水星探测器BepiColombo取得突破 中红外观测揭开行星表面细节

2024年12月1日，BepiColombo完成了对水星的第五次飞越。 在这次飞越过程中，它成为第一个用中红外光观测水星的航天器。 这些开创性的图像揭示了水星严重破碎地形的温度和表面成分差异。

这幅图像的灰度部分显示了航天器首次测量水星在中红外光下的辐射情况。 这是 2024 年 12 月 1 日欧空局/日本宇宙航空研究开发机构 BepiColombo 飞行任务上的 MERTIS 仪器测量的，当时该航天器第五次飞过水星。 MERTIS 的数据叠加在根据 NASA 的信使号任务数据绘制的全球马赛克地形图上。 资料来源：MERTIS/DLR/明斯特大学& NASA/约翰霍普金斯大学应用物理实验室/华盛顿卡内基研究所

水星是太阳系中呗探索最少的岩石行星。 BepiColombo是有史以来第三个访问水星的任务，2026年，它将成为第二个进入水星轨道的任务。 前两次任务分别是美国国家航空航天局（NASA）的水手10号（Mariner 10）和信使号（Messenger），前者在1974年至1975年期间飞越水星三次，后者在2011年至2015年期间围绕水星运行。

BepiColombo号正在进行为期八年的水星之旅，利用地球、金星和水星的引力来调整其路径并降低其速度。 2024年12月1日，欧洲中部时间15:23，它在距离水星表面仅37，628千米（23，381英里）的地方完成了一次飞越。

这张水星图像是欧空局/日本宇宙航空研究开发机构BepiColombo任务于2024年12月1日拍摄的，当时航天器正接近在水星进行六次重力辅助机动中的第五次。 这一景象是由水星转移舱的监测相机2（M-CAM 2）于欧洲中部时间11:46拍摄的，当时航天器距离行星表面超过51000公里，距离最近接近还有3小时37分钟。 欧洲中部时间15:23:41，航天器距离水星表面的最小距离为37626千米，此时三台监测相机都无法观测到水星。 图片来源：ESA/BepiColombo/MTM

突破性的中红外观测

在这次飞越过程中，BepiColombo 收集了有关水星及其环境的宝贵数据。 除了捕捉标准图像、测量粒子和电磁场之外，这次任务还实现了一个突破性的创举：捕捉水星表面的中红外光波长。

这次飞越水星的独特仪器是由德国人领导的水星辐射计和热红外光谱仪，简称MERTIS。

来自德国明斯特大学（University of Münster）的该仪器首席研究员哈拉尔德-希辛格（Harald Hiesinger）指出："有了MERTIS，我们将有新的突破，能够更好地了解水星的成分、矿物学和温度。"

柏林德国航空航天中心（DLR）的联合首席研究员约恩-赫尔伯特（Jörn Helbert）曾帮助开发和监督该仪器，他对此感到非常高兴："经过大约二十年的开发、对与水星上类似的热岩石进行实验室测量以及对整个任务期间的整个事件序列进行无数次测试之后，现在可以提供来自水星的第一批 MERTIS 数据了。 这简直太棒了！"

这幅图像的彩色部分显示了航天器首次测量水星在中红外光下的辐射情况。灰度背景图（上图）显示的是美国宇航局信使号任务观测到的水星表面。MERTIS在这次飞越过程中的视角覆盖了水星上最大的撞击坑的一部分，该撞击坑被称为卡洛里斯盆地。 缩放面板显示的是巴绍撞击坑周围区域的特写。 信使号的可见光图像显示，巴生撞击坑既有非常暗的物质，也有非常亮的物质。 MERTIS飞越观测显示，该陨石坑在红外光下也很突出。右下方显示的是投影在水星地球仪上的飞越覆盖范围。 灰色显示的MERTIS飞越数据被叠加在根据信使号数据绘制的全球马赛克地形图上。

MERTIS的首张水星图像揭示了水星表面哪些部分在中红外光下比其他部分更亮，地面分辨率约为26-30千米（16-19英里）。 它覆盖了卡洛里斯盆地的一部分，以及北半球一大片火山平原的部分地区。

火山表面的亮度取决于温度、表面粗糙度以及火山口表面的矿物成分。 成像光谱仪对波长为 7-14 微米的中红外光很敏感，众所周知，这一波长范围特别适合区分岩石形成的矿物。

该图像突出显示了巴绍撞击坑，水手 10 号已经看到了这一特征，信使号也对其进行了详细观测。 可见光图像显示，巴生撞击坑既有非常暗的物质，也有非常亮的物质。 MERTIS飞越观测显示，该陨石坑在红外光下也很突出。

"当我们第一次看到 MERTIS 飞越数据并能立即分辨出撞击坑时，那一刻真是令人叹为观止！ 这个数据集还有很多东西有待发现--以前从未以这种方式观测到的表面特征正等待着我们。" 柏林德国航天中心行星研究所的索尔马兹-阿德利（Solmaz Adeli）说："我们从未如此接近了解水星的全球表面矿物学，MERTIS已经为BepiColombo的轨道阶段做好了准备。"

2024年12月1日，BepiColombo号第五次飞越水星，为2026年进入环绕太阳系最神秘行星的轨道做好准备。 图片来源：欧空局

这颗小行星的表面是由什么构成的，是水星众多谜团之一。 与信使号的数据相比，MERTIS和BepiColombo水星行星轨道器上的其他仪器将提供更好的精确度和元素组成分辨率。

信使号发现，尽管水星的铁镍核心异常巨大，但其表面的铁含量却相对较少。 这次任务还发现，虽然水星的轨道靠近太阳，但一些容易蒸发的化学元素却以异常高的浓度存在。

与此相关的一个谜团是，为什么这颗行星看起来如此黑暗。 乍一看，水星布满陨石坑的尘埃表面可能与月球相似，但它的表面反射光只有月球的三分之二。

为了能够解释 MERTIS 的测量结果，我们需要确切地知道不同的矿物在中红外光下是如何发光的，以及它是如何随温度变化的。 水星的日照面会变得非常热：MERTIS 辐射计在飞越水星期间测得的温度高达 420 ℃。

为了给2026年抵达水星的BepiColombo做准备，MERTIS团队一直在实验室测试许多不同的材料和矿物混合物，将它们加热到不同的温度，并测量它们在中红外波段的发光情况。

索尔马兹解释说："由于水星表面的铁含量出奇地低，我们一直在测试缺铁的天然和合成矿物。测试的材料包括岩石形成的矿物，以模拟水星表面可能由什么构成。"

MERTIS由德国航天中心建造，德国工业界也参与其中。 MERTIS 团队由来自多个欧洲国家和美国的众多科学家组成，他们正在共同研究此次飞越的数据。"能与这样一个出色的团队合作评估数据，我感到非常高兴。 "哈拉尔德说："最好的还在后面--当我们在2026年进入环绕水星的轨道时，MERTIS将能够充分挖掘其潜力。"

进入轨道后，MERTIS将提供水星表面矿物分布的全球地图，分辨率可达500米。

MERTIS之所以能够在飞行任务的早期阶段就进行观测，完全是因为对仪器软件进行了巧妙的重新编程。 MERTIS的设计目的是通过其所谓的"行星端口"观测水星，并通过其"空间端口"观测冷空间来校准这些数据。

但在2026年BepiColombo到达水星之前，航天器的部件是"堆叠"在一起的，MERTIS的行星端口被堵住了。 经过重新编程，它的空间端口现在可以用来在飞越水星的途中生成数据。 这在飞越月球和金星时已被证明是成功的，使研究小组能够测试仪器并校准其产生的数据。

欧空局BepiColombo项目科学家杰兰特-琼斯（Geraint Jones）说："来自MERTIS仪器的这些迷人而有价值的结果只是一个诱人的暗示，一旦两个轨道器都在环绕水星的轨道上运行，我们将期待整个BepiColombo科学有效载荷的巨大成果。"

BepiColombo于2018年10月20日发射，是欧空局和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的一项联合任务，在欧空局领导下执行。 这是欧洲首次前往水星执行任务。

该任务由两个科学轨道器组成： 欧空局的水星行星轨道器（MPO）和日本宇宙航空研究开发机构的水星磁层轨道器（Mio）。 欧洲的水星转移舱（MTM）将轨道器运往水星。

2026 年末抵达水星后，航天器将分离，两个轨道器将机动进入绕水星的专用极轨道。 两个轨道器将于 2027 年初开始科学运作，在为期一年的名义任务期间收集数据，并有可能延长一年。

所有M-CAM图像均可在行星科学档案中公开获取。

编译自/ScitechDaily