知识就是力量杂志 - 水星记:那些飞往水星的探测器!

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水星记:那些飞往水星的探测器! - 后花园网文 - 大杂烩

水星记:那些飞往水星的探测器! - 后花园网文 - 大杂烩

  撰文/毛新愿

  本文节选自《知识就是力量》杂志

  上周,

  大家是不是被黑洞的照片刷屏了?

  作为宇宙中的“超级网红”

  黑洞一直让人为之着迷。

  宇宙浩瀚,奥秘无穷!

  人类一直在太空探索的路上前行。

  人造地球卫星、月球探测器、火星探测器……

  无数的探测器伸向外太空,

  期待为我们揭开更多秘密。

  今天,知力君要带大家看一看

  那些年飞往水星的探测器!

  水星探测难在哪?

  水星是距离太阳最近的行星,其次是金星、地球和火星。地球和它之间隔了一个金星。但实际上,从统计结果来看,比较金星和火星,水星反而更像是地球的邻居,原因就在于地球和这些行星的会合周期(和地球距离达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,水星经常和地球“见面”,长时间都是距离地球最近的行星,而金星和火星经常性地位于太阳系中与地球相对的另一端的角落里。

  水星这个“水”字并没有科学依据,只是个说法而已。实际上它距离太阳最近,被炙烤得最厉害,水分和大气是极难保存的。地球距离太阳1.5亿千米,接收到的能量仅为太阳能量的22亿分之一,仅这些能量就强大到足以孕育地球上所有生命。水星距离太阳平均下来仅为4600~7000万千米,面对的条件却更加恶劣——它面对太阳的一面温度可以高达430℃(中餐的大火爆炒也仅在300℃以内),而背对太阳的一面则是低至-170℃的极寒地带。

  水星太小,引力不足以维持任何大气,那里几近完全真空。同时,越小的体积就越容易散失热量。在经过亿万年演化后,水星现在内部地质活动几乎停止,所以也不会产生足够强的磁场。因此,在仅有地球1.1%强度的磁场保护下,水星根本无法抵御太阳附近强大的太阳风和电磁辐射,这导致水星是个几乎不可能孕育生命的蛮荒之地。

  同时也因它距离太阳最近,所以运转速度也是所有行星里最快的,达到了惊人的47.89千米/秒,大幅超过地球的29.8千米/秒。它也因此获得了西方神话传说里飞行使者——信使神墨丘利(Mercury)的美名。

  但这也使得对它的探测极其艰难:航天器一旦离开地球向轨道内侧的太阳飞去时,便会受太阳的强大引力不断加速,越飞越快。小小的水星因处在太阳系最内侧,运动速度最快且引力极小,因此引力影响范围极小,导致航天器极难跟上并在它附近做环绕运动,至少人类现有技术不可能直接刹车留在这个轨道。

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  在水星北极的永久阴暗坑洞内,可能藏着一些冻冰(图片来源/NASA)

  水星探测接力

  1

  水手10号

  

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水手10号任务的艺术效果图(图片来源/NASA)

  1973年11月3日,美国的水手10号(Mariner10)探测器从地球发射,它的使命是探测水星,但仅能从水星附近飞掠而过,大致“远观”一下而已。不过这个任务取得了极大的成功。1974年3月29日,它首次近距离飞掠水星,当时距离为700千米左右,1975年3月16日时再次飞掠,最近距离仅有300千米左右,这相比它上亿千米的旅程而言简直精准到不可思议。

  在它有限的观察时间内,它利用携带的相机拍下了约2800张水星照片(约占水星表面的40%),这是人类第一次看清楚水星的表面。它还利用辐射仪发现了水星表面向阳面和背阴面存在巨大温差,周身几乎没有磁场、大气层也极其稀薄,基本就是不毛之地。

  2

  信使号

  

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信使号任务的艺术效果图(图片来源/NASA)

  后来,科学家们发现,为了能够环绕水星,必须让航天器不断借助金星和地球的引力影响改变飞行的速度大小和方向,相当于蹦床时为了达到某个点花很长时间不断蓄势。因此对水星的探测普遍要耗时数年,必须一步一步调、极其耐心,才有可能。

  这一系列技术难度极大,人类历史上仅有美国国家航空航天局的信使号(Messenger)完成了环绕水星这一使命。它自2004年发射后花了7年时间才最终环绕水星!

  信使号在水星工作了4年时间,这期间它做了大量有价值的工作。它不仅绘制了水星非常详细的全球地图、高程图,从地貌甚至可以反推出水星曾经的地质运动,例如火山喷发痕迹。信使号还研究了水星的磁场变化和大气演变,不过相对地球而言它们依然弱到可以忽略不计。

  让人惊喜的是,它发现水星极其稀薄的大气中竟然存在一定的水蒸气,而在北极附近的撞击坑中,还出现了有机化合物和水存在的证据,但这距离发现生命还很遥远。信使号在2015年任务结束后就撞击向水星表面,永远停留在那里,但它的发现还是激励了后续任务的开展。

  3

  贝皮·科伦坡卫星

  

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贝皮·科伦坡号7年内的预计轨道(图片来源/欧洲太空局)

  2018年10月20日,欧洲太空局和日本共同研发的贝皮·科伦坡卫星(BepiColombo)成功发射。它起名自意大利科学家朱塞佩科伦坡(GiuseppeColombo,1920-1984)的昵称,他提出了探测水星必须采取金星借力的方案,对水星研究做出了巨大贡献。为了抵达水星,这个探测器最终需要花费7年时间,1次飞过地球、2次飞过金星、5次飞过水星,逐渐调整轨道才有可能在2025年抵达地球这个看似并不远的邻居,整个过程的难度可想而知。

  在抵达水星轨道后,探测器将会一分为二,一个重点做水星全球勘探,在各个观测波长观测水星地质地貌,甚至可以研究地表浅层。这将帮助科学家研究水星曾经的历史,甚至可以找到太阳和它共同演化的过程,毕竟水星是距离太阳最近的行星,它一定保留了太阳系早期演化更多的痕迹。另一个被释放的探测器则主要研究水星极其微弱的磁场以及受太阳风影响产生的磁气层,水星的磁场产生机制和演化规律,也是人类尚未完全确定的谜之所在。

  目前,贝皮·科伦坡号正在深空旅行中,一切顺利!

  从水手10号到信使号,再到贝皮·科伦坡号,水星探测的接力棒还在传递,期待更多探测成果为我们揭开水星的奥秘。

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红楼梦那些细思极恐的细节

  

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