地環(huán)境和行星際介質(zhì)的相互關(guān)聯(lián)。

科倫坡任務(wù)以意大利數(shù)學(xué)家、工程師貝皮·科倫坡（Giuseppe Colombo，亦稱Bepi Colombo，1920-1984）命名。在第一次前往水星的水手10號任務(wù)中，利用科倫坡提出的理論成功地進(jìn)行了引力輔助軌道的力學(xué)計(jì)算。

科倫坡任務(wù)還將勘探水星地表特征和化學(xué)成分。由于水星自轉(zhuǎn)軸的傾斜度極低，兩極隕石坑底部得不到陽光直射，此次任務(wù)將確認(rèn)永遠(yuǎn)處于陰影中的極地隕石坑中是否存在冰。此類觀測有利于了解太陽系的形成及母恒星附近行星的演化。

01 史無前例的科倫坡

科倫坡任務(wù)是歐洲首次進(jìn)行的水星的探測項(xiàng)目，共有兩個水星子軌道探測器，分別由歐洲航天局（ESA）與日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）開發(fā)，還有一個地球軌道衛(wèi)星。雙探測器的設(shè)置創(chuàng)下了行星探測史上的先例。第一個探測器是歐空局的水星行星軌道器（MPO），這是一顆三軸穩(wěn)定衛(wèi)星，在水星附近軌道運(yùn)行，研究水星的地表、地質(zhì)成分和外逸層（薄大氣層）。第二個探測器是日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)的水星磁層軌道器（MMO），為了凸顯日本元素，又稱 “澪（Mio）”，將在水星磁層中的遠(yuǎn)距離軌道運(yùn)行。

“澪”將對水星周圍的磁場、電場、粒子（離子和電子）和內(nèi)日光層進(jìn)行原位測量。由于兩個軌道飛行器處于不同的位置，人類將首次從兩個角度對水星進(jìn)行觀測，并從空間和時間兩個維度分析太陽風(fēng)和水星磁層之間的耦合、磁層和外逸層之間的能量物質(zhì)交換以及傳輸過程。

“當(dāng)?shù)竭_(dá)水星附近時，科倫坡航天器將經(jīng)受強(qiáng)烈輻射和超過350°C的高溫。”

科倫坡航天器還搭載了另外兩個模塊：水星轉(zhuǎn)移模塊（MTM）和水星磁層軌道飛行器遮陽板和接口結(jié)構(gòu)模塊（MOSIF），前者使用太陽能電力推進(jìn)技術(shù)，將航天器從地球送往水星，后者則安裝在探測器頂部，以保護(hù)“澪”在巡航階段免受熱流和紅外輻射的影響。當(dāng)航天器到達(dá)水星附近時，將經(jīng)受強(qiáng)烈的輻射和超過350°C的高溫——高到足以熔化探測器的所有部件儀器。為了抵御超高溫，此次任務(wù)設(shè)計(jì)了熱控制系統(tǒng)，避免航天器被強(qiáng)烈的紫外線輻射和來自太陽風(fēng)的帶電粒子流損壞。

02 高難度太空力學(xué)操作

科倫坡航天器已于2018年10月從法屬圭亞那的庫魯發(fā)射，并將于2025年12月進(jìn)入繞水星軌道。據(jù)法國國家科學(xué)研究中心（CNRS）等離子體物理實(shí)驗(yàn)室（LPP [1]）研究員Lina Hadid介紹：“航天器想要進(jìn)入水星軌道非常困難。水星離太陽很近，航天器容易被太陽引力‘吸走’?！睘榱朔乐箟嬋胩?，航天器必須在水星內(nèi)側(cè)日光層大幅減速。這是一個不小的太空力學(xué)挑戰(zhàn)！

盡管配備了新型高效離子電推進(jìn)器，但重達(dá)數(shù)噸的航天器幾乎不可能僅通過反推力剎車制動進(jìn)入繞水星軌道。Hadid補(bǔ)充道：“為了克服這個問題，科倫坡航天器需要利用引力輔助原理，在途中特地飛越幾個行星以調(diào)整軌道，所以巡航階段非常長。在巡航階段，探測器會得到三顆行星提供的九次‘助推’：地球1次、金星2次、水星6次，每次飛越都會收緊軌道，航天器最終將于2025年12月到達(dá)水星?！?/p>

2021年10月，科倫坡首次飛越水星，2022年6月第二次飛越，飛行高度僅距離水星表面不到200公里（“水手10號”、“信使號”都未曾降至此高度），拍攝到了布滿隕石坑的水星大地。自發(fā)射以來，探測器還于2020年4月飛過地球一次、2020年10月和2021年8月飛過金星兩次。

03 水星環(huán)境離子組成分析

Hadid指出：“科倫坡的巡航時間漫長，部分儀器在途中會關(guān)閉，所以無法頻繁進(jìn)行各類測量。不過‘澪’的一臺離子質(zhì)譜分析儀（MSA）會開啟——這是LPP開發(fā)的設(shè)備，我參與了開發(fā)工作?！边@臺質(zhì)譜儀將測量水星周圍的離子（帶電粒子）組成。盡管“信使號”上的FIPS儀器也具備類似功能，但它無法以高質(zhì)量精度識別重離子（氧及原子數(shù)更高的元素）而且其視野很有限。

Hadid進(jìn)一步解釋：“MSA光譜儀可識別多種離子，如鎂（Mg+，原子質(zhì)量M=24u）、硅（Si+，28u）、分子氧（O2+，32u）、鉀（K+，39u）或鈣（Ca+，40u），其質(zhì)量分辨率在太空任務(wù)中無與倫比。另外，‘澪’還搭載了雙波段磁通計(jì)，可于測量高頻磁場（100 mHz-640 kHz）。”

“我們利用首次飛越金星和水星的時機(jī)，糾正了機(jī)載軟件的一些問題?！?/p>

巡航期也是飛行器儀器檢查的重要階段。Hadid說：“正確校準(zhǔn)太空中的儀器，以確保其正常運(yùn)行至關(guān)重要！以MSA為例，我們利用了航天器第一次金星和水星飛越的時機(jī)，糾正了MSA機(jī)載軟件的一些問題，隨后靜候2022年6月第二次水星飛越期間的測量結(jié)果。果然，在第二次飛越期間，MSA揭示了高能行星質(zhì)子和氦離子（He+）的存在，還觀測到了重離子，但密度比‘信使號’先前探測到的要低。我們目前正在分析這些數(shù)據(jù)，以更好地了解這些離子的來源，與此同時期待著2023年6月的下一次水星飛越！”

水星上是否存在冰？這一多年來備受爭議的問題或?qū)⑼ㄟ^科倫坡任務(wù)得到確切的答案。20世紀(jì)90年代，研究人員通過阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)水星北部部分高緯度地區(qū)表現(xiàn)出異常高的光反射率?！靶攀固枴钡臋C(jī)載相機(jī)也觀察到這一現(xiàn)象，這些區(qū)域與水星表面存在的撞擊坑相吻合。與地球不同的是，由于水星的自轉(zhuǎn)軸沒有傾斜，因此這些隕石坑永遠(yuǎn)處于陰影中。

Hadid解釋道：“高反射率可能是由于隕石坑底部存在冰——但水星離太陽如此之近、如此之熱，這是一個難以置信的猜想。如果猜想得到證實(shí)，說明這些地方數(shù)十億年來都沒有太陽光的照耀！”

貝皮·科倫坡任務(wù)主要時間節(jié)點(diǎn)

2018年10月20日（01:45:28 UT）：從法屬圭亞那航天中心發(fā)射

2020年4月13日：飛越地球

2020年10月16日：飛越金星

2021年8月11日：飛越金星

2021年10月1日：首次飛越水星

2022年6月23日：飛越水星

2023年6月20日：飛越水星

2024年9月5日：飛越水星

2024年12月2日：飛越水星

2025年1月9日：飛越水星

2025年12月5日：進(jìn)入水星軌道

2027年5月1日：完成主體任務(wù)

2028年5月1日：完成后期任務(wù)