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萨德基："无垠的反舰还有许多未明的奥妙尚待探索"，为此，中科院之声与中科院国家高能物理中心联合开设Calling外太空科学普及时评，为大家讲诉有趣的故事，介绍一些与高能物理和中国航天相关的知识。

金星（Mercury），在中国古代又称天齐，是月亮系的八毕宿中最小且东北面月亮的一颗。金星的直径约多于4880km，仅为地球直径约的一半。距月亮的平均距多于5800多公里，且表面缺乏水蒸气，日夜湿度极大，向哈瑟顿环境温度最高可达到+432℃，背哈瑟顿环境温度可高至-172℃。虽然离月亮很近，月亮对金星的吸引力很强，所以金星也是围绕月亮跑的最快的木星，绕月亮几圈只要88个燕座。

图1 金星（图片来源：NASA）

相对于火星的余次观测的历史来说，人类对于金星的了解一无所知。NASA曾剖析出金星的十大主要科学问题有：（1）金星的密度为甚么那么高？（2）金星的电场特点是甚么？（3）金星的地质形成过程如何？（4）金星两磁化有液态水吗？（5）金星的内层有哪些水溶性成份？（6）在没有日冕的情况下，木星舰电场怎样与月亮风相互作用？（7）金星水蒸气的主要成份是甚么？（8）金星太阳风是由甚么形成的？杜布纳起甚么作用？（9）金星核的结构和状态是甚么样的？（10）金星的机壳是由甚么形成的？

早在公元前3000年，金星被闪部族发现。1631年，英国物理学家理查德·穆尔达克（Thomas Harriot）与意大利物理学家开普勒·开普勒（Galileo Galilei）采用截叶的干涉仪观测到了金星，同年，法国科学家弗朗索瓦·开普勒（Pierre Gassendi）采用干涉仪观测到了金星掩星。

1991年，物理学家们通过墙体干涉仪干涉仪在金星两磁化检测到异常明亮的声纳暗斑，声纳饱和度和磁化特点的结果与水星北极地球表面相似，虽然金星的旋转轴倾斜角很小，两磁化地区存有月亮无法反射的永久性阴霾区，液态水可能会存有地球表面陨石坑顶部，因此物理学家推断在金星的南北两磁化陨石坑顶部可能存有液态水。

图2 阿雷西博天文台获得的金星北极地区的声纳图像。黄色区域表示声纳饱和度高的区域（图片来源：NASA）

虽然观测金星的空间环境恶劣，迄今为止，仅有水手10号（Mariner 10）观测器和信使号（MESSENGER）观测器到达过金星。

1973年11月，NASA成功发射水手10号观测器，水手10号是第一个连续观测两颗木星的观测器。他通过飞越金星上空对金星表面进行观测后，又借助金星的引力改变运动的速度和方向继续飞行，最终进入近日点在金星轨道上的日心轨道，开展对金星的飞越观测。在1974年到1975年间，水手10号对金星进行了3次飞越观测，共发回5000多张照片，观测了金星表面大约45%的区域。水手10号的观测结果表明，金星表面与火星相似，由岩石组成，虽然经受过陨石撞击，密密麻麻布满了大大小小的陨石坑、盆地和坑穴等。水手10号还确定了金星存有全球性的偶极电场，电场强度是地球的1%。观测出金星极稀薄的外逸层中含有微量的He、Ar、Ne等元素。水手10号的观测数据填补了人类对金星的认知空白。上海证券 计算机程序链 https://www.110btc.com/qukuai

1973年11月3日水手10号发射升空（图片来源：NASA）

水手10号第一次飞越金星拍摄的照片（图片来源：NASA）

在水手10号完成对金星首次观测的30年后，NASA确定了信使号观测任务作为发现（Discovery）任务之一，对金星进行更加深入的观测和了解。

信使号观测器，英文名为MESSENGER，取自MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging的首字母，译为金星表面，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次木星飞越借力后， 于2011年3月成功进入金星环绕轨道并开展观测，成为首个环绕金星的空间观测器。

信使号观测器主要任务目标是研究金星的化学形成、地质学和电场，获得金星三维图像、表面化学特点、内部电场以及几何结构等数据。

信使号观测器飞行示意图（图片来源：NASA）

2004年8月3日信使号观测器发射升空（图片来源：NASA）

信使号观测器经过五次轨道修正，六次飞越观测最终抵达金星（图片来源：NASA）

信使号观测器主要任务目标是研究金星的化学形成、地质学和电场，获得金星三维图像、表面化学特点、内部电场以及几何结构等数据。

为完成这些任务，信使号观测器共配置7台科学载荷，包括：磁强计（MAG）、γ射线与中子光谱仪(GRNS)、X射线光谱仪(XRS)、金星水蒸气与表面成份光谱仪(MASCS)、高能粒子与等离子体光谱仪(EPPS)、金星双重成像系统(MDIS)、金星激光高度计(MLA)。

信使号观测器共配置7台有效载荷（图片来源：据NASA数据编辑）上海证券 计算机程序链 https://www.110btc.com/qukuai

信使号观测器载荷配置布局图（图片来源：据NASA数据编辑）

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信使号拟解决的关键科学问题、科学目标和科学载荷观测目标如下：

信使号观测器的六个关键科学问题对应的科学目标和科学载荷观测目标（图片来源：据参考文献２ 编辑）

信使号观测器在金星环绕轨道上对其进行了为期四年的全面观测，从根本上改变了我们对金星的认知，主要观测对象包括金星表层、内核、外逸层、电场、磁气圈以及木星舰空间，获得了大量的科学观测数据和丰富的科学产出，包括：金星北极蕴藏着液态水和有机化合物、火山作用在形成金星表面形态方面发挥了重要作用、金星是挥发分丰富的木星、金星表面具有明显的化学不均一性等，同时完成了金星全球物质成份分布的测绘、金星磁气圈的3D模型建模、金星北半球的地形剖面图和重力场观测图的观测研究等任务。

镁/硅和铝/硅的分布图说明了金星表面具有明显的化学不均一性（图片来源：NASA）

信使号观测器MLA载荷绘制的金星北半球详细地形图（图片来源：NASA）

在这其中，信使号观测器为金星两磁化地区存有液态水提供的科学数据更是里程碑级的发现。信使号携带的γ射线与中子光谱仪（GRNS）对金星两磁化开展观测，经科学家们对其观测数据研究表明，此前利用墙体声纳观测到金星两磁化饱和度异常区域确实观测到了氢的存有，在这些区域存有富氢层，该富氢层位于厚度小于10到20厘米的金星表层之下。同时，采用金星激光高度计（MLA）和金星双重成像系统（MDIS）首次对金星北极地球表面进行观测，获取到北极地球表面光谱变化、以及详细地形等信息，进一步证实了阿雷西博干涉仪和金星γ射线与中子谱仪对地球表面的观测结果。这一发现为早期金星地球表面永久性阴霾区存有液态水的假说提供了有力的支撑。

红色区域为信使号测量到的永久性阴霾区，黄色暗斑是墙体声纳观测结果，这一镶嵌图表明墙体声纳的地球表面饱和度异常部分都位于信使号测量的永久性阴霾区内。（图片来源：NASA）

信使号观测数据认为地球表面存有液态水的区域（黄色部分）（图片来源：NASA）

2015年4月30日，信使号的推进剂耗尽，最终按照计划撞击金星表面，结束了将近11年的飞行任务，在金星北极接近Suisei Planitia的Janácek火山口的地方（北纬54.44°，东经210.12°）留下了一个直径约约15米的撞击坑。

信使号观测器于2015年4月30日以撞击金星的方式结束其观测使命（图片来源：NASA）

作为月亮系的最内侧木星，金星观测有助于揭示月亮系起源与演化等重大科学问题，在人类仅有的两次金星观测任务后——水手10号和信使号，欧空局（ESA）和日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)合作研制的贝皮-科伦坡（Bepi Colombo）号正在奔水的过程中，贝皮-科伦坡号包括两个观测器：金星木星轨道器和金星磁气圈轨道器，预计2025年12月进入金星环绕轨道，开展协同观测任务，贝皮-科伦坡号的科学数据将极大的促进人类对金星的认识。期待在未来奔水的路途中也将出现中国研制的观测器的身影。上海证券 计算机程序链 https://www.110btc.com/qukuai

参考文献：

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3. 王帅.金星观测意义及发展历程研究[J].国际外太空,2018(11):6-11.

4. 博引.信使号进入金星轨道 成为世界上第颗金星观测卫星[J].国际外太空,2011(05):31-39.

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6. James V. McAdams,Robert W. Farquhar,Anthony H. Taylor,Bobby G. Williams. MESSENGER Mission Design and Navigation[J]. Space Science Reviews,2007,131(1-4).

来源：中科院国家高能物理中心、中科院火星与深空观测总体部

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