 《三思科学》电子杂志
2004年第4期
2004年11月1日
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信使的约会
信使号飞船前往水星
 碧声
美国东部时间8月3日凌晨2时16分（北京时间3日下午2时16分），美国“信使”号飞船从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地启程，前往访问神话中众神的信使——水星。这是一次次信使与信使的约会。
飞翔的信使
古人对天体的运动非常有兴趣，他们观察日升日落、月相和星星运行的轨迹，用以记录时间的流逝，指引航行路线。或许更重要的是，用天象来解释和预见人间的吉凶休咎。天文学是伴宗教而生的，古代天文学家往往身兼祭司与占星师之责，日月星辰被视为神明。水星是最靠近太阳的行星，古代中国人将它称为“辰星”，因为它离太阳总不会超过一辰（一辰为30度，十二辰为一周天）。这使它很不容易被观测到，但尽管如此，仍有许多古代文化记载了它。
例如，至少在公元前3000年左右，苏美尔人就知道水星了，在有关传说中的苏美尔王吉尔伽美什的史诗中，即有水星出现。水星离太阳近，只在薄暮或黎明前短暂的时段能看到，这种时而暮星时而晨星的特征，把我们的老祖宗搞得很糊涂，不少古代文化认为这是两颗星。古代希腊人把暮星称为赫尔墨斯，晨星称为阿波罗，直到公元前350年左右才明白这根本就是同一颗星。不过古人聪明起来也让人吃惊，古希腊的哲学家赫拉克利特就提出，水星和金星绕太阳转而非绕地球转。
赫尔墨斯与帕里斯，Palazzo d'Accursio, Bologna，1745。点击放大 | |
赫尔墨斯在罗马神话中的名字是墨丘利（Mercury），这也成了水星在西方语言中的正式名称。墨丘利是商人、旅行者和盗贼的保护神，形象是一名年轻男子，握一根头上盘着两条蛇的手杖，戴着有翼的帽子，鞋子上也长着翅膀，行走如飞，担任众神的信使。用他来命名水星，很可能是因为这颗行星在天空中运行最快。音乐家霍尔斯特描绘太阳系行星的《行星组曲》中，水星乐章称为“飞翔的信使”（The Winged Messenger）。
伽利略在1609年首次将望远镜指向天空，天文学与宗教从此正式分离。一年以后，他首次用望远镜观察了水星，却发现看不清楚。1639年，另一位意大利人Giovanni Zupus用更强力的望远镜研究了水星的轨道，发现水星也有相位变化，这表明它绕太阳运转，为哥白尼学说提供了进一步支持。
小小的异类
人们把水星、金星、地球和火星统称为“类地行星”，意思是与地球相似的行星。它们的表面都是固态的，整个星球主要由岩石矿物和金属构成，体积和质量都小，但密度比较大（相应地，那些以木星为代表的，主要由气体构成、体积大质量大但密度小的行星，就称为类木行星）。水星在类地行星中是比较特殊的一个——当然，实际上每颗类地行星都各有独特之处。比如火星的大小是地球三分一，但一天的长度几乎与地球相同。金星与地球差不多大，自转却慢得多。地球是唯一现在还有水的，金星和火星上很像是有过海洋，但现在完全干燥。要理解地球为什么变成这样而不是金星和火星那样，就必须理解所有类地行星的形成机制。水星是一个极端的例子，也是一个关键。
水星直径4880公里，约为地球直径的38%，是九大行星中第二小的，只比冥王星大。如果地球是个棒球，水星就是高尔夫球。水星的质量是地球的1/18，由于质量小，引力也比较小。如果你重100公斤，在水星上就只剩37公斤了。但水星的密度很大，仅比地球略低，在太阳系中位居第二。
水星与太阳的平均距离约为5800万公里，即0.38个天文单位（1个天文单位是地球与太阳的距离，约1.5亿公里）。离太阳最近时约4600万公里，最远时7000万公里。作为比较，冥王星与太阳的距离是59亿公里。站在水星上看到的太阳，有地球上看到的太阳的3倍那么大，11倍那么亮。水星只需要88个地球日就能绕太阳转一圈，冥王星需要248个地球年。水星在公转轨道上运行的速度也是最快的，秒速48公里，用这个速度从北京跑到广州，用不了一分钟。
水星的远日点以极慢的速度绕太阳进动，这个小问题在长时间里困扰人们。科学家一度认为这是另一颗内层行星的引力导致，甚至连这颗未知行星的名字都起好了，叫做“伏尔甘”（Vulcan，火神）。但结果是没有发现什么行星，广义相对论在20世纪初解决了这个问题。对水星进动的解释是广义相对论被接受的重要原因之一。古怪的轨道使水星上的观察者会看到古怪的景像，在某些地方，可看到太阳升起、在到达天顶的过程中不断变大，静止一会儿，稍稍往回运动一阵子，再停止，继续向前，一边变小一边落向地平线。
水星在公转的同时也自转，很长时间里人们以为水星自转周期与公转周期相同，这样它就永远以同一面朝着太阳，就像月亮永远以同一面朝着地球，直到20世纪60年代才发现并非如此。水星自转周期为56个地球日，大概是一个水星年的2/3。公转加自转的效果，是水星上的一个太阳日（从一个日出到下一个日出的时间）长达176个地球日，相当于水星上的两年。站在水星上不动，可以看到长达一整年（88个地球日）的白天，随后是一整年的黑夜。
水星有大气，但是稀薄到近乎没有。尽管大气的主要成分是氧，人还是无法在那里呼吸，因为即使全是氧气也远远不够。由于稀薄的大气基本没有储存热量的能力，加上离太阳很近，水星上白天阳光直射的区域温度比地球上高得多，可达到摄氏450度以下；夜里则会降到摄氏零下185度。不过水星并不是类地行星中温度最高的，金星的表面温度还要高些，达到480度以上，这要归功于它厚厚的、富含二氧化碳的大气产生的超强温室效应。水星上的温差之大，与大气之薄，在类地行星中都要数第一。大气的厚度与成分决定天空的颜色，地球上的天是蓝的，水星上的天空则是粉红色，并且白天也发暗。由于空气太稀薄，在水星上听不到声音。
相隔三十年
1971年，美国宇航局（NASA）首次开始计划探访太阳系内层的行星。在那以后3年，水星和金星处于合适的位置上，使得用一艘飞船就可以访问它们两个，节约成本。于是便有了耗资9800万美元的“水手10号”使命。水手10号于1974年3月29日首次飞掠水星，距水星表面700公里。人类第一次获得了近距离观察水星的图像。水手10号共3次飞掠水星，总共拍到了它约45%的表面，分辨率为1千米左右。
水手10号拍到的水星表面，点击放大 | |
水手10号的观测结果引起了科学家对水星更高的兴趣，然而再也没有飞船访问过水星，直到30年后的现在。这是因为，以当时的推进技术，人们只能够做到飞掠，而不能使飞船进入绕水星运转的轨道、进行更详细的观测。飞掠是指飞船近距离经过一颗行星，但并不进入环绕该行星的轨道。它有时是有意的，比如飞船还须前往下一目的地；有时则是无可奈何，比如飞船没有办法入轨。
直到80年代，科学家才发现，利用地球、金星和水星的引力作用，逐渐改变飞船的轨道，可以使它从环太阳轨道切入环水星轨道。但80年代的大环境并不适合行星探测，挑战者号航天飞机失事给美国航天事业造成了严重的断档，其它等待执行的探测任务又很多，终于轮到水星时，已经是21世纪了。
人们也对水星进行了一些地面观测，但大气抖动使观测很困难。至于哈勃太空望远镜，它的操作者们不愿意冒险用这个宝贝来看水星，因为那差不多等于直接望向太阳，很可能会使哈勃损坏。另外，有很多东西是非要近距离观察不可的。在信使号之后，还会有欧航局与日本合作的BepiColombo水星探测计划，该计划将于2011年和2012年向水星发射两个探测器，分别负责绘制水星地图和研究水星磁气圈。信使号与BepiColombo计划的科学家已就共享数据、合作探测事宜进行了商谈。
信使号是NASA的“发现”系列计划中第7个探测使命。发现计划是NASA在预算紧张的年代里提出的“多快好省”方案，是低成本、着眼于科研的行星际探测使命。已经执行的6项是：火星探路者、月球勘探者、NEAR近地小行星探测飞船、星尘号彗星探测飞船、研究太阳风的“创世纪”飞船，以及2002年发射后几个星期便失踪的“彗核之旅”飞船。
信使启程
信使号探测使命的全称是“水星表面、空间环境、地球化学和漫游区域”探测使命，取各个词的前一两个字母，拼起来便是“信使”（MESSENGER）——这样的简写方式，很难说只是巧合。美国约翰－霍普金斯大学的应用物理实验室（APL）为NASA管理这一使命，负责设计和建造飞船。戈达德空间飞行中心、科罗拉多大学和密歇根大学提供飞船携带的科学仪器。飞船发射升空后，由APL与NASA喷气推进实验室“深空网络”项目的工作人员一起操作。
信使号离开地球，艺术想象图 | |
8月3日，信使号由波音公司的德尔塔2型火箭发射升空。飞船发射时重1.1吨左右，其中有600千克是燃料。它携带的科学仪器包括：用于拍照的水星双重成像系统，分析水星壳层中有什么元素的伽马射线和中子光谱仪、X射线光谱仪，研究水星磁场的磁力计，测绘水星表面地形的激光高度计，分析大气和地表元素与矿物质的水星大气和表面成分光谱仪，分析水星周围磁气圈中带电粒子的高能粒子和等离子光谱仪。此外还将利用通信系统观测飞船在环水星轨道中的多普勒效应，即飞船速度变化对地面接收到的无线电信号频率的影响，根据这些数据可分析水星的质量分布。位于美国加利福尼亚州的沙漠、西班牙马德里附近和澳大利亚堪培拉附近的三个地面站负责与飞船联络。三个联络站各自相距120度，使得在地球自转时总能接收到飞船传来的信号。
信使号飞船 | |
信使号携带的燃料是液态化学推进剂，用于点燃助推器、调整轨道和姿态。平时它的动力来自两块太阳能电池板，和一块用于储存电力的镍氢充电电池。两块电池板的总面积达5平方米，不过其中只有1/3是发电单元，剩下2/3是小镜子，用于把将近70%的阳光反射掉，以免被晒得太热了。为了降温，飞船外面有一块用耐热材料制造的遮阳板，飞船外壳上也涂着一层同样的材料。这样，信使号就不需要多少特别耐高温的设备，更加稳定可靠。本着“多快好省”的原则，飞船的多数装备都采用市场上已有的标准设备，而非定制设备，并尽量少使用可靠程度未经证实的新技术。
信使号将于6年半之后到达水星，于2011年3月进入环水星轨道。在这期间它将飞行79亿公里，一次飞掠地球（2005年8月），两次飞掠金星（2006年10月和2007年6月），三次飞掠水星（2008年1月，2008年10月和2009年9月），共绕太阳飞行15圈。走这么漫长而复杂的路线，是为了借助地球、金星和水星的引力，为进入环水星轨道进行必要的轨道调整。三次飞掠水星将是测试科学仪器、进行初期观察、为入轨作准备的好机会。
信使号接近水星，艺术想象图 | |
信使号携带的燃料将有1/3消耗在入轨上，届时它必须减速到秒速0.83公里，经过调整、稳定等过程，进入第一科研轨道。这个轨道是很扁的椭圆，离水星表面最近200公里，最远15193公里，公转周期12小时。每24小时，飞船将有8小时时间可与地球通信。飞船轨道平面与水星赤道平面夹角为80度，轨道离水星最近的地方，位于水星北纬60度的Carolis盆地上空。太阳辐射压力等微小力量会略微改变飞船的轨道，对轨道周期不会有多大影响，但会影响轨道的最低高度。为了把最低高度保持在500公里以下以圆满完成科研任务，必须每个水星年启动推进器调整一次。
主要探测任务将在飞船入轨后的一个地球年里完成，这相当于水星上的大约两天，第一天将重点用各种仪器绘制水星地图，第二天进行其它科研。任务结束后飞船将继续绕水星运转，其间因损失能量而不断下降，最终无力再绕水星飞行，坠落于水星表面。整个探测计划将耗资4.27亿美元，作为对比，一架B-2轰炸机的价格超过20亿美元。
六个问题
信使号此去水星有着明确的任务，即为以下6个问题寻找答案。部分或全部地回答这些问题，将使人们更深入了解太阳系的演化，包括地球的形成过程。
1、水星的密度为何如此之大？
水星的平均密度约为 5.4克/立方厘米，仅比地球的5.5克/立方厘米略低。行星本身的引力会使它自身被压缩，引力比水星更大的地球，显然要压缩得更厉害些。如果不考虑引力因素，水星的“未压缩密度”将比地球更大，居太阳系首位。每颗类地行星都由一个富含铁的核和一层富含硅酸盐的岩石构成，根据行星平均密度即可判断铁核与岩石层占行星质量的比例。地球的铁核约占总质量的16%，而水星有70%的质量应当是铁，其中绝大部分在核里。这个主要由铁组成、可能还含一些镍的金属核，估计有月球那么大。这样，水星的外层岩石将只有600公里厚。而地球的岩石壳有3000公里厚，月球则基本上全是岩石。
为什么水星如此独特？是它在早年与大天体相撞时失去了大量外层物质，还是当初的岩石层被太阳烤薄了，再不然它生来就是这副模样？信使号的X射线光谱仪和伽马射线光谱仪将测定水星表面岩石中元素的丰度，可见光/红外光谱仪则将判断岩石里有什么矿物，据此判断以上哪个观点比较正确，或者可能有人们没想到的原因。
2、水星有过怎样的地质史？
水手10号拍摄到的水星表面，看起来很像月球表面，没有地球那样的板块构造运动（不同的大陆板块漂移、挤压）的迹象，而是布满了古老的环形山，巨大的环形山之间座落着平原。由于照片分辨率不够，无法判断这些平原是怎样形成的，它们可能是早期火山活动的遗迹，也可能是天体撞击抛出的物质沉积形成。
水手10号发现的一个最大地貌结构是Caloris（源自拉丁语的“热”）盆地，一个有多层外环的大坑，直径达1340公里，环绕着高达3000米的山，这是迄今在水星上发现的最高的山。这个大坑可能是40亿年前一颗大陨星产生的撞击坑。科学家猜想，大撞击产生了遍及整个星球的回波，使水星的另一面产生了我们看到的那种有许多圆丘的奇怪地形。水星表面还有许多巨大的悬崖峭壁，有的长达几百公里，高达几千米。别的星球上虽然也有类似的地形，但数量远不像这么多。看起来就像是水星的表面被挤压了一通，产生了许多褶皱。
信使号的光谱仪将测定水星表面的成分，照相机将拍摄水星上那些我们从未见过的区域，绘制完整的地形图，激光测高计将精确测绘水星地表结构。科学家希望据此能推断水星经历了怎样的地质过程。
3、水星的内核结构如何？
水手10号发现水星有磁场，这很让人吃惊。金星和火星都没有磁场，地球磁场被认为是其金属核的液态外壳的流动造成的（地核的外层是液体的，里面倒是固体的）。水星比地球小得多，它如果有过液态金属核，也早该冷却凝固了——表面那许多巨大的悬崖，可能正是这种冷凝收缩过程使表面挤压形成的。一个冷掉的固体核怎么能产生磁场？一个可能的解释是它还没有彻底凝固，因为里面有一些硫之类低熔点的元素。还有一种想法是，现在的磁场是水星原初磁场的残余。信使号将用激光高度计来测量水星沿其自转轴的缓慢摆动，根据摆动的幅度来判断水星内核的外层是液态还是固态。了解水星的内核结构，可帮助追寻地球磁场的起源。
水手10号拍到的水星表面，点击放大 | |
4、水星的磁场有何特性？
水星磁场大致像是地球磁场的缩微版，不过水手10号没来得及仔细研究它，连它的强度也没弄清楚。估算起来，水星磁场的场强大约是地球磁场的1%。地磁场是一个偶极的全球磁场，效果上相当于一根处在地核部位的巨大磁棒，水星磁场基本上也是这样。月球和火星就没有全球磁场，但有以某些岩石沉积区为中心的局部磁场，它们的形成原理也不清楚。地球磁场是动态的，受太阳风（太阳刮出的带电粒子流）的影响，会经常变化，影响输电网络和电子设备的工作。我们还可以从受干扰的电视画面上看到地磁场变动造成的影响。水星磁场似乎也是动态的，研究它可以帮助理解地球磁场与太阳活动的互动。信使号的磁力计将在4个水星年（水星上的两天，地球上一年）的时间里，观察水星磁场特征。高能粒子和等离子光谱仪则将观察太阳对水星磁场的作用。
5、水星两极的神秘物质是什么？
1991年首次获得的地面雷达照片显示，水星极地陨石坑内部，有一些区域对雷达波的反射率特别高。一个简单的推断是，那是冰——水冰！在离太阳最近的星球上有冰，这种想法乍看上去很愚蠢，不过仔细想来并非如此。首先水星的自转轴几乎是垂直于公转轨道平面的，并不倾斜，因此水星上没有四季之分，在两极区域，太阳永远也不会升得很高。而且水星大气极其稀薄，被阳光晒得很热的地方，热量也并不会随空气对流传向寒冷区域。在极地的某些大陨石坑里，有些地方永世见不到阳光，别处的热量也不会传过来，因而温度始终很低，在摄氏零下212度以下。彗星或陨星带来的冰，落在这些区域，可能储藏几十亿年。也有可能是行星大气中的水蒸气冻在了极地（其它区域在夜里也会结冰，但黎明一到就化了）。当然，这些神秘物质也可能不是冰，而是某些特别的沉积物，例如从岩石矿物里经过漫长时间升华出来的硫凝结形成。如果这些物质是水冰，其中的氢元素将被信使号的伽马射线和中子光谱仪探测到；如果是硫，则将被紫外线和高能粒子光谱仪探测到。
6、水星上哪些可挥发物质至关重要？
水星大气极为稀薄，薄到气体分子并不相互碰撞，而是与地面碰撞。这样的大气叫做“外逸层”，由于水星很热，引力也不够，气体分子很快就逃逸了。因此，与地球相对稳定的大气不同，水星的大气是随时更新的。已知其中有六种元素：氢、氦、氧、钠、钾、钙。氢和氦是宇宙中最丰富的物质，也是恒星的主要成分，因此水星大气中的氢和氦至少部分来自于太阳风。一部分氢和氧可能来自彗星和陨星。还有一部分氧以及金属元素可能来自岩石。使这些元素从岩石进入大气的过程可能有几种，比如分子撞击使岩石挥发，阳光使岩石挥发，太阳风里的离子打击岩石，行星内部释放气体，等等。不同的过程会导致元素含量比例不同，信使号的紫外和高能粒子光谱仪将研究大气层分，将之与岩石成分比较，判断是什么样的过程向大气贡献了分子。
公众可能会关心的另一个问题是，水星上有生命吗？如果信使号发现了什么生命迹象，那可是天大新闻，不过这实在是没多大可能。前面说过，水星的大气稀薄到等于没有，而我们所知的生命是不能在真空中产生和存活的。尽管地球上发现了一些能在艰苦环境下生存的生物，例如深海热液喷口上的虫子、油页岩上的细菌等等，但比起水星上600多摄氏度的温差，这样的环境实在算不上极端。而且水对生命来说总是必不可少的，并没有证据表明水星上有液态水。至于不需要水和空气的全新形式的生命……那实在还不是人类理解范围内的事。
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