10　水星上有水嗎

北京時間2014年10月8日傍晚5點30分，太陽剛剛西沉，天色漸暗，美麗的晚霞還在西邊的天空中綻放著餘暉。南京紫金山天文台的天堡城觀景平台上已經人頭攢動，人們正翹首以待，等待著一個難得的天文奇觀的來臨。

傍晚5點45分，突然，人群沸騰起來。在紫金山東南方向的山頭上，一輪血紅的月亮正在冉冉升起。在月亮的左上方，一彎亮閃閃的金色月牙正在慢慢退去。這就是中國天文愛好者期待了很久的紅月亮帶食月出(1)。這是一次難得的月全食，由於月亮的位置正好位於地球陰影的邊緣，地球大氣層散射出來的晚霞霞光映紅了整個月亮。(2)

全球有數億人通過網絡直播收看了這次紅月亮的天文奇觀。但是，我們不知道的是，遠在1.07億千米外的遙遠太空中，還有另外一雙眼睛正在注視著這次月全食，這個遙遠的觀察者就是正在水星執行任務的信使號（MESSENGER）探測器。

信使號從北京時間17點18分開始，每隔2分鍾，就向著地球的方向拍攝一張照片，從遙遠的外太空拍攝了月球進入地球陰影的全過程。信使號的團隊把這些照片編輯成了一個長度隻有5秒鍾的視頻。從水星的視角來看，地球和月球就像兩顆互相繞轉的明亮恒星。在月食發生的時候，月球的亮度逐漸變暗，慢慢消失在地球的陰影之中。(3)

你可不要以為，這個名叫信使號的探測器大老遠地跑到一億千米之外，就是去拍攝月全食的。信使號的主要任務是對水星表麵、空間環境以及水星的地質化學等項目展開深入的探測研究。

雖然信使號名為“信使”，但它的水星之旅並不怎麽迅捷，甚至可以稱得上是相當坎坷。信使號從2004年8月3日發射升空，到2011年3月18日才正式泊入水星軌道。整個過程用去了差不多7年的時間。

我在第一次看到這個數據的時候，是吃了一驚的。著名的卡西尼-惠更斯號土星探測器是1997年發射升空的，到2004年泊入土星環繞軌道，也同樣用了將近7年的時間。但是地球到土星的距離有平均8.5個天文單位(4)那麽遠。這個距離是地球到水星距離的14倍。既然距離差了14倍，為什麽用的時間卻是差不多的呢？這太奇怪了。

回顧曆史，人類發射的第一個水星探測器水手10號（Mariner 10）根本沒有花費7年這麽長的時間。水手10號於1973年11月3日發射升空，1974年3月29日就實現了首次水星飛掠，這中間隻用了短短4個多月的時間。同樣是水星探測器，到底是哪些差異讓晚發射30年的信使號花去了7年的漫長時光呢？這就要從它們軌道的差異說起了。

水手10號的最終目標是成為一顆繞著太陽運行的人造行星，通過不斷飛掠水星來實現對水星的探測。而信使號的任務則是成為一顆繞著水星旋轉的人造衛星，這就是兩個探測器的本質差別。

與那些向著外太陽係(5)飛行的探測器不同，信使號要想靠近水星，就必然要接近太陽，挑戰太陽重力場深處的強大引力。信使號越接近太陽，太陽引力帶來的加速度就會越大。如果信使號沒有給自己減速的辦法，最終的結果將與水手10號一樣，隻能成為環繞太陽旋轉的人造行星，再也無法泊入水星的衛星軌道了。所以說，慢有慢的道理。

下麵，我會盡量用簡練的語言來為你講解信使號泊入水星軌道前的這段經曆，好讓你知道信使號的7年航程是多麽坎坷和不容易。

2004年8月3日，一枚三角洲2號運載火箭從佛羅裏達州的卡納維拉爾角空軍基地發射升空，上麵搭載的便是故事的主角——信使號。信使號升空的第一年，幾乎就是以一顆人造小行星的身份沿著地球軌道繞著太陽旋轉。

2005年8月2日，也就是信使號發射整整一年的日子，信使號第一次飛掠地球，並利用地球的引力彈弓效應，將自己甩入內太陽係中金星軌道的方向。這時，信使號的軌道從與地球軌道一致，變成了一個橢圓形，橢圓形的一端與地球軌道相切，另一端則與金星軌道相切。

2005年12月12日，信使號點燃助推器，做了第一次深空機動調整，為第一次飛掠金星做好了準備。然後，信使號再次飛掠過地球軌道，正式向著金星飛去。

2006年10月24日，信使號正式飛掠金星。利用金星的引力彈弓效應，信使號把自己的軌道調整為與金星軌道幾乎同步的橢圓。這樣，在第224天，也就是一個金星年之後，信使號就可以再次飛掠金星，並向著目標——水星進發了。

2007年6月5日，經過深空機動調整過的信使號準確地第二次飛掠金星。並且利用金星的引力彈弓效應，將自己甩向水星軌道。這時，信使號的軌道就從與金星同步變成了一頭與金星軌道相切，另一頭與水星軌道相切的橢圓了。

接下來的事情變得更加困難了。雖然地球與金星的繞日軌道也是橢圓，但畢竟還是一個接近於正圓的橢圓。水星的軌道卻完全不同，它有著所有行星中最大的軌道偏心率(6)。水星離太陽最遠的時候，距離足足有近日點(7)的1.5倍之多。

為了能夠追上水星的步伐，信使號不得不6次深空機動變軌來瞄準水星，3次飛掠水星，利用水星的引力彈弓效應調整軌道，最後終於讓自己的繞日公轉軌道及飛行速度與水星基本同步。2011年3月18日，在距離發射時間6年零228天的時候，信使號終於如願以償，進入了水星的引力圈，成為一顆繞著水星旋轉的人造水星衛星。

不管你能否完全理解上麵的一番描述，但我們都可以感受到信使號旅程的坎坷和艱難。如果你覺得前麵的語言描述還不夠直觀，那不妨看下上麵這幅信使號的航行軌道示意圖。

那麽，有沒有更簡單的辦法能夠直接到達水星呢？當然有。隻要用更大的火箭發射信使號，帶上更多的燃料，就可以直接朝著水星飛行，到了水星附近再變軌減速，最後泊入水星軌道。不過，如果采用這個方案，至少要把身高40米的三角洲2號輕型火箭換成高達70米的三角洲4號重型火箭才可以做到。沒有足夠的經費，實現目標就隻能依靠巧妙的軌道設計和長時間的等待了。

當然，信使號在漫長的旅程中也並不是無所作為的。2007年6月，旅途中的信使號就順手接了個來自歐洲航天局的“私活兒”。原來，6月5日的時候，信使號即將以338千米的超近距離飛掠金星。由於信使號上攜帶的設備是當時最先進的，於是歐洲航天局的金星快車團隊就向信使號團隊發來請求，希望信使號能幫忙完成一些探測任務。信使號欣然應允了金星快車團隊的請求，在完成任務的同時也順便測試了自己的新裝備。

行星科學家羅伯特·斯特羅姆（Robert G. Strom）是唯一一位既參與過水手10號項目，又參與了信使號項目的科學家。根據羅伯特的回憶，我們可以知道，一直以來，人們都認為水星是一顆內部結構與月球相似、複雜度很低的岩石行星(8)。這樣的認識讓水星在行星探索計劃中的優先級變得很低。人們寧願把探測器發往外太陽係的氣態行星，也不願意把同樣的錢花費在探索水星上。直到華盛頓卡內基研究所和約翰斯·霍普金斯大學應用物理實驗室設計了低成本的水手10號，水星探測任務才首次獲得了批準。

探索水星的重要度被嚴重低估，無論是水手10號還是信使號，都是在科研經費嚴重不足的情況下設計出來的。所以，信使號隻能采用這種令人眼花繚亂的複雜軌道來接近水星。信使號用發回的數據證明了自己的價值，所有在信使號身上投入的經費都是物超所值的。人們萬萬沒有想到，看似樸實無華的水星竟然隱藏著如此多的秘密。

我們最熟悉的衛星繞著行星旋轉的模式，是衛星位於黃道麵上繞著行星轉動，月球繞著地球旋轉就是這樣。但是，信使號繞著水星旋轉的模式是完全不同的。信使號的繞行軌跡是一個垂直於黃道麵，同時也垂直於水星繞日軌道的橢圓形。如果你把水星的繞日軌道想象成一根彈簧，那麽彈簧的鋼絲的纏繞方式差不多就是信使號的運動方式了。

這種軌道最大的好處，就是能隨著水星的自轉，把包括兩極在內的整個水星觀察得一清二楚。而且，當信使號飛掠過水星的向陽麵，太陽光會把水星表麵完全照亮，觀測不會受到地形陰影的幹擾。更重要的是，信使號可以階段性地躲到水星背麵的陰影裏，避免被陽光和水星表麵的反射光曬得過熱。

信使號先用每像素250米分辨率的照相機對水星表麵進行地毯式拍攝。這些照片傳回地球後，科學家們會挑選值得深入研究的區域，讓信使號使用每像素12米的超高清相機對目標進行重點拍攝。另外，信使號攜帶的雙成像係統還能對地表光譜的變化進行分析，從而了解地表物質成分並繪製地形信息。

水星的陽光強度比地球的高10倍，白天的時候，水星表麵的溫度可以把鉛都熔化掉。這似乎是太陽係中最不可能存在水的星球了。但是，早在20世紀初，就有科學家提出，水星的自轉軸幾乎與它繞太陽的公轉平麵是垂直的，這就使得水星的極地地區很可能會存在一些永遠也見不到陽光的地方，而這些地方完全有可能存在水冰。

水星上存在水冰的這個假說，在幾十年中一直沒有辦法獲得進一步的證據。直到1991年，阿雷西博天文台（Arecibo Observatory）在觀察水星的時候發現，位於水星極地地區的一些環形山，在射電望遠鏡(9)中的表現很不一般。這些環形山在可見光波段的照片中留下了深深的陰影，在雷達圖像中卻變得非常明亮。(10)這些雷達圖像與火星的極冠(11)以及木星的冰衛星歐羅巴在雷達上的反應是一致的。

這些強烈的雷達反射波是水冰存在的典型證據。行星科學家安東尼·科拉普雷特（Anthony Colaprete）(12)在一封郵件中指出：“隻有純度高達90%，而且厚度超過數米的冰層才能達到這麽高的雷達反射率。”

然而，事實需要信源，觀點需要論據。雖然很多科學家都覺得呈現在雷達圖像中的亮斑毫無疑問就是水冰，但大家都知道，我們還需要更多的直接證據才行。信使號自然就成為前往水星驗證這個水冰假說的最合適“人選”。

信使號花費了6個月的時間，將水星極地地區的照片和地形結構仔仔細細地拍攝和分析了一遍。每一個隕石坑，信使號都用激光高度計(13)仔細測量過。這些數據證實，每一個在阿雷西博望遠鏡中強烈反射雷達波的位置，都處於永遠見不到陽光的隕石坑的陰影之中。這些隕石坑的陰影地帶溫度足夠低，足以使裏麵的水冰保持穩定的狀態。

這些水冰是怎麽來的呢？你可以這樣想象，水星極地上每一個見不到陽光的隕石坑，都像是一個寒冷的陷阱，那些路過的彗星和冰隕石帶來的極少量的水，一旦飄過這些隕石坑，就會立即被凍住，從而保存下來。在過去的數十億年中，這些冰凍陷阱一個分子一個分子地捕獲著空間中的水，逐漸積累到現在的厚度。

然而，這仍然不是水星存在水冰的實錘。有科學家認為，雷達觀察到的明亮物質也不一定是水冰，還有可能是二氧化硫。這些二氧化硫很可能來自水星古老的火山活動。而且，二氧化硫也可以在水星的極地隕石坑中穩定而長期地存在，並且反射出同樣明亮的雷達反射波。

為了徹底弄清楚這些沉積物到底是不是水冰，信使號任務的首席科學家西恩·所羅門（Sean Solomon）認為(14)，應該讓信使號利用其攜帶的中子譜儀繪製一張水星表麵的中子通量(15)圖。如果那些隕石坑中的物質能讓發射出來的中子的能量降低，就說明那些物質中含有大量的氫原子。而水，則是太陽係內最有可能的氫原子來源。

為了繪製這張中子通量圖，信使號又花費了4個多月的時間。最後的探測結果表明，這4個月的工夫沒有白費。約翰斯·霍普金斯大學應用物理實驗室的科學家大衛·勞倫斯（David J. Lawrence）在仔細研究數據後說：“中子數據表明，那些沉積在雷達照片亮區中的物質平均有10—20厘米厚，這些物質中氫的含量幾乎與純淨的水冰一模一樣。”(16)

這是一個置信度超高的證據。這些隕石坑中不僅存在大量的氫，而且氫的含量還與純淨的水冰一模一樣。通過整整一年的研究，水星上是否存在水冰的答案終於水落石出了，水星也終於成了一顆名副其實的有“水”的星球。

信使號在為期10年零8個月的任務時間裏，給我們帶回了太多的新發現。但所有的新發現中，最受公眾關注的科研成果仍然是水冰的發現。

就在幾十年前，我們還傾向於認為：水是一種宇宙中相當稀缺和寶貴的資源。但是，隨著我們對太空探索的不斷加深，“水在太空中無處不在”的事實越來越清晰地擺在我們麵前。

在我們的太陽係中，至少有75%的元素是氫，這是宇宙中最常見的元素。氧雖然遠遠沒有氫那麽多，隻占1%左右，但在所有元素中，氧的豐度(17)排在第三位，也是相當多的。這樣看來，氫與氧組成的化合物——水——在太陽係裏隨處可見，當然也就不足為奇了。

太陽的炙烤，導致大量的水向著外太陽係流失，內太陽係的幾顆行星（包括地球在內）都比較缺水。但一旦到達木星軌道，水就是最常見的物質之一了。木星、土星、天王星和海王星的核心很可能就是一個水冰的冰核，在這些巨行星的許多衛星上都發現了水冰。泰坦、歐羅巴等衛星上的水儲量，甚至遠遠超過了地球。再往外，到了冥王星軌道和柯伊伯帶，隻要提到了“固體”這個詞，基本上說的就是一塊冰或者冰與其他物質的混合物了。(18)

既然整個太陽係裏到處都是水和水冰，那麽為什麽發現水星的冰層還會讓科學家們如此歡呼雀躍呢？這難道意味著水星的冰層中也有可能藏有外星生命嗎？當然不是！

水星的冰層與隱藏在歐羅巴、恩克拉多斯冰層下的液態水海洋完全不同，是不可能存在生命的。但這對於人類來說，意味著一個更加令我們興奮的詞：宜居。

如果人類要往外星球移民，最重要的條件是什麽？你可能首先想到的是空氣或者是液態水。其實並非如此。最重要的條件是，這個星球上必須具備水冰和含碳的化合物，其次是要有充足的陽光作為能源。有了水，我們就能製造出氧氣和氫氣；含碳化合物則可以與氧氣結合，產生植物賴以生存的二氧化碳。

信使號對水星的觀察還顯示，有很多水冰被一些反射率很低的黑暗物質覆蓋著，這些黑暗的物質比水星表麵上最暗的物質反射的雷達波還要少。科學家們推斷，這些黑暗的物質就是一些富含碳元素的有機物質。

所以，別以為水星距離太陽太近、溫度超高，就不適合人類居住。其實，隻需要在水星上建立一個可以調節陽光的密封溫室，我們就有可能在水星上建立一個宜居的基地。充足的陽光讓我們擁有取之不盡、用之不竭的能源，同時水星上還有充足的碳和水，這對於建立一個供人類長期生存的基地來說，已經是充要條件了。

就在2019年8月3日，NASA公布了由月球勘測軌道飛行器（LRO）和信使號監測得到的最新數據報告。最新的報告顯示，無論是水星還是月球，它們蘊藏的水冰儲量都比我們先前估計的數量要大很多。(19)

利用信使號和月球勘測軌道飛行器獲得的高程(20)數據，研究人員測量了水星和月球上直徑在2.5千米到15千米的1.5萬個隕石坑。他們發現，無論是月球還是水星，這些隕石坑普遍要比正常的隕石坑淺10%左右。這10%的厚度差異，可以用積累水冰的厚度來進行解釋。這是以前從未發現過的超厚冰層，這些超大儲量的冰庫足以支持我們對這些星球的長期探索。月球上超大儲量的水冰，還有可能成為撬動人類重啟載人探月計劃，甚至建立月球基地的重要杠杆。

2018年10月20日，人類的第三個水星探測器——貝皮可倫坡號（BepiColombo）順利啟程，飛向了水星。貝皮可倫坡號是歐洲航天局和日本宇航局的合作項目。它的主要任務就是對水星的磁場、磁層、行星際太陽風以及星際粒子進行進一步的研究和探索。

貝皮可倫坡號水星探測器采用了與信使號完全一樣的軌道方案。2020年4月10日首次成功飛掠地球(21)，利用地球的引力彈弓效應進行減速和變軌。繞日一周飛掠地球，這隻是一個水星探測器萬裏長征的第一步而已。按照貝皮可倫坡號的計劃，要到2025年12月5日，才能正式泊入水星軌道，開始正式的科學探索活動。

我們期待貝皮可倫坡號水星探測器能給我們帶來更多的好消息。現在，水星在我們心中已經不再是那個荒涼、灼熱而又陌生的岩石行星了。我們已經知道，水星上有充足的水、陽光和含碳的有機物。如今的水星已經被我們貼上了“宜居”的標簽。也許，若幹年之後，水星真的能夠成為人類的太空前哨，甚至成為人類的新家園。

圍繞著水星，還有很多未解之謎等待著人類去探索，我們甚至都還弄不清楚水星是如何形成的。

(1)帶食月出：月亮在月食的過程中升起，可以理解為月亮在升起時就被"咬"掉了一口。

(2)《紫金山天文台舉辦2014年月全食觀賞活動》，中國科學院官網，2014年10月13日。

(3)參見NASA官網發布的視頻：MESSENGER's View of a Lunar Eclipse。

(4)天文單位（Astronomical Unit, A.U.）：天文學中計量天體之間距離的一種單位，其數值取地球和太陽之間的平均距離，1A.U.=149,597,870千米。

(5)外太陽係（Outer Solar System）：太陽係以小行星帶為界，分為內太陽係和外太陽係，太陽與小行星帶之間的區域是內太陽係，小行星帶以外部分是外太陽係。

(6)偏心率（eccentricity）：用來描述圓錐曲線軌道形狀的數學量，指曲線到定點（焦點）的距離與到定直線（準線）的距離之比。

(7)近日點（perihelion）：星體繞太陽公轉的軌道大致是一個橢圓，太陽位於橢圓的一個焦點上，並非橢圓的中心，星體離太陽最近這一點的位置叫作近日點。

(8)岩石行星（rocky planets）：岩質行星的別稱，指以矽酸鹽岩石為主要成分的行星。

(9)射電望遠鏡（radio telescope）：觀測和研究來自天體的射電波的基本設備，可以測量天體射電的強度、頻譜及偏振等量。

(10)NASA Spacecraft Finds New Mercury Water Ice Evidence, nasa.gov, Nov. 19, 2012.

(11)極冠：火星極冠是指火星南北極有水冰及幹冰覆蓋的區域。

(12)RICHARD A. LOVETT, Water Ice on Mercury? NASA Probe Close to Proof, Teams Say, National Geographic, Dec. 15, 2011.

(13)激光高度計（laser altimeter）：安裝在飛機、衛星等測試平台上，實現遠距離、非接觸、測量高程的儀器。

(14)RICHARD A. LOVETT, Water Ice on Mercury? NASA Probe Close to Proof, Teams Say, National Geographic, Dec. 15, 2011.

(15)通量（flux）：某種物質在每秒內通過每平方厘米的假想平麵的移動量。

(16)David J. Lawrence, Patrick N. Peplowski, Brian J. Anderson, Evidence for Water Ice Near Mercury’s North Pole from MESSENGER Neutron Spectrometer Measurements, Science, Vol. 339, Issue 6117,pp. 292-296, 18 Jan 2013.

(17)豐度（abundance of elements）：一種化學元素在某個自然體中的重量占這個自然體總重量的相對份額。

(18) Explore! Ice Worlds! Background, https://www.lpi.usra.edu.

(19)Bill Steigerwald, The Moon and Mercury May Have Thick Ice Deposits, https://www.nasa.gov, Aug. 3,2019.

(20)高程（elevation）：某點沿鉛垂線方向到絕對基麵的距離稱為絕對高程，簡稱高程。絕對基麵是將某一海濱地點的平均海平麵高程定為零的水準基麵。

(21)Earth Flyby Opens New Science Opportunities For BepiColombo, https://sci.esa.int, 30 April 2020.