文|創(chuàng)瞰巴黎
導(dǎo)讀
“信使號(hào)”航天器捕捉到水星上存在冰特征。水星離太陽(yáng)如此之近、如此之熱，水星上是否真的存在冰？這一多年來(lái)備受爭(zhēng)議的問(wèn)題或?qū)⑼ㄟ^(guò)第三次水星探測(cè)——“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(yáng)最近的行星。科倫坡任務(wù)旨在進(jìn)一步了解水星及其與太陽(yáng)的相互作用。
- 由于太陽(yáng)的引力過(guò)大，需要使用引力輔助技術(shù)才能避免航天器栽進(jìn)太陽(yáng)——這可是個(gè)太空力學(xué)難題。
- 科倫坡航天器上的質(zhì)譜分析儀（MSA）將測(cè)量水星的離子構(gòu)成。
- 航天器還會(huì)確認(rèn)水星極地隕石坑中究竟存不存在冰。
水星是太陽(yáng)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(yáng)最近，也是唯一一顆與地球一樣有磁場(chǎng)的行星。然而，由于距離太陽(yáng)太近，運(yùn)行速度太快，對(duì)水星的研究也是在所有行星中最少的。
繼美國(guó)國(guó)家航空航天局的“水手10號(hào)”探測(cè)器（1973年至1975年）和“信使號(hào)”探測(cè)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(dòng)力、磁場(chǎng)產(chǎn)生及其與太陽(yáng)和太陽(yáng)風(fēng)的相互作用。通過(guò)比較研究，該任務(wù)還將加深人類對(duì)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(hào)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(yáng)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(cè)有利于了解太陽(yáng)系的形成及母恒星附近行星的演化。
01 史無(wú)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(cè)項(xiàng)目，共有兩個(gè)水星子軌道探測(cè)器，分別由歐洲航天局（ESA）與日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）開(kāi)發(fā)，還有一個(gè)地球軌道衛(wèi)星。雙探測(cè)器的設(shè)置創(chuàng)下了行星探測(cè)史上的先例。第一個(gè)探測(cè)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(gè)探測(cè)器是日本宇宙航空研究開(kāi)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(duì)水星周?chē)拇艌?chǎng)、電場(chǎng)、粒子（離子和電子）和內(nèi)日光層進(jìn)行原位測(cè)量。由于兩個(gè)軌道飛行器處于不同的位置，人類將首次從兩個(gè)角度對(duì)水星進(jìn)行觀測(cè)，并從空間和時(shí)間兩個(gè)維度分析太陽(yáng)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(guò)程。
“當(dāng)?shù)竭_(dá)水星附近時(shí)，科倫坡航天器將經(jīng)受強(qiáng)烈輻射和超過(guò)350°C的高溫?！?/p>
科倫坡航天器還搭載了另外兩個(gè)模塊：水星轉(zhuǎn)移模塊（MTM）和水星磁層軌道飛行器遮陽(yáng)板和接口結(jié)構(gòu)模塊（MOSIF），前者使用太陽(yáng)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(cè)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(shí)，將經(jīng)受強(qiáng)烈的輻射和超過(guò)350°C的高溫——高到足以熔化探測(cè)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(lái)自太陽(yáng)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(kù)魯發(fā)射，并將于2025年12月進(jìn)入繞水星軌道。據(jù)法國(guó)國(guó)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(yáng)很近，航天器容易被太陽(yáng)引力‘吸走’。”為了防止墜入太陽(yáng)，航天器必須在水星內(nèi)側(cè)日光層大幅減速。這是一個(gè)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(guò)反推力剎車(chē)制動(dòng)進(jìn)入繞水星軌道。Hadid補(bǔ)充道：“為了克服這個(gè)問(wèn)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(gè)行星以調(diào)整軌道，所以巡航階段非常長(zhǎng)。在巡航階段，探測(cè)器會(huì)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(huì)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(hào)”、“信使號(hào)”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(lái)，探測(cè)器還于2020年4月飛過(guò)地球一次、2020年10月和2021年8月飛過(guò)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(shí)間漫長(zhǎng)，部分儀器在途中會(huì)關(guān)閉，所以無(wú)法頻繁進(jìn)行各類測(cè)量。不過(guò)‘澪’的一臺(tái)離子質(zhì)譜分析儀（MSA）會(huì)開(kāi)啟——這是LPP開(kāi)發(fā)的設(shè)備，我參與了開(kāi)發(fā)工作?！边@臺(tái)質(zhì)譜儀將測(cè)量水星周?chē)碾x子（帶電粒子）組成。盡管“信使號(hào)”上的FIPS儀器也具備類似功能，但它無(wú)法以高質(zhì)量精度識(shí)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(shí)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(wú)與倫比。另外，‘澪’還搭載了雙波段磁通計(jì)，可于測(cè)量高頻磁場(chǎng)（100 mHz-640 kHz）?！?/p>
“我們利用首次飛越金星和水星的時(shí)機(jī)，糾正了機(jī)載軟件的一些問(wèn)題?！?/p>
巡航期也是飛行器儀器檢查的重要階段。Hadid說(shuō)：“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(shí)機(jī)，糾正了MSA機(jī)載軟件的一些問(wèn)題，隨后靜候2022年6月第二次水星飛越期間的測(cè)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(cè)到了重離子，但密度比‘信使號(hào)’先前探測(cè)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(lái)源，與此同時(shí)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(lái)備受爭(zhēng)議的問(wèn)題或?qū)⑼ㄟ^(guò)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(guò)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?hào)”的機(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(méi)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(yáng)如此之近、如此之熱，這是一個(gè)難以置信的猜想。如果猜想得到證實(shí)，說(shuō)明這些地方數(shù)十億年來(lái)都沒(méi)有太陽(yáng)光的照耀！”
貝皮·科倫坡任務(wù)主要時(shí)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)