10 水星上有水吗
北京时间2014年10月8日傍晚5点30分，太阳刚刚西沉，天色渐暗，美丽的晚霞还在西边的天空中绽放着余晖。南京紫金山天文台的天堡城观景平台上已经人头攒动，人们正翘首以待，等待着一个难得的天文奇观的来临。
傍晚5点45分，突然，人群沸腾起来。在紫金山东南方向的山头上，一轮血红的月亮正在冉冉升起。在月亮的左上方，一弯亮闪闪的金色月牙正在慢慢退去。这就是中国天文爱好者期待了很久的红月亮带食月出(1)。这是一次难得的月全食，由于月亮的位置正好位于地球阴影的边缘，地球大气层散射出来的晚霞霞光映红了整个月亮。(2)
全球有数亿人通过网络直播收看了这次红月亮的天文奇观。但是，我们不知道的是，远在1.07亿千米外的遥远太空中，还有另外一双眼睛正在注视着这次月全食，这个遥远的观察者就是正在水星执行任务的信使号（MESSENGER）探测器。
信使号从北京时间17点18分开始，每隔2分钟，就向着地球的方向拍摄一张照片，从遥远的外太空拍摄了月球进入地球阴影的全过程。信使号的团队把这些照片编辑成了一个长度只有5秒钟的视频。从水星的视角来看，地球和月球就像两颗互相绕转的明亮恒星。在月食发生的时候，月球的亮度逐渐变暗，慢慢消失在地球的阴影之中。(3)
你可不要以为，这个名叫信使号的探测器大老远地跑到一亿千米之外，就是去拍摄月全食的。信使号的主要任务是对水星表面、空间环境以及水星的地质化学等项目展开深入的探测研究。
虽然信使号名为“信使”，但它的水星之旅并不怎么迅捷，甚至可以称得上是相当坎坷。信使号从2004年8月3日发射升空，到2011年3月18日才正式泊入水星轨道。整个过程用去了差不多7年的时间。
我在第一次看到这个数据的时候，是吃了一惊的。著名的卡西尼-惠更斯号土星探测器是1997年发射升空的，到2004年泊入土星环绕轨道，也同样用了将近7年的时间。但是地球到土星的距离有平均8.5个天文单位(4)那么远。这个距离是地球到水星距离的14倍。既然距离差了14倍，为什么用的时间却是差不多的呢？这太奇怪了。
回顾历史，人类发射的第一个水星探测器水手10号（Mariner 10）根本没有花费7年这么长的时间。水手10号于1973年11月3日发射升空，1974年3月29日就实现了首次水星飞掠，这中间只用了短短4个多月的时间。同样是水星探测器，到底是哪些差异让晚发射30年的信使号花去了7年的漫长时光呢？这就要从它们轨道的差异说起了。
水手10号的最终目标是成为一颗绕着太阳运行的人造行星，通过不断飞掠水星来实现对水星的探测。而信使号的任务则是成为一颗绕着水星旋转的人造卫星，这就是两个探测器的本质差别。
与那些向着外太阳系(5)飞行的探测器不同，信使号要想靠近水星，就必然要接近太阳，挑战太阳重力场深处的强大引力。信使号越接近太阳，太阳引力带来的加速度就会越大。如果信使号没有给自己减速的办法，最终的结果将与水手10号一样，只能成为环绕太阳旋转的人造行星，再也无法泊入水星的卫星轨道了。所以说，慢有慢的道理。
下面，我会尽量用简练的语言来为你讲解信使号泊入水星轨道前的这段经历，好让你知道信使号的7年航程是多么坎坷和不容易。
2004年8月3日，一枚三角洲2号运载火箭从佛罗里达州的卡纳维拉尔角空军基地发射升空，上面搭载的便是故事的主角——信使号。信使号升空的第一年，几乎就是以一颗人造小行星的身份沿着地球轨道绕着太阳旋转。
2005年8月2日，也就是信使号发射整整一年的日子，信使号第一次飞掠地球，并利用地球的引力弹弓效应，将自己甩入内太阳系中金星轨道的方向。这时，信使号的轨道从与地球轨道一致，变成了一个椭圆形，椭圆形的一端与地球轨道相切，另一端则与金星轨道相切。
2005年12月12日，信使号点燃助推器，做了第一次深空机动调整，为第一次飞掠金星做好了准备。然后，信使号再次飞掠过地球轨道，正式向着金星飞去。
2006年10月24日，信使号正式飞掠金星。利用金星的引力弹弓效应，信使号把自己的轨道调整为与金星轨道几乎同步的椭圆。这样，在第224天，也就是一个金星年之后，信使号就可以再次飞掠金星，并向着目标——水星进发了。
2007年6月5日，经过深空机动调整过的信使号准确地第二次飞掠金星。并且利用金星的引力弹弓效应，将自己甩向水星轨道。这时，信使号的轨道就从与金星同步变成了一头与金星轨道相切，另一头与水星轨道相切的椭圆了。
接下来的事情变得更加困难了。虽然地球与金星的绕日轨道也是椭圆，但毕竟还是一个接近于正圆的椭圆。水星的轨道却完全不同，它有着所有行星中最大的轨道偏心率(6)。水星离太阳最远的时候，距离足足有近日点(7)的1.5倍之多。
为了能够追上水星的步伐，信使号不得不6次深空机动变轨来瞄准水星，3次飞掠水星，利用水星的引力弹弓效应调整轨道，最后终于让自己的绕日公转轨道及飞行速度与水星基本同步。2011年3月18日，在距离发射时间6年零228天的时候，信使号终于如愿以偿，进入了水星的引力圈，成为一颗绕着水星旋转的人造水星卫星。
不管你能否完全理解上面的一番描述，但我们都可以感受到信使号旅程的坎坷和艰难。如果你觉得前面的语言描述还不够直观，那不妨看下上面这幅信使号的航行轨道示意图。
那么，有没有更简单的办法能够直接到达水星呢？当然有。只要用更大的火箭发射信使号，带上更多的燃料，就可以直接朝着水星飞行，到了水星附近再变轨减速，最后泊入水星轨道。不过，如果采用这个方案，至少要把身高40米的三角洲2号轻型火箭换成高达70米的三角洲4号重型火箭才可以做到。没有足够的经费，实现目标就只能依靠巧妙的轨道设计和长时间的等待了。
当然，信使号在漫长的旅程中也并不是无所作为的。2007年6月，旅途中的信使号就顺手接了个来自欧洲航天局的“私活儿”。原来，6月5日的时候，信使号即将以338千米的超近距离飞掠金星。由于信使号上携带的设备是当时最先进的，于是欧洲航天局的金星快车团队就向信使号团队发来请求，希望信使号能帮忙完成一些探测任务。信使号欣然应允了金星快车团队的请求，在完成任务的同时也顺便测试了自己的新装备。
行星科学家罗伯特·斯特罗姆（Robert G. Strom）是唯一一位既参与过水手10号项目，又参与了信使号项目的科学家。根据罗伯特的回忆，我们可以知道，一直以来，人们都认为水星是一颗内部结构与月球相似、复杂度很低的岩石行星(8)。这样的认识让水星在行星探索计划中的优先级变得很低。人们宁愿把探测器发往外太阳系的气态行星，也不愿意把同样的钱花费在探索水星上。直到华盛顿卡内基研究所和约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室设计了低成本的水手10号，水星探测任务才首次获得了批准。
探索水星的重要度被严重低估，无论是水手10号还是信使号，都是在科研经费严重不足的情况下设计出来的。所以，信使号只能采用这种令人眼花缭乱的复杂轨道来接近水星。信使号用发回的数据证明了自己的价值，所有在信使号身上投入的经费都是物超所值的。人们万万没有想到，看似朴实无华的水星竟然隐藏着如此多的秘密。
我们最熟悉的卫星绕着行星旋转的模式，是卫星位于黄道面上绕着行星转动，月球绕着地球旋转就是这样。但是，信使号绕着水星旋转的模式是完全不同的。信使号的绕行轨迹是一个垂直于黄道面，同时也垂直于水星绕日轨道的椭圆形。如果你把水星的绕日轨道想象成一根弹簧，那么弹簧的钢丝的缠绕方式差不多就是信使号的运动方式了。
这种轨道最大的好处，就是能随着水星的自转，把包括两极在内的整个水星观察得一清二楚。而且，当信使号飞掠过水星的向阳面，太阳光会把水星表面完全照亮，观测不会受到地形阴影的干扰。更重要的是，信使号可以阶段性地躲到水星背面的阴影里，避免被阳光和水星表面的反射光晒得过热。
信使号先用每像素250米分辨率的照相机对水星表面进行地毯式拍摄。这些照片传回地球后，科学家们会挑选值得深入研究的区域，让信使号使用每像素12米的超高清相机对目标进行重点拍摄。另外，信使号携带的双成像系统还能对地表光谱的变化进行分析，从而了解地表物质成分并绘制地形信息。
水星的阳光强度比地球的高10倍，白天的时候，水星表面的温度可以把铅都熔化掉。这似乎是太阳系中最不可能存在水的星球了。但是，早在20世纪初，就有科学家提出，水星的自转轴几乎与它绕太阳的公转平面是垂直的，这就使得水星的极地地区很可能会存在一些永远也见不到阳光的地方，而这些地方完全有可能存在水冰。
水星上存在水冰的这个假说，在几十年中一直没有办法获得进一步的证据。直到1991年，阿雷西博天文台（Arecibo Observatory）在观察水星的时候发现，位于水星极地地区的一些环形山，在射电望远镜(9)中的表现很不一般。这些环形山在可见光波段的照片中留下了深深的阴影，在雷达图像中却变得非常明亮。(10)这些雷达图像与火星的极冠(11)以及木星的冰卫星欧罗巴在雷达上的反应是一致的。
这些强烈的雷达反射波是水冰存在的典型证据。行星科学家安东尼·科拉普雷特（Anthony Colaprete）(12)在一封邮件中指出：“只有纯度高达90%，而且厚度超过数米的冰层才能达到这么高的雷达反射率。”
然而，事实需要信源，观点需要论据。虽然很多科学家都觉得呈现在雷达图像中的亮斑毫无疑问就是水冰，但大家都知道，我们还需要更多的直接证据才行。信使号自然就成为前往水星验证这个水冰假说的最合适“人选”。
信使号花费了6个月的时间，将水星极地地区的照片和地形结构仔仔细细地拍摄和分析了一遍。每一个陨石坑，信使号都用激光高度计(13)仔细测量过。这些数据证实，每一个在阿雷西博望远镜中强烈反射雷达波的位置，都处于永远见不到阳光的陨石坑的阴影之中。这些陨石坑的阴影地带温度足够低，足以使里面的水冰保持稳定的状态。
这些水冰是怎么来的呢？你可以这样想象，水星极地上每一个见不到阳光的陨石坑，都像是一个寒冷的陷阱，那些路过的彗星和冰陨石带来的极少量的水，一旦飘过这些陨石坑，就会立即被冻住，从而保存下来。在过去的数十亿年中，这些冰冻陷阱一个分子一个分子地捕获着空间中的水，逐渐积累到现在的厚度。
然而，这仍然不是水星存在水冰的实锤。有科学家认为，雷达观察到的明亮物质也不一定是水冰，还有可能是二氧化硫。这些二氧化硫很可能来自水星古老的火山活动。而且，二氧化硫也可以在水星的极地陨石坑中稳定而长期地存在，并且反射出同样明亮的雷达反射波。
为了彻底弄清楚这些沉积物到底是不是水冰，信使号任务的首席科学家西恩·所罗门（Sean Solomon）认为(14)，应该让信使号利用其携带的中子谱仪绘制一张水星表面的中子通量(15)图。如果那些陨石坑中的物质能让发射出来的中子的能量降低，就说明那些物质中含有大量的氢原子。而水，则是太阳系内最有可能的氢原子来源。
为了绘制这张中子通量图，信使号又花费了4个多月的时间。最后的探测结果表明，这4个月的工夫没有白费。约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室的科学家大卫·劳伦斯（David J. Lawrence）在仔细研究数据后说：“中子数据表明，那些沉积在雷达照片亮区中的物质平均有10—20厘米厚，这些物质中氢的含量几乎与纯净的水冰一模一样。”(16)
这是一个置信度超高的证据。这些陨石坑中不仅存在大量的氢，而且氢的含量还与纯净的水冰一模一样。通过整整一年的研究，水星上是否存在水冰的答案终于水落石出了，水星也终于成了一颗名副其实的有“水”的星球。
信使号在为期10年零8个月的任务时间里，给我们带回了太多的新发现。但所有的新发现中，最受公众关注的科研成果仍然是水冰的发现。
就在几十年前，我们还倾向于认为：水是一种宇宙中相当稀缺和宝贵的资源。但是，随着我们对太空探索的不断加深，“水在太空中无处不在”的事实越来越清晰地摆在我们面前。
在我们的太阳系中，至少有75%的元素是氢，这是宇宙中最常见的元素。氧虽然远远没有氢那么多，只占1%左右，但在所有元素中，氧的丰度(17)排在第三位，也是相当多的。这样看来，氢与氧组成的化合物——水——在太阳系里随处可见，当然也就不足为奇了。
太阳的炙烤，导致大量的水向着外太阳系流失，内太阳系的几颗行星（包括地球在内）都比较缺水。但一旦到达木星轨道，水就是最常见的物质之一了。木星、土星、天王星和海王星的核心很可能就是一个水冰的冰核，在这些巨行星的许多卫星上都发现了水冰。泰坦、欧罗巴等卫星上的水储量，甚至远远超过了地球。再往外，到了冥王星轨道和柯伊伯带，只要提到了“固体”这个词，基本上说的就是一块冰或者冰与其他物质的混合物了。(18)
既然整个太阳系里到处都是水和水冰，那么为什么发现水星的冰层还会让科学家们如此欢呼雀跃呢？这难道意味着水星的冰层中也有可能藏有外星生命吗？当然不是！
水星的冰层与隐藏在欧罗巴、恩克拉多斯冰层下的液态水海洋完全不同，是不可能存在生命的。但这对于人类来说，意味着一个更加令我们兴奋的词：宜居。
如果人类要往外星球移民，最重要的条件是什么？你可能首先想到的是空气或者是液态水。其实并非如此。最重要的条件是，这个星球上必须具备水冰和含碳的化合物，其次是要有充足的阳光作为能源。有了水，我们就能制造出氧气和氢气；含碳化合物则可以与氧气结合，产生植物赖以生存的二氧化碳。
信使号对水星的观察还显示，有很多水冰被一些反射率很低的黑暗物质覆盖着，这些黑暗的物质比水星表面上最暗的物质反射的雷达波还要少。科学家们推断，这些黑暗的物质就是一些富含碳元素的有机物质。
所以，别以为水星距离太阳太近、温度超高，就不适合人类居住。其实，只需要在水星上建立一个可以调节阳光的密封温室，我们就有可能在水星上建立一个宜居的基地。充足的阳光让我们拥有取之不尽、用之不竭的能源，同时水星上还有充足的碳和水，这对于建立一个供人类长期生存的基地来说，已经是充要条件了。
就在2019年8月3日，NASA公布了由月球勘测轨道飞行器（LRO）和信使号监测得到的最新数据报告。最新的报告显示，无论是水星还是月球，它们蕴藏的水冰储量都比我们先前估计的数量要大很多。(19)
利用信使号和月球勘测轨道飞行器获得的高程(20)数据，研究人员测量了水星和月球上直径在2.5千米到15千米的1.5万个陨石坑。他们发现，无论是月球还是水星，这些陨石坑普遍要比正常的陨石坑浅10%左右。这10%的厚度差异，可以用积累水冰的厚度来进行解释。这是以前从未发现过的超厚冰层，这些超大储量的冰库足以支持我们对这些星球的长期探索。月球上超大储量的水冰，还有可能成为撬动人类重启载人探月计划，甚至建立月球基地的重要杠杆。
2018年10月20日，人类的第三个水星探测器——贝皮可伦坡号（BepiColombo）顺利启程，飞向了水星。贝皮可伦坡号是欧洲航天局和日本宇航局的合作项目。它的主要任务就是对水星的磁场、磁层、行星际太阳风以及星际粒子进行进一步的研究和探索。
贝皮可伦坡号水星探测器采用了与信使号完全一样的轨道方案。2020年4月10日首次成功飞掠地球(21)，利用地球的引力弹弓效应进行减速和变轨。绕日一周飞掠地球，这只是一个水星探测器万里长征的第一步而已。按照贝皮可伦坡号的计划，要到2025年12月5日，才能正式泊入水星轨道，开始正式的科学探索活动。
我们期待贝皮可伦坡号水星探测器能给我们带来更多的好消息。现在，水星在我们心中已经不再是那个荒凉、灼热而又陌生的岩石行星了。我们已经知道，水星上有充足的水、阳光和含碳的有机物。如今的水星已经被我们贴上了“宜居”的标签。也许，若干年之后，水星真的能够成为人类的太空前哨，甚至成为人类的新家园。
围绕着水星，还有很多未解之谜等待着人类去探索，我们甚至都还弄不清楚水星是如何形成的。
(1)带食月出：月亮在月食的过程中升起，可以理解为月亮在升起时就被"咬"掉了一口。
(2)《紫金山天文台举办2014年月全食观赏活动》，中国科学院官网，2014年10月13日。
(3)参见NASA官网发布的视频：MESSENGER's View of a Lunar Eclipse。
(4)天文单位（Astronomical Unit, A.U.）：天文学中计量天体之间距离的一种单位，其数值取地球和太阳之间的平均距离，1A.U.=149,597,870千米。
(5)外太阳系（Outer Solar System）：太阳系以小行星带为界，分为内太阳系和外太阳系，太阳与小行星带之间的区域是内太阳系，小行星带以外部分是外太阳系。
(6)偏心率（eccentricity）：用来描述圆锥曲线轨道形状的数学量，指曲线到定点（焦点）的距离与到定直线（准线）的距离之比。
(7)近日点（perihelion）：星体绕太阳公转的轨道大致是一个椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上，并非椭圆的中心，星体离太阳最近这一点的位置叫作近日点。
(8)岩石行星（rocky planets）：岩质行星的别称，指以硅酸盐岩石为主要成分的行星。
(9)射电望远镜（radio telescope）：观测和研究来自天体的射电波的基本设备，可以测量天体射电的强度、频谱及偏振等量。
(10)NASA Spacecraft Finds New Mercury Water Ice Evidence, nasa.gov, Nov. 19, 2012.
(11)极冠：火星极冠是指火星南北极有水冰及干冰覆盖的区域。
(12)RICHARD A. LOVETT, Water Ice on Mercury? NASA Probe Close to Proof, Teams Say, National Geographic, Dec. 15, 2011.
(13)激光高度计（laser altimeter）：安装在飞机、卫星等测试平台上，实现远距离、非接触、测量高程的仪器。
(14)RICHARD A. LOVETT, Water Ice on Mercury? NASA Probe Close to Proof, Teams Say, National Geographic, Dec. 15, 2011.
(15)通量（flux）：某种物质在每秒内通过每平方厘米的假想平面的移动量。
(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)丰度（abundance of elements）：一种化学元素在某个自然体中的重量占这个自然体总重量的相对份额。
(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）：某点沿铅垂线方向到绝对基面的距离称为绝对高程，简称高程。绝对基面是将某一海滨地点的平均海平面高程定为零的水准基面。
(21)Earth Flyby Opens New Science Opportunities For BepiColombo, https://sci.esa.int, 30 April 2020.