太阳系新知 11 | 水星有水吗？信使号告诉我们答案

北京时间 2014 年 10 月 8 日傍晚 5 点 30 分，太阳刚刚西沉，天色渐暗，美丽的晚霞，还在西边的天空中绽放着余晖。南京紫金山天文台的天堡城观景平台上已经人头攒动，人们正在翘首以待，等着一个难得的天文奇观的来临。

5 点 45 分，突然之间，人群之中沸腾起来。在紫金山东南方向的山头上，一轮血红的月亮正在冉冉升起。在月亮的左上方，一个亮闪闪的金色月牙正在慢慢褪去。这就是中国天文爱好者期待了很久的红月亮带食月出。这是一次难得的月全食，由于月亮的位置正好位于地球阴影的边缘，由地球的大气层散射出来的晚霞霞光，映红了整个月亮。 

全球有数亿人通过网络直播收看了这次红月亮的天文奇观。但是，我们不知道的是，远在 1.07 亿公里外的遥远太空中，还有另外一双眼睛正在注视着这次月全食，这个遥远的观察者，就是正在水星执行任务的信使号探测器。

信使号从北京时间 5点 18 分开始，每隔 2 分钟，就向着地球的方向拍摄一张照片，从遥远的外太空拍摄了月球进入地球阴影的全过程。信使号的团队把这些照片编辑成一个长度只有 5 秒钟的视频。在水星的视角中，地球和月球就像两颗互相绕转的明亮恒星。在月食发生的时候，月球的亮度逐渐变暗，慢慢的消失在地球的阴影之中。 

听到这里，你可不要以为，这个名叫信使号的探测器，大老远的跑到 1 亿公里之外，就是去拍摄月全食的。信使号的主要任务是对水星表面、空间环境以及水星的地质化学等项目展开深入的探测研究。

虽然信使号名为信使，但它的水星之旅并不怎么迅捷，甚至可以称得上是相当坎坷。信使号从 2004 年 8 月 3 号发射升空，到 2011 年 3 月 11 号才正式泊入水星轨道。整个过程，差不多用去了七年的时间。

我在第一次看到这个数据的时候，是吃了一惊的。著名的卡西尼-惠更斯号土星探测器是 1997 年发射升空的，到 2004 年泊入土星环绕轨道，也同样用了将近 7 年的时间。但是地球到土星的距离，可是有平均 8.5 个天文单位那么远呢。这个距离，是地球到水星距离的 14 倍。既然距离差了 14 倍，为什么用的时间却是差不多的呢？这太令人感到奇怪了。

回顾一下历史，人类发射第一个水星探测器“水手 10 号”，就根本没有花费 7 年这么长的时间。“水手 10 号”于 1973 年 11 月 3 日发射升空，1974 年 3 月 29 日就实现了首次水星飞掠，这中间只用了短短的 4 个多月的时间而已。同样是水星探测器，到底是那些差异，要让晚发射 30 年的信使号花去了7年的漫长时光呢？这就要从它们最终的轨道的差异说起了。

水手 10 号最终的目标，是成为一颗绕着太阳运行的人造行星，通过不断的飞掠水星来实现对水星的探测。而信使号的任务，则是成为一颗绕着水星旋转的人造卫星，这就是两个探测器的本质差别。

与那些向着外太阳系飞行的探测器不同。信使号想要靠近水星，就必然要接近太阳，挑战太阳重力场的深处的强大引力。信使号越接近太阳，太阳引力带来的加速度就会越大。如果信使号没有给自己减速的办法，最终的结果将与水手 10 号一样，只能成为环绕太阳旋转的人造行星，却再也无法泊入水星的卫星轨道了。

所以说，慢有慢的道理。下面，我会用尽量简练的语言，来为你讲解信使号泊入水星轨道前的这段经历。好让你知道，信使号的 7 年航程，是多么的坎坷和不容易。  

2004 年 8 月 3 日，一枚三角洲 2 型运载火箭从佛罗里达州的卡纳维拉尔角空军基地发射升空，上面搭载的便是故事的主角——信使号。信使号升空的第一年里，几乎就是以一颗人造小行星的身份沿着地球轨道绕着太阳旋转的。

图：信使号

2005 年 8 月 2 号，也就是信使号发射整整一年的日子，信使号第一次飞掠地球，并利用地球的引力弹弓效应，将自己甩入内太阳系中金星轨道的方向。这时候，信使号的轨道从与地球轨道一致，变成了一个椭圆形，椭圆形的一端与地球轨道相切，另一端，则与金星轨道相切。

2005 年 12 月 12 日，信使号点燃了助推器，做了第一次深空机动调整，为第一次飞掠金星做好了准备。然后，信使号再次飞掠过地球轨道，正式向着金星飞去。

2006 年 10 月 24 日，信使号正式飞掠金星。利用金星的引力弹弓效应，信使号把自己的轨道调整为与金星轨道几乎同步的椭圆。这样，在 224 天，也就是一个金星年之后，信使号就可以再次飞掠金星，并向着目标——水星进发了。

2007 年 6 月 5 日，经过深空机动调整过的信使号，准确的第二次飞掠金星。并且利用金星的引力弹弓效应，将自己甩向水星轨道。这时候信使号的轨道，就从与金星同步的轨道，变成了一头与金星轨道相切，另一头与水星轨道相切的椭圆了。

接下来的事情变得更加困难了。因为虽然地球与金星的绕日轨道也是椭圆，但毕竟还是一个接近于正圆的椭圆。但水星的轨道却完全不同，它有着所有行星中最大的轨道偏心率。水星距离太阳最远的时候，距离足足有近日点的 1.5 倍之多。

信使号为了能够追上水星的步伐，不得不 6 次深空机动变轨，瞄准水星，3 次飞掠水星，利用水星的引力弹弓效应调整轨道，最终终于让信使号的绕日公转轨道及飞行速度与水星基本同步。2011 年 3 月 18 日，在距离发射时间 6 年零 228 天的时候，信使号终于如愿以偿，进入了水星的引力圈，成为了一颗绕着水星旋转的人造水星卫星。

图：信使号复杂的航行轨道

不管我上面的一番描述你是否能够完全理解，我们都可以感受到信使号旅程的坎坷和艰难。如果你觉得前面的语言描述还不够直观，可以在科学有故事的微信公号中输入“信使号”，就可以看到信使号的轨道示意图了。

那么，有没有更简单的办法能够直接到达水星呢？当然有。只要用更大的火箭发射信使号，带上更多的燃料，就可以直接朝着水星飞行，到了水星附近再变轨减速，最后泊入水星轨道。不过，如果采用直接飞往水星，然后再减速的方案，就至少要把身高 40 米的三角洲 2 型轻型火箭换成高达 70 米的三角洲 4 型重型火箭才可以做到。没有足够的经费，就只能依靠巧妙的轨道设计和长时间的等待了。

当然，信使号的漫长旅程也并不是无所作为的。2007 年 6 月，旅途中的信使号就顺手接了个来自欧空局的私活儿。原来呀，6 月 5 号的时候，信使号将从 338 公里的超近距离飞跃金星。而且信使号身上携带的设备，也是当时最先进的。于是，欧空局的金星快车团队就向信使号团队发来请求，希望信使号能帮忙完成一些探测任务。信使号欣然应允了金星快车团队的请求，完成任务的同时，也顺便测试了自己的新装备。

行星地质学的奠基人罗伯特·斯特洛姆（Robert G. Strom）是唯一一位既参与过水手 10 号项目，又参与了信使号项目的科学家。罗伯特回忆说：“一直以来，人们都认为水星是一颗内部结构与月球相似，复杂度很低的岩石行星。这样的认识，让水星在行星探索计划中的优先级变得很低。人们宁愿把探测器发往外太阳系的气态行星，也不愿意把同样的钱花费在探索水星上。直到华盛顿卡内基研究所和约翰霍普金斯大学应用物理实验室设计了低成本的水手 10 号，水星探测任务才首次获得了批准。” 

探索水星的重要度被严重低估。无论是水手 10 号还是信使号，都是在科研经费严重不足的情况下设计出来的，所以信使号只能采用这种令人眼花缭乱的复杂轨道来接近水星。信使号发回来的数据证明了自己的价值，所有在信使号身上投入的经费都是物超所值的。人们万万没有想到，看似朴实无华的水星上，竟然隐藏着如此之多的秘密。

一个卫星绕着行星旋转，我们最熟悉的模式，就是卫星位于黄道面上，绕着行星转动。月球绕着地球旋转，就是这样的模式。但是，信使号绕着水星旋转的模式是完全不同的。信使号的绕行轨迹是一个垂直于黄道面、同时也垂直于水星绕日轨道的椭圆形。如果你把水星的绕日轨道想象成一根弹簧，那么弹簧上钢丝的缠绕方式差不多就是信使号的运动方式了。

这样的轨道最大的好处，就是能随着水星的自转，把包括两极在内的整个水星观察得一清二楚。而且，当信使号飞掠过水星的向阳面的时候，太阳光会把水星表面完全照亮，不会受到地形阴影的干扰。更重要的是，信使号可以阶段性的躲到水星背面的阴影里，避免被阳光和水星表面的反射光晒得过热。

图：信使号与水星

信使号先用每个像素 250 米分辨率的照相机对水星表面进行地毯式拍摄。这些照片传回地球后，科学家们会挑选值得深入研究的区域，让信使号使用每像素 12 米的超高清相机对目标进行重点拍摄。另外，信使号携带的双成像系统还能对地表光谱的变化进行分析，从而了解地表物质成分并绘制地形信息。

水星的阳光强度比地球高 10 倍，白天的时候，水星表面的温度可以把铅都融化掉。这似乎是太阳系中最不可能存在水的星球了。但是，早在 20 世纪初，就有科学家提出，水星的自转轴几乎是与太阳垂直的，这就使得水星的极地地区很可能会存在一些永远也见不到阳光的地方，而这些地方则完全有可能存在水冰。

这个水星上存在水冰的假说，在几十年中一直没有办法获得进一步的证据。直到 1991 年的时候，阿雷西博天文台在观察水星的时候发现，位于水星极地地区的一些环形山，在射电望远镜中的表现很不一般。这些环形山在可见光波段的照片中，留下了深深的阴影。但是，在雷达图像中，却变得非常明亮。 这些雷达图像与火星的极冠以及木星的冰卫星欧罗巴在雷达上的反应是一致的。

这些强烈的雷达反射波，是水冰存在的典型证据。行星科学家科拉普雷特 在一封邮件中指出：“只有纯度高达 90%，而且厚度超过数米的冰层才能达到这么高的雷达反射率。”

然而“事实需要信源、观点需要论据”，虽然很多科学家都觉得呈现在雷达图像中的亮斑，毫无疑问就是水冰，但大家都知道，我们还是需要更多的直接证据才行。信使号自然就成为了前往水星验证这个水冰假说的最合适人选。

信使号花费了 6 个月的时间，将水星极地地区的照片和地形结构仔仔细细的拍摄和分析了一遍。每一个陨石坑，信使号都用激光高度计仔细测量过。这些数据证实，每一个在阿雷西博望远镜中强烈反射雷达波的位置，都处于永远见不到阳光的陨石坑的阴影之中。这些陨石坑的阴影地带温度足够低，足以使里面的水冰保持稳定的状态。

这些水冰是怎么来的呢？你可以这样想象，水星极地上每一个见不到阳光的陨石坑，都像是一个寒冷的陷阱，那些路过的彗星和冰陨石带来的极少量的水，一旦飘过这些陨石坑，就会被立即冻住，从而让这些水保存下来。在过去的数十亿年中，这些冰冻陷阱一个分子一个分子的捕获着空间中的水，逐渐积累到现在的厚度。

然而，这仍然不是实锤的水星上存在水冰的证据。有科学家认为，雷达观察到的明亮的物质也不一定是水冰，还有可能是二氧化硫。这些二氧化硫很可能来自于水星古老的火山活动。而且，二氧化硫也可以在水星的极地陨石坑中稳定而长期的存在，并且反射出同样明亮的雷达反射波。

为了彻底弄清楚这些沉积物到底是不是水冰，信使号任务的首席科学家肖恩·所罗门认为 ，应该让信使号利用其携带的中子谱仪绘制一张水星表面的中子通量图。如果那些陨石坑中的物质能让发射出来的中子的能量降低，就说明那些物质中含有大量的氢原子。而水，则是太阳系内最有可能的氢原子来源。

为了绘制这张中子通量图，信使号又花费了 4 个多月的时间。最后的探测结果表明，信使号 4 个月的功夫没有白费。约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的科学家大卫·劳伦斯在仔细研究了数据后说：

中子数据表明，那些沉积在雷达照片中的亮区中的物质平均有 10 到 20 厘米厚，这些物质中氢的含量，几乎与纯净的水冰一模一样。

这是一个置信度超高的证据。这些陨石坑中不仅存在大量的氢，而且氢的含量还与纯净的水冰一模一样。通过整整一年的研究，水星上是否存在水冰的问题也终于水落石出了。水星至此也终于成为了一颗名副其实的有“水”的星球。

在信使号为期 10 年零 8 个月的任务时间里，给我们带回了太多的新发现。但所有的新发现中，最受公众关注的科研成果，仍然是水冰的发现。

就在几十年前，我们还倾向于水是一种宇宙中相当稀缺和宝贵的资源。但是，随着我们对太空探索的不断加深，水在太空中无处不在的事实越来越清晰的摆在我们的面前。

在我们的太阳系中，至少有 75% 的元素都是氢，这是宇宙中最常见的元素。氧虽然远远没有氢那么多，只占有 1% 左右，但在所有元素中，氧的丰度排在第三位，也是相当多的。这样看来，氢与氧组成的化合物——水——在太阳系里随处可见，当然也就不足为奇了。

由于太阳的炙烤，导致大量的水向着外太阳系流失，内太阳系的几颗行星（包括地球在内）都比较缺水。但一旦到达木星轨道，水就是最常见的物质之一了。木星、土星、天王星和海王星的核心很可能就是一个水冰的冰核。这些巨行星的许多卫星上，都发现了水冰。泰坦、欧罗巴等卫星上的水储量，甚至远远超过地球。再往外，到了冥王星轨道和柯伊伯带，只要提到了固体这个词，基本上说的就是一块冰或者一块冰与其他物质的混合物了。 

那么问题就来了。

既然整个太阳系里到处都充斥着水和水冰，那么为什么发现水星的冰层还会让科学家们如此的欢呼雀跃呢？这难道意味着水星的冰层中也有可能藏有外星生命吗？当然不是！

水星的冰层与隐藏在欧罗巴与恩克拉多斯冰层下的液态水海洋完全不同，是不可能存在生命的。但这对于人类来说，意味着更加令我们兴奋的一个词：“宜居”。

如果人类要往外星移民，最重要的条件是什么？你可能首先想到的是空气或者是液态水。其实并非如此。最重要的条件是，这个星球上必须要有水冰和含碳的化合物，其次是要有充足的阳光作为能源。有了水，我们就能制造出氧气和氢气，而含碳的化合物的存在，则可以与氧气结合，产生植物赖以生存的二氧化碳。

信使号在水星的观察还显示出，有很多水冰被一些反射率很低的黑暗物质覆盖着，这些黑暗的物质，比水星表面上最暗的物质反射的雷达波还要少。科学家们推断，这些黑暗的物质就是一些富含碳元素的有机物质。

所以说，别以为水星距离太阳太近，温度超高，就不适合人类居住。其实，只需要在水星上建立一个可以调节阳光的密封温室，我们就有可能在水星上建立一个宜居的基地。充足的阳光让我们拥有取之不尽、用之不竭的能源，同时水星上还有充足的碳和水，这对于建立一个供人类长期生存的基地来说，真的已经是充要条件了。

就在 2019 年 8 月 3 日，也就是本文写作的不久前，NASA 公布了一个根据月球侦查轨道器（LRO）和信使号的一个最新数据报告。最新的报告显示，无论是水星还是月球，它们蕴藏的水冰储量都比我们先前估计的数量要大很多。 

研究人员利用信使号和月球侦查轨道器（LRO）获得的高程数据测量了水星和月球上直径在 2.5 公里到 15 公里之间的 15000 个陨石坑。研究人员发现，无论是月球还是水星，这些陨石坑都普遍要比正常的陨石坑浅了 10% 左右。这 10% 的厚度差异，可以用积累水冰的厚度来进行解释。这是以前从未发现过的超厚冰层。这些超大储量的冰库，足以支持我们对这些星球的长期探索。月球上超大储量的水冰，还有可能成为撬动人类重启载人探月计划，甚至建立月球基地的重要杠杆。

2018 年的 10 月 20 号，人类的第三颗水星探测器——贝皮科伦坡号顺利启程，飞向了水星。贝皮科伦坡号，是欧洲航天局和日本宇航局的合作项目。它的主要任务，就是对水星的磁场、磁层、行星际太阳风以及星际粒子进行进一步的研究和探索。

贝皮科伦坡号水星探测器采用了与信使号完全一样的轨道方案。它将在明年的 4 月 6 日首次飞掠地球，利用地球的引力弹弓效应进行减速和变轨。绕日一周飞掠地球，这只是一颗水星探测器万里长征的第一步而已。按照贝皮科伦坡号的计划，要到 2025 年 12 月 5 日，才能正式的泊入水星轨道，开始正式的科学探索活动。

我们期待贝皮科伦坡号水星探测器能给我们带来更多的好消息。现在，水星在我们心中已经不再是那个荒凉灼热而又陌生的岩石行星了。现在我们已经知道，水星上有充足的水、阳光和含碳的有机物。如今的水星，已经被我们贴上了“宜居”的标签。也许，若干年之后，水星真的能够成为人类的太空前哨，甚至成为人类的新家园。

参考文献：

1. http://www.pmo.cas.cn/xwzx/xwdtkpdt/201410/t20141013_4222428.html

2. https://solarsystem.nasa.gov/resources/529/messengers-view-of-a-lunar-eclipse/ 

3. http://messenger.jhuapl.edu/Resources/Flyby-Information.html

4. http://messenger.jhuapl.edu/About/Mission-Design.html#gravity-assists

5. http://messenger.jhuapl.edu/Resources/Highlights-of-Mercury-Science.html

6. https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=3606

7. https://www.nationalgeographic.com/news/2011/12/111214-water-ice-mercury-mars-moon-bright-poles-space-science/

8. https://www.nationalgeographic.com/news/2011/12/111214-water-ice-mercury-mars-moon-bright-poles-space-science/

9. https://www.lpi.usra.edu/education/explore/ice/background/iceSolarSystem/

10. https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/moon-mercury-ice

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