奔赴水星——貝皮科倫布號背後大揭祕
[ 摘要 ]貝皮科倫布號從上世紀90年代開始醞釀，到最終實現發射，歷時20多年才得以成行。
文/鄭永春：中國科學院國家天文臺研究員、行星專家
引子
2018年10月20日，貝皮科倫布號成功發射升空。這項任務由歐洲空間局(ESA)與日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)聯合進行，預計經過七年左右的飛行，將於2025年到達水星，進一步揭示水星的神祕面紗。
圖注：貝皮科倫布號被安裝到運載火箭上
1、夜空中的水星
在夜空中，水星的亮度只有-1.2星等，和天狼星差不多，水星最亮的時候，目視星等達-1.9等，但仍然只有金星最亮時的1/17。
早在公元前3000年的古埃及蘇美爾時代，人們便記錄發現了水星，古希臘人賦予它兩個名字：當它初現於清晨時稱為阿波羅，當它閃爍於夜空時稱為赫耳墨斯。不過，當時的古希臘天文學家們已經知道這兩個名字實際上指的是同一顆星星，赫拉克賴脫（公元前5世紀的希臘哲學家）甚至認為水星並非環繞地球，而是環繞著太陽執行。
從地球看過去，水星和太陽之間的視角距（即兩個天體在觀測者眼裡所張的角度）總是在18°~28°之間變化。所以人們總是在太陽的附近看到水星。我國古代把30°叫做“辰”，水星離太陽的視角距不超過一辰，因而稱為“辰星”。當水星位於太陽東側時，我們會在太陽落山後在西地平線上看到它，並在不久之後也落入地平線，因此也被稱為“昏星”。當水星位於繞日公轉軌道的另一邊，也就是太陽西側時，我們則只能在黎明太陽升起前在東方地平線看到它，而當太陽升起後，水星就會消失在太陽的光輝中，因而被稱為“晨星”。
由於水星太靠近太陽，太陽的背景光太強，使得水星經常因距離太陽太近而淹沒在耀眼的陽光之中，極不利於地面觀測，是一顆很難觀測的星球。只能在日出前或日落後的兩小時內才能觀測到，不管對它進行地基觀測還是空間觀測都十分困難。
2、去水星幹什麼
抵達水星後，貝皮科倫布號將開展必要的測量，目的是研究水星的物質組成、內部結構，以及水星的大氣層、磁層和演化歷史。與地球一樣，水星也是一顆行星，與其它行星之間既有相似之處，也有自己的特點，我們必需瞭解其他行星上是什麼樣子的，才能幫助我們更好地理解地球為什麼是現在這樣，這也是大多數行星探測的主要目標。
由於水星是與太陽最近的行星，因此，研究水星的形成過程，以及後續的演化過程，有助於揭示靠近恆星的行星的起源和演化過程，對太陽系外行星的研究有重要的參考意義。
水星作為一顆行星，需要研究它的形成過程，內部結構，地質特徵，物質組成，以及水星表面的撞擊坑分佈。
水星基本上沒有大氣層，但仍有外逸層，也就是水星殘留的大氣層，這次任務將研究水星大氣層的成分，以及大氣運動的動力學過程。
水星磁層的結構，研究磁層與太陽風等帶電粒子的相互作用和動力學過程。
確定水星磁場的起源。地球有磁場是源於地球內部有熔融的岩漿，像發電機一樣產生磁場。水星的內部應該已經固結，那麼，水星現在的磁場是如何形成的，這次任務將進行探測。
此前的信使號水星探測器已經在極地探測到了冰層，那麼，這次任務將探測這些揮發物的成分和來源。
對愛因斯坦廣義相對論進行實際檢驗。
圖注：水星看上去與月球很像，但實際上又很不同
3、水星探測難在何處
水星(Mercury)處於太陽系的內帶，屬於內行星，也是類地行星之一。在太陽系的八大行星中，水星最靠近太陽。
截至到目前為止，只有水手10號和信使號探測器對水星進行了近距離的觀測。貝皮科倫布號是飛往水星的第三個探測器。
圖注：發射之後，貝皮科倫布號將經過2次飛越金星，6次飛越水星，到2015年10月，才能進入環繞水星執行的軌道。
人類對水星的關注程度，明顯低於火星、月球、金星、木星和土星等星球。主要原因一方面在於有的科學家認為水星探測的科學價值不大，另一方面是由於水星靠近太陽，航天探測的難度比較高。
水星的質量和引力較小，軌道器要實現環繞水星，只需要較低的飛行速度即可。然而，在太陽引力作用下，水星探測器將不由自主地加速，這個矛盾對水星探測器的測量與控制提出了較高的要求。如果要在水星上著陸的話，由於水星基本沒有大氣，著陸器無法通過空氣阻力或降落傘減速。
4、幾經推遲，終於等到花開
貝皮科倫布號原計劃2012年4月發射，預計經過4年零兩個月的行星際巡航抵達水星。後推遲到計劃2013年8月發射，預計於2019年8月到達水星。結果計劃一再推遲，貝皮科倫布號直到2018年10月才發射。
深空探測任務大多歷時很長，貝皮科倫布號從上世紀90年代開始醞釀，到最終實現發射，歷時20多年才得以成行。如果等到科學探測資料傳回地球，一些人已經退休，一些人甚至已經離開人世，整整一代人已經過去了。這就需要科學家真的對此懷有濃厚興趣，才能如此長期堅守。
貝皮科倫布號除了兩個軌道器外，科學家原來還計劃釋放一個著陸器到水星上，實現人類航天器首次登陸水星。但遺憾的是，由於經費預算受限，以及技術難度巨大，曾經計劃的水星著陸器（MSE）已經被取消了。
圖注：裝配和檢測中的貝皮科倫布號
5、為什麼是歐洲和日本合作
從20世紀90年代以來，一些發達國家開始提出航天器探測水星的計劃。1995年，在歐洲空間局擬定的20年航天規劃中，就已經把水星探測放在十分重要的地位。而後，歐空局和日本聯合提出了貝皮科倫布號（BepiColombo）水星探測計劃，計劃對水星展開為期1年的科學探測。
貝皮科倫布號雖然是一次任務，卻由兩個航天器組成。其中，歐空局負責水星軌道器（MPO），這是一個三軸穩定的航天器，衛星在環繞水星的軌道上執行，配備11臺科學儀器，星下點指向水星表面。
水星軌道器上的科學儀器，包括照相機、光譜儀(覆蓋紅外、紫外、X射線、伽瑪射線、中子等探測波段)、輻射計、鐳射高度計、磁強計、粒子分析儀、Ka波段應答器和加速度計。其中，十臺儀器由歐空局成員國的科研機構在國家資助負責研製，一臺儀器由俄羅斯提供。
日本宇宙航空研究開發機構負責水星磁層軌道器（MMO），這是一個自旋穩定的航天器，配備五臺科學儀器。
水星磁層軌道器上的科學儀器，包括磁強計、離子光譜儀、電子能量分析儀、冷高能等離子探測儀、等離子波分析儀、照相機。這些儀器由國家資助下的科研機構負責研製，其中一臺來自歐洲，四臺來自日本。其中，歐洲方面對日本的科學儀器研製也做出了重要貢獻。
圖注：貝皮科倫布號探測器
圖注：貝皮科倫布號的探測軌道。圖中紅色近圓形軌道為水星軌道器的預定軌道，而黃色橢圓軌道為水星磁層軌道器的預定軌道。
貝皮科倫布號探測器使用太陽能電力推進系統，在從地球飛向水星的過程中，可不斷推動探測器，大大減少了化學燃料的使用，降低了發射時的重量。這是首次在大型深空探測任務中使用這種推進系統。
6、奇怪的探測器名
大家已經聽習慣了好奇號、勇氣號、機遇號、卡西尼號、新視野號這些探測器的名字，這顆水星探測器的名字就聽起來比較陌生了。
貝皮科倫布號是以義大利帕多瓦大學的貝皮o科倫佈教授（1920-1984）的名字命名的。這是一位具有極為豐富的想象力的數學家和工程師。他是第一個發現水星存在軌道共振的科學家，他發現，水星自轉三圈的時候，正好繞太陽兩圈。他還向美國國家航空航天局建議，利用金星的引力彈弓效應，把水手10號航天器放到太陽軌道上，從而使水手10號在1974到1975年間實現了三次飛越水星，讓我們得以見識水星的真面目。
為紀念貝皮o科倫布的科學成就，1999年在義大利那不勒斯舉行的會議上，歐空局科學計劃委員會決定，將他們的水星探測器命名為貝皮科倫布號。
7、信使號水星探測回顧
信使號（MESSENGER）是“水星表面、空間環境、地球化學與測距”（MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry and Ranging）的英文縮寫，而水星在希臘神話裡本就是上帝的信使。信使號於2004年8月3日在美國卡納維拉爾角發射場發射，藉助地球、金星和水星的引力，2011年進入水星軌道對其進行探測。
信使號探測器環繞水星的執行軌道是高偏心率的大橢圓軌道。距離水星最近點為200 km，最遠點為15193 km。信使號軌道面偏離水星赤道面80°，在近水點附近可以對水星表面和地質情況進行探測。
信使號任務探測了水星表面的化學成分、磁場特徵，研究水星的地質歷史；對水星核心的大小和狀態進行了探測，還探測了水星極地揮發份儲量，特別是發現了水星的極地存在水冰；此外，信使號還對水星的逃逸層和磁圈進行了測量。
8、卡路里盆地的新發現
自上世紀70年代以來，關於水星表面的火山活動及其在水星地質演化歷史中的作用，一直是科學界爭論的焦點。一些科學家認為火山活動對水星地質演化的影響基本可以忽略，另一部分科學家則認為，火山活動對水星的地質演化產生極其巨大的影響。
圖注：水星上的卡路里盆地
卡路里盆地是水星上一個巨大的撞擊盆地，直徑約為1550千米，大致相當於北京到福州的直線距離，也是太陽系中最大的撞擊盆地之一。
結合水手10號與信使號的探測資料，目前已經可以基本重建整個卡路里盆地的地質歷史。卡路里盆地形成於太陽系形成後的前10億年，大約為38億年前，當時，大量的小行星撞擊水星、火星、月球等類地行星，是一個重大撞擊十分密集的時代。與月球上的月海盆地一樣，緊隨著巨大撞擊事件之後，是十分活躍的火山噴發。火山噴發產生的岩漿流填充了巨大盆地的內部，形成了卡路里盆地中顏色相對較淺的紅色物質（上圖）。盆地內的其他小型撞擊坑，則是在岩漿填充之後才撞上去形成的。信使號還拍到卡路里盆地內一處有斜坡的大型火山，科學家認為這是盾狀火山，直徑大約95 千米。
信使號還發現了卡路里盆地中的一種特殊地形：一處直徑約800米高的高地周圍，有上百條向外輻射的裂紋，從空中看去如同一隻張牙舞爪的百足蜘蛛，這種地形從未在太陽系其他行星上發現過。科學家把這種地形命名為“蜘蛛”地形推測認為可能是火山噴發的殘餘遺蹟，“蜘蛛腿”可能是水星上隨處可見的山脊。
圖注：水星上的“蜘蛛”狀地貌
水星的體積雖然遠小於月球，但火山噴發對地質演化的影響卻遠大於月球。因此，火山活動對水星來說影響極為深遠，意義也格外重大。信使號探測資料說明，距今38億年至40億年之間，水星曾經有過劇烈的火山噴發，規模甚至覆蓋整個水星，持續時間較長，大規模的火山噴發活動，塑造了當今水星的主要地形地貌。
9、水星上居然有水
在信使號2008年1月14日第一次飛越水星期間，距離水星表面最近只有約200千米。利用信使號上搭載的雙重成像系統，拍攝了大約20%的水星表面，這些地方從未被航天器拍攝過，拍攝影象的清晰度大大超過了上世紀70年代水手10號所拍的照片。
下圖是2008年10月6日信使號探測器第二次飛越水星時拍攝的，當時兩者相距大約2.8萬千米。從信使號傳回地球的照片看，水星外表有點像西瓜。
圖注：信使號2008年10月6日飛越水星時拍攝的照片
信使號還驚人地發現，水星離太陽這麼近，溫度這麼高，它的逃逸層居然還有大量的水。同時，信使號發現了水星可能存在液態核心的一些證據，發現水星的磁場依然活躍，還發現一塊異常豐富的等離子體雲被“困”在水星的磁場中。這些發現極大地改變了人類對水星的已有認識。作為後來者，信使號的這些發現也為貝皮科倫布號的探測目標設計奠定了基礎。
延伸閱讀：水星的軌道共振
水星離太陽的距離在0.3075~0.4667天文單位（4600萬千米~6982萬千米）之間變化，平均距離為0.579×l08 千米（0.38天文單位），而地球是1.5×l08 千米（1天文單位）。水星繞太陽公轉軌道的偏心率較大，為0.2056，故其軌道很扁。水星的軌道面與黃道面之間的傾角為7.00487度。在太陽系天體中，水星的軌道偏心率和傾角是所有行星中最大的。
由於水星在近日點時總以同一經度朝著太陽，在遠日點時以相差90°的經度朝著太陽，所以水星隨著經度不同而出現季節變化。
水星在軌道上的平均運動速度為每秒48千米，是太陽系中運動速度最快的行星，是地球公轉速率的四倍多。水星繞太陽執行一週只需要87.969天。除公轉之外，水星本身也有自轉。過去認為水星的自轉週期應當與公轉週期相等，都是88天。1965年，美國天文學家戈登、佩蒂吉爾和羅·戴斯用安裝在波多黎各阿雷西博天文臺的、當今世界上最大的射電望遠鏡測定了水星的自轉週期，結果並不是88天，而是58.6462天（1407.5088天），正好是水星公轉週期的2／3。也就是說，水星繞日運轉2周（2個水星年），則相應自轉3周（3個水星日）。其結果，發生了水星的1天（從日出到下一次日出的一個晝夜，約176個地球日）相當於水星的2年（也是176天）的奇妙現象。