作者:赵熙熙 来源:中国科学报 发布时间:2018/10/16 9:40:06
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欧日水星探测器发射在即

水星北半球 图片来源:NASA

本报讯 水星相对较小,因此往往容易被忽略,然而它却隐藏着巨大的秘密。目前只有两架探测器完成了对水星的探测。如今,这颗行星的第三位也是最具野心的访客——欧洲—日本的BepiColombo项目正蓄势待发。这一对探测器将于10月20日发射升空。在美国宇航局(NASA)的“信使”号探测器之后,BepiColombo将会探索包括水星扭曲的磁场、超填充的铁核,以及可能通过逃离的挥发性元素雕刻出的奇怪湖状洼地在内的诸多谜团。 【《科学》相关报道

英国莱斯特大学的BepiColombo团队成员Emma Bunce说:“‘信使’号确实对许多关于这颗行星如何形成的理论提出了质疑。”BepiColombo“是一个完美的时机,可以用来回答这些问题”。荷兰诺德维克欧洲空间局(ESA)技术中心项目科学家Johannes Benkhoff说。

第一架水星探测器——NASA的水手10号——在1974年和1975年进行了一系列飞行,这大约是在“信使”号探测器之前的40年。但是,让一架探测器进入水星轨道而不让它被太阳俘获是一个棘手的问题。在20世纪80年代,任务规划者们制定了一系列复杂的引力牵引,从而利用其他行星的帮助完成了这些旅行,而这要感谢意大利天体物理学家Giuseppe Bepi Colombo所做的工作。如今,这项新的探测任务便以他的名字命名。

第二项挑战则是如何忍受10倍于地球强度的太阳辐射,同时观测到一颗被加热到400摄氏度的星球表面。这些都推迟了水星探测项目的开展。

“宇宙飞船从来没有花这么长时间接近太阳。”Sean Solomon说,他是纽约州帕利塞德市拉蒙特—多尔蒂地球观测站的负责人,并主持了“信使”号任务。

ESA和NASA的项目都是在20世纪90年代末获得批准的,但是规模较小的耗资4.5亿美元的“信使”号首先发射,并在2011年到达水星。其间,雄心勃勃的斥资16.5亿欧元的BepiColombo项目在开发过程中遇到了一些障碍,包括降解速度过快的太阳能电池板,导致发射时间被推迟了大约5年。日本在2003年加入了这项任务,他们渴望对水星的磁场进行研究。

“火星和金星没有磁场,所以我们的目标是水星。”相模原市日本宇宙航空研究开发机构下属太空与航天科学研究所(ISAS)的BepiColombo项目科学家Go Murakami说。

ISAS的贡献是一架单独的探测器,它携带了5种聚焦于磁层的仪器,而更大的ESA轨道飞行器则装载了11种仪器,可以用来研究水星本身。从ESA在法属圭亚那的太空港发射后,这两架探测器将开始为期7年的旅程——它们将在地球上空盘旋,并两次穿越金星,在2025年最终分离并进入环绕水星的轨道,而在此之前,它将6次穿越水星轨道。

“信使”号探测器在这颗行星的表面发现了许多不稳定的元素,包括氯、硫、钾和钠,这些元素理应在很久以前就被太阳的热量蒸发了。“水星的形成史上有一些奇怪的现象。”Benkhoff说。一个线索来自于钾与钍的比率,这表明了行星在形成过程中的温度。Benkhoff说,水星的比值指向较冷的来源,比火星更远。在这样的距离下,挥发物更加丰富。如果水星在火星以外形成,并在稍后漂移,它就会保留更多的挥发物。

BepiColombo将会比“信使”号探测器更加清晰地绘制出挥发物的地图,这多亏了一种成像光谱仪,它可以通过被太阳X射线击中的方式来识别元素。这可以帮助它追踪如今的挥发物损失。

“信使”号发现的水星洼地深达数十米、宽数百米,可能通过逃逸的气体形成。如果自“信使”号访问以来,任何情况都发生了变化,那么这将意味着大量的不稳定挥发物在继续向太空中排放。

BepiColombo还将仔细研究这颗行星南北之间的奇特对比。水星北部有大片地区被光滑的火山物质所覆盖,这些物质一定是最近才喷发出来的,而南部则是坑坑洼洼的,并且年代古老。水星的磁场反映了这种分裂,因为它也被转移到了北部。“这些不对称是如何被联系在一起的?”Solomon问道。

水星内部还有另一个巨大的谜团——这颗星球巨大的铁核延伸到其半径的80%,周围还环绕着一层相对较薄的岩石层。有一种理论认为,在其形成的早期,水星与另一颗天体发生碰撞,进而将大部分较轻的岩石物质炸开,并留下了较重的铁。研究人员预计,到目前为止,铁核已经冷却并凝固,但至少有一部分仍然是液态和翻腾的,从而产生了磁场。

尽管磁场强度是地球的100倍,但水星加速磁层电子的能量水平却接近地球磁层中所见的能级。安阿伯市密歇根大学首席“信使”号调查员James Slavin说,欧洲和日本的航天器上的磁力计应该能帮助研究人员了解能量提升背后的过程。他期待着“获得这个谜团的最终答案”。

对磁层的研究可能还会对了解太阳系以外的地方产生影响。被发现的系外行星围绕着冷红矮星运转,前者可以承载液态水,也可能有生命。但是,由于它们围绕恒星的轨道比水星绕太阳运行的距离更近,因此很可能面临着强烈的恒星风和辐射水平对生命的不利影响——除非行星受到像水星这样的磁层的保护。

“如果我们想要了解生命是否能在这样的行星上生存,那么重要的信息之一就是磁层。”Murakami说。(赵熙熙)

《中国科学报》 (2018-10-16 第2版 国际)
 
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