在太阳系的版图中，有一颗行星堪称“矛盾体”——它是离太阳最近的“炙烤之地”，表面正午温度能熔化铅；却又在两极的永久阴影里，藏着数十亿吨水冰。它就是水星，一颗看似“简单”却让人类探测屡屡碰壁的岩石行星。直到近几十年的两次关键任务，我们才逐渐揭开它的神秘面纱。
更难的“太空刹车”挑战
很多人以为太空探测“越远越难”，但水星却打破了这个认知——去水星的难度甚至超过冥王星。
首先，作为一颗行星，水星的质量仅为地球的5.5%，探测器很难被水星的引力“捕获”；同时，太阳的引力场太过巨大，探测器一不小心就可能直接被太阳的引力“拉走”。因此，探测器要想安全抵达水星，需要不断地减速刹车，稍有不慎便会与水星擦肩而过。
除了轨道难题，极端环境更是“生死考验”。水星与太阳的平均距离仅为5790万千米，表面温差极大：白天表面最高温度可达427℃，夜晚最低可低至-173℃。如此严酷的“冰火两重天”，对探测器的热防护设计提出了极高的要求。虽然探测器通常能耐受严寒，但对抗高温则需要设计复杂的散热和隔热系统。
水星首次“侧脸”特写
水手10号是美国航天局（NASA）“水手号计划”中的第10次任务，同时也是人类首个造访水星的探测器。由于直接飞抵水星需要消耗大量能量进行减速，意大利科学家、数学家和工程师朱塞佩·科隆博（Giuseppe Colombo，1920～1984）创造性地将重力助推原理应用于探测器的轨道设计中。他提出利用金星的重力助推效应帮助水手10号降低轨道速度，从而更高效地抵达水星。
水手10号于1973年11月3日在美国发射升空，搭载有相机、紫外线分光计、红外线辐射计、磁力仪等科学载荷。1974年2月5日，它飞掠金星，并于同年3月29日第1次飞掠水星（轨道高度703千米）。随后，水手10号进入周期为176天的轨道（水星公转周期的2倍），每飞行1圈便飞掠水星1次，并于1974年9月21日和1975年3月6日完成了水星的第2次和第3次飞掠探测（轨道高度为327千米，最接近水星的一次）。由于水手10号的轨道与水星的公转周期成简单的固定比率，而水星的公转周期和自转周期也成简单固定比率，每一次探测器回到水星的时候都出现在同样的位置。因此，3次飞掠都只能看见水星的同一张“侧脸”。
尽管在这一次造访中水星只向人类展示出了它的侧颜，但仍然给人类认识水星提供了宝贵的资料。水手10号的探测发现：水星的表面与月球非常相似，布满了密密麻麻的撞击坑（小行星撞击形成的凹坑）；水星出人意料地存在一个稀薄的大气层（后称为“外逸层”）和全球性磁场；水星的两极发现了疑似水冰的信号；水星内部可能存在巨大的铁质核心等。
划破星尘的探测足迹
除了1973年发射的水手10号飞掠任务，还有下列两次探测任务极大地拓展了人类对水星的认识。这两项任务共同奠定了人类对水星地质和环境的深入理解，为未来研究恒星附近的岩石行星提供了重要参考。
NASA于2004年发射的信使号（MESSENGER）是首个围绕水星运行的探测器。在发射后的近7年时间内，信使号先后通过1次地球、2次金星和3次水星重力助推减速后，于2011年3月18日进入水星轨道，开始了持续4年多的在轨观测。它揭示了水星高密度的成因，发现了两极永久阴影陨坑中的水冰和有机化合物，记录了火山活动的痕迹，并研究了水星稀薄的大气层和磁场的细节。2015年，信使号因燃料耗尽受控坠毁于水星表面，完成任务。
图为水星上名为埃德加·爱伦·坡的陨石坑内空洞的景象。在这张照片中，坡的黑色边缘从环绕着它的棕黄色火山平原中凸显出来。小小的空洞点缀在黑色边缘上，就像夜空中蓝色白色的星星。这张照片是“信使号”广角相机使用红、绿、蓝滤镜进行的数百次高分辨率定向彩色观测之一。（图源：NASA）
欧洲空间局（ESA）与日本航天局（JAXA）联合开展的贝比科隆博（BepiColombo）任务于2018年发射，计划于2025年到达水星轨道。任务分为两个轨道器：环水星轨道器（MPO）和水星磁层轨道器（MIO）。通过电力推进与多次重力助推到达水星后，贝比科隆博将详细研究水星的表面地质、大气、磁层和铁核结构，为探索近恒星行星的形成与演化提供关键数据。
贝比科隆博飞越地球示意图。贝比科隆博在2025年进入太阳系最内侧行星的轨道之前会飞越地球一次、金星两次和水星六次进行总共九次的重力辅助机动（图源：ESA）
水星上的“水与火之歌”
信使号最震撼的发现，是在水星极区找到水冰痕迹。水星的极地有许多陨石撞击形成的深坑，而且由于地形遮挡，这些撞击坑底部永远被阳光所“遗忘”，温度常年低于-100℃，被称作“永久阴影区”。信使号在其中探测到了氢的存在，结合地基雷达的观测，科学家推测在永久阴影区的表层下10-20厘米的深度，可能有水冰赋存。
与此同时，信使号还拍到了水星表面的“火山遗迹”——直径约1550公里的卡洛里斯盆地，是太阳系中最年轻的大型撞击盆地之一，其内部的放射状沟槽和褶皱山脊，记录了水星早期火山活动的剧烈场景。水与火的共存，让水星的演化历史变得更加扑朔迷离。
图为卡洛里斯盆地的地质断层。（图源：NASA官网：Faults in the Caloris Basin）
水星的“铁核”与“钻石层”
水星的内部结构同样令人大为惊叹。作为太阳系类地行星中的“小个子”，水星却拥有一个质量占比超过 60%的巨大核心，几乎全由铁和镍组成。科学家推测水星形成之初可能经历了剧烈的撞击事件，大碰撞剥离了绝大部分硅质外壳和水星幔，只留下了“铁胆”。
尽管如此，水星表面的铁元素含量却很低，反倒是碳的含量相对较高。信使号探测发现，水星整体暗淡的外观以及表面常见的暗色斑点，都与以石墨形式存在的碳有关。最新的研究发现，水星深部的碳可能在极端高压条件下形成钻石，并在行星演化过程中在核幔边界形成厚达16千米的“钻石层”。这一发现不仅让水星“身价倍增”，也为理解水星的起源与演化提供了新的研究视角。
水星的探测价值，远不止于成为研究系外“超级地球”的样本——这颗被科学家称为“化石行星”的天体，或许正藏着解答“我们是谁、我们从哪来”这一终极问题的钥匙。作为太阳系中最靠近恒星的岩石行星，它的结构和演化过程保留着太阳系早期形成的原始痕迹。理解水星的铁核形成、磁场起源，不仅能帮助判断系外行星的宜居性，更能让我们在追溯星际物质的流转中，靠近生命诞生的真相。每一次靠近水星，都是在为人类探索宇宙边界积累经验，更是在为解答自身起源的千古之谜寻找答案。
来源：科学世界
原标题：冰火星球：人类探测水星的史诗之旅 | 科学世界·星际征途
编辑：冰糕
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