n扶摇直上三亿里——极寒与炽热相伴的遥远星球丨Calling太空
编者按："浩瀚的空天还有许多未知的奥秘有待探索"，为此，中科院之声与中国科学院国家空间科学中心联合开设“Calling太空”科普专栏，为大家讲述有趣的故事，介绍一些与空间科学和航天相关的知识。
水星（Mercury），在中国古代又称辰星，是太阳系的八大行星中最小且最靠近太阳的一颗。水星的直径只有4880km，仅为地球直径的三分之一。距离太阳的平均距离只有5800万公里，且表面缺乏大气，昼夜温差极大，向阳面温度最高可达到+432℃，背阳面温度可低至-172℃。由于离太阳很近，太阳对水星的吸引力很强，所以水星也是围绕太阳跑的最快的行星，绕太阳一圈只要88个地球日。
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图1 水星（图片来源：NASA）
相对于月球的百余次探测的历史来说，人类对于水星的了解知之甚少。NASA曾梳理出水星的十大主要科学问题有：（1）水星的密度为什么那么高？（2）水星的磁场特征是什么？（3）水星的地质演化过程如何？（4）水星两极有水冰吗？（5）水星的外层有哪些挥发性成分？（6）在没有电离层的情况下，行星际磁场怎样与太阳风相互作用？（7）水星大气的主要成分是什么？（8）水星磁层是由什么构成的？重离子起什么作用？（9）水星核的结构和状态是什么样的？（10）水星的外壳是由什么构成的？
早在公元前3000年，水星被闪族人发现。1631年，英国天文学家托马斯·哈里奥特（Thomas Harriot）与意大利天文学家伽利略·伽利莱（Galileo Galilei）使用新发明的望远镜观测到了水星，同年，法国科学家皮埃尔·伽桑狄（Pierre Gassendi）使用望远镜观测到了水星凌日。
1991年，天文学家们通过地基射电望远镜在水星两极检测到异常明亮的雷达亮斑，雷达反射率和极化特征的结果与火星南极极冠相似，由于水星的转轴倾角很小，两极地区存在太阳无法照射的永久阴影区，水冰可能会存在极区环形山底部，因此天文学家推测在水星的南北两极环形山底部可能存在水冰。
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图2 阿雷西博天文台获得的水星北极地区的雷达图像。黄色区域表示雷达反射率高的区域（图片来源：NASA）
由于探测水星的空间环境恶劣，迄今为止，仅有“水手10号（Mariner 10）”探测器和“信使号（MESSENGER）”探测器到达过水星。
1973年11月，NASA成功发射水手10号探测器，水手10号是第一个连续探测两颗行星的探测器。他通过飞越金星上空对金星表面进行探测后，又借助金星的引力改变运动的速度和方向继续飞行，最终进入近日点在水星轨道上的日心轨道，开展对水星的飞越探测。在1974年到1975年间，水手10号对水星进行了3次飞越探测，共发回5000多张照片，探测了水星表面大约45%的区域。水手10号的探测结果表明，水星表面与月球相似，由岩石组成，由于经受过陨石撞击，密密麻麻布满了大大小小的环形山、盆地和坑穴等。水手10号还确定了水星存在全球性的偶极磁场，磁场强度是地球的1%。探测出水星极稀薄的外逸层中含有微量的He、Ar、Ne等元素。水手10号的探测数据填补了人类对水星的认知空白。
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1973年11月3日水手10号发射升空（图片来源：NASA）
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水手10号第一次飞越水星拍摄的照片（图片来源：NASA）
在水手10号完成对水星首次探测的30年后，NASA确定了信使号探测任务作为“发现”（Discovery）任务之一，对水星进行更加深入的探测和了解。
信使号探测器，英文名为MESSENGER，取自MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging的首字母，译为水星表面，空间环境，地球化学，测距。2004 年 8 月 3 日在美国佛罗里达州卡纳维拉尔空军基地搭载Delta II运载火箭发射升空，在长达6年多的飞行过程中，共飞行了约79亿公里，进行了5次轨道修正。经过了6次行星飞越借力后， 于2011年3月成功进入水星环绕轨道并开展探测，成为首个环绕水星的空间探测器。
信使号探测器主要任务目标是研究水星的化学构成、地质学和磁场，获得水星三维图像、表面化学特征、内部磁场以及几何结构等数据。
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信使号探测器飞行示意图（图片来源：NASA）
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