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奔赴水星——贝皮科伦布号的背后 精选

已有 5101 次阅读 2018-11-4 23:36 |系统分类:科普集锦

 

奔赴水星——贝皮科伦布号的背后

1    引子

20181020日,贝皮科伦布号成功发射升空。这项任务由欧洲空间局(ESA)与日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)联合进行,预计经过七年左右的飞行,于2025年到达水星,有望进一步揭示水星的神秘面纱。

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贝皮科伦布号发射升空

2    去水星干什么

抵达水星后,贝皮科伦布号将开展必要的测量,目的是研究水星的物质组成、内部结构、大气层、磁层和演化历史。与水星一样,地球也是一颗行星,这些行星之间既有相似之处,也有自己的特点,我们通过了解其他行星上是什么样子的,将帮助我们更好地理解地球为什么是现在这样,这也是大多数行星探测任务的主要目标。根据官方网站的报道,贝皮科伦布号的主要科学使命包括:

1、由于水星是与太阳最近的行星,因此,研究水星的形成与后续演化过程,有助于揭示靠近恒星的行星的起源和演化过程,对太阳系外行星的研究有重要的参考意义。

2、水星作为一颗行星,需要研究它的形成过程,内部结构,地质特征,物质组成,以及水星表面的撞击坑分布。

3、水星基本没有大气层,但仍有外逸层,这次任务将研究水星大气层的成分与大气运动过程。

4、水星磁层的结构,研究磁层与太阳风的相互作用过程。

5、水星磁场的起源。地球磁场源于地球内部有熔融的岩浆,像发电机一样产生磁场。水星内部应该已经固结,这次任务将探测水星的磁场是如何形成的。

6、信使号水星探测器已经在极地探测到了冰层,这次任务将探测这些挥发物的成分和来源。

7、对爱因斯坦广义相对论进行实际检验。

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图 水星

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月球,表面也有很多撞击坑

4    水星探测难在何处

水星(Mercury)处于太阳系的内带,属于内行星,也是类地行星之一。在八大行星中,水星最靠近太阳。

截至到目前为止,只有水手10号和信使号探测器对水星进行了近距离的观测。贝皮科伦布号是飞往水星的第三个探测器。

人类对水星的关注程度,明显低于火星、月球、金星、木星和土星等星球。主要原因一方面在于有的科学家认为水星探测的科学价值不大,另一方面是由于水星靠近太阳,航天探测的难度比较高。

水星的质量和引力较小,轨道器要实现环绕水星,只需要较低的飞行速度即可。然而,在太阳引力作用下,水星探测器将不由自主地加速,这个矛盾对水星探测器的测量与控制提出了较高的要求。如果要在水星上着陆的话,由于水星基本没有大气,着陆器无法通过空气阻力或降落伞减速。

5    几经推迟,终于等到花开

贝皮科伦布号原计划20124月发射,预计经过4年零两个月的行星际巡航抵达水星。后推迟到2013年8月发射,预计于2019年8月到达水星。结果贝皮科伦布号得发射时间又一再推迟,直到201810月才发射。

深空探测任务大多历时很长,贝皮科伦布号从上世纪90年代开始酝酿,到最终实现发射,历时20多年才得以成行。如果等到科学探测数据传回地球,一些人已经退休,一些人甚至已经离开人世,整整一代人已经过去了。这就需要科学家真的对此怀有浓厚兴趣,才能如此长期坚守。

贝皮科伦布号除了两个轨道器外,科学家原来还计划释放一个着陆器到水星上,实现人类航天器首次登陆水星。但遗憾的是,由于经费预算受限,以及技术难度巨大,曾经计划的水星着陆器(MSE)已经被取消了。

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  装配和检测中的贝皮科伦布号

6    为什么是欧洲和日本合作

20世纪90年代以来,一些发达国家开始提出航天器探测水星的计划。1995年,在欧洲空间局拟定的20年航天规划中,就已经把水星探测放在十分重要的地位。而后,欧空局和日本联合提出了贝皮科伦布号(BepiColombo)水星探测计划,计划对水星展开为期1年的科学探测。

贝皮科伦布号虽然是一次任务,却由两个航天器组成。其中,欧空局负责水星轨道器(MPO),这是一个三轴稳定的航天器,卫星在环绕水星的轨道上运行,配备11台科学仪器,星下点指向水星表面。

水星轨道器上的科学仪器,包括照相机、光谱仪(覆盖红外、紫外、X射线、伽玛射线、中子等探测波段)、辐射计、激光高度计、磁强计、粒子分析仪、Ka波段应答器和加速度计。其中,十台仪器由欧空局成员国的科研机构负责研制,一台仪器由俄罗斯提供。

日本宇宙航空研究开发机构负责水星磁层轨道器(MMO),这是一个自旋稳定的航天器,配备五台科学仪器。

水星磁层轨道器上的科学仪器,包括磁强计、离子光谱仪、电子能量分析仪、冷高能等离子探测仪、等离子波分析仪、照相机。这些仪器由国家资助下的科研机构负责研制,其中一台来自欧洲,四台来自日本。其中,欧洲方面对日本的科学仪器研制也做出了重要贡献。

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贝皮科伦布号探测器

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贝皮科伦布号的探测轨道。图中红色近圆形轨道为水星轨道器的预定轨道,而黄色椭圆轨道为水星磁层轨道器的预定轨道。

贝皮科伦布号探测器使用太阳能电力推进系统,在从地球飞向水星的过程中,可不断推动探测器,大大减少了化学燃料的使用,降低了发射时的重量。这是首次在大型深空探测任务中使用这种推进系统。

7    奇怪的探测器名

大家已经听习惯了好奇号、勇气号、机遇号、卡西尼号、新视野号这些探测器的名字,这颗水星探测器的名字听起来比较陌生了。

贝皮科伦布号是以意大利帕多瓦大学的贝皮•科伦布教授(1920-1984)的名字命名的。这是一位极富想象力的数学家和工程师。他是第一个发现水星存在轨道共振的科学家,他发现,水星自转三圈的时候,正好绕太阳两圈。他还向美国国家航空航天局建议,利用金星的引力弹弓效应,把水手10号航天器放到太阳轨道上,从而使水手10号在19741975年间实现了三次飞越水星,让我们得以见识水星的真面目。

为纪念贝皮•科伦布的科学成就,1999年在意大利那不勒斯举行的会议上,欧空局科学计划委员会决定,将他们的水星探测器命名为贝皮科伦布号。

8    信使号水星探测回顾

信使号MESSENGER)是水星表面、空间环境、地球化学与测距MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry and Ranging)的英文缩写,而水星在希腊神话里本就是上帝的信使。信使号200483在美国卡纳维拉尔角发射场发射,借助地球、金星和水星的引力,2011年进入水星轨道对其进行探测。

信使号探测器环绕水星的运行轨道是高偏心率的大椭圆轨道。距离水星最近点为200 km,最远点为15193 km。信使号轨道面偏离水星赤道面80°,在近水点附近可以对水星表面和地质情况进行探测。信使号任务探测了水星表面的化学成分、磁场特征,研究水星的地质历史;对水星内核的大小和状态进行了探测,还探测了水星极地挥发份储量,特别是发现了水星的极地存在水冰;此外,信使号还对水星的逃逸层和磁圈进行了测量。

9    卡路里盆地的新发现

上世纪70年代以来,关于水星表面的火山活动及其在水星地质演化历史中的作用,一直是科学界争论的焦点。一些科学家认为火山活动对水星地质演化的影响基本可以忽略,另一部分科学家则认为,火山活动对水星的地质演化产生极其巨大的影响。

卡路里盆地是水星上一个巨大的撞击盆地,直径约为1550千米,大致相当于北京到福州的直线距离,也是太阳系中最大的撞击盆地之一。

结合水手10号与信使号的探测数据,目前已经可以基本重建整个卡路里盆地的地质历史。卡路里盆地形成于太阳系形成后的前10亿年,大约为38亿年前,当时,大量的小行星撞击水星、火星、月球等类地行星,是一个重大撞击十分密集的时代。与月球上的月海盆地一样,紧随着巨大撞击事件之后,是十分活跃的火山喷发。火山喷发产生的岩浆流填充了巨大盆地的内部,形成了卡路里盆地中颜色相对较浅的红色物质(上图)。盆地内的其他小型撞击坑,则是在岩浆填充之后才撞上去形成的。信使号还拍到卡路里盆地内一处有斜坡的大型火山,科学家认为这是盾状火山,直径大约95 千米

信使号还发现了卡路里盆地中的一种特殊地形:一处直径约800高的高地周围,有上百条向外辐射的裂纹,从空中看去如同一只张牙舞爪的百足蜘蛛,这种地形从未在太阳系其他行星上发现过。科学家把这种地形命名为蜘蛛地形推测认为可能是火山喷发的残余遗迹,蜘蛛腿可能是水星上随处可见的山脊。

水星的体积虽然远小于月球,但火山喷发对地质演化的影响却远大于月球。因此,火山活动对水星来说影响极为深远,意义也格外重大。信使号探测数据说明,距今38亿年至40亿年之间,水星曾经有过剧烈的火山喷发,规模甚至覆盖整个水星,持续时间较长,大规模的火山喷发活动,塑造了当今水星的主要地形地貌。6597311659215777242.jpg

图 水星表面的撞击坑

10  水星上居然有水

在信使号2008114第一次飞越水星期间,距离水星表面最近只有约200千米。利用信使号上搭载的双重成像系统,拍摄了大约20%的水星表面,这些地方从未被航天器拍摄过,拍摄图像的清晰度大大超过了上世纪70年代水手10号所拍的照片。

下图是2008106日信使号探测器第二次飞越水星时拍摄的,当时两者相距大约2.8万千米。从信使号传回地球的照片看,水星外表有点像西瓜。

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信使号还惊人地发现,水星离太阳这么近,温度这么高,它的逃逸层居然还有大量的水。同时,信使号发现了水星可能存在液态内核的一些证据,发现水星的磁场依然活跃,还发现一块异常丰富的等离子体云被在水星的磁场中。这些发现极大地改变了人类对水星的已有认识。作为后来者,信使号的这些发现也为贝皮科伦布号的探测目标设计奠定了基础。

延伸阅读:水星的轨道共振

水星离太阳的距离在0.3075~0.4667天文单位(4600万千米~6982万千米)之间变化,平均距离为0.579×l08 千米0.38天文单位),而地球是1.5×l08 千米1天文单位)。水星绕太阳公转轨道的偏心率较大,0.2056,故其轨道很扁。水星的轨道面与黄道面之间的倾角为7.00487度。在太阳系天体中,水星的轨道偏心率和倾角是所有行星中最大的。

由于水星在近日点时总以同一经度朝着太阳,在远日点时以相差90°的经度朝着太阳,所以水星随着经度不同而出现季节变化。

水星在轨道上的平均运动速度为每秒48千米,是太阳系中运动速度最快的行星,是地球公转速率的四倍多。水星绕太阳运行一周只需要87.969天。除公转之外,水星本身也有自转。过去认为水星的自转周期应当与公转周期相等,都是88天。1965年,美国天文学家利用安装在波多黎各阿雷西博天文台的、当今世界上最大的射电望远镜测定了水星的自转周期,结果并不是88天,而是58.6462,正好是水星公转周期的23。也就是说,水星绕日运转2周(2个水星年),则相应自转3周(3个水星日)。其结果,发生了水星的3(从日出到下一次日出的一个昼夜,约176个地球日)相当于水星的2年(也是176天)的奇妙现象。




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