2024 年 12 月 9 日
BepiColombo 太空船第五次飛越水星
- 歐洲-日本軌道飛行器完美地飛越了水星，並實現了重要的科學測量。
- 由 DLR 建造並與明斯特大學聯合運營的成像光譜儀 MERTIS 首次以全新的視角展示了水星。
- 太空船在中紅外線波長下對水星的首次觀測提供了有關表面成分的資訊。
- 在 2025 年 1 月 8 日進行最後一次飛越後，任務將進入最後航線，於 2026 年 11 月抵達水星軌道。
- 重點：太空旅行、行星研究、水星
水星是八顆行星中最內在且最小的。從外觀上看，水星與月球非常相似，但水星在結構和成分上有顯著差異。因此，關於行星的形成、發展和結構，行星研究仍存在許多問題。歐洲太空總署 (ESA) 和日本 JAXA 於 2018 年發射的 BepiColombo 太空探測器旨在回答這些問題。 2026 年 11 月，BepiColombo 將抵達水星周圍軌道。該任務目標的六次近距離飛越中的第五次現已完成，使該任務更接近水星的最終軌道。首次使用了由德國航空航天中心 (DLR) 開發和製造並與明斯特大學聯合運營的成像光譜儀 MERTIS。 MERTIS 首次提供了水星表面的熱紅外線詳細視圖。該團隊對在這些波長下首次觀察水星表面所揭示的大量表面特徵感到特別滿意。
2024 年 12 月 1 日歐洲中部時間下午 3 點 23 分，貝皮科倫坡在距離水星表面 37,630 公里處完成了這次飛越的最短距離，並且軌跡發生了輕微變化。 「飛越」或「重力輔助」發生的距離比之前的四次飛越要遠得多。第四次飛越發生在 2024 年 9 月，距離水星表面僅 165 公里。此次，德國研發製造的MERTIS光譜儀首次能夠瞄準水星表面進行測量。先前從未有太空船在 MERTIS 覆蓋的 7 至 14 微米波長範圍內對水星進行研究。這些是中紅外線或熱紅外線的波長。 MERTIS（水銀輻射計和熱紅外光譜儀）測量岩殼在陽光下加熱時的熱輻射。 MERTIS 輻射計在飛越過程中偵測到表面溫度高達攝氏 420 度。在這些高溫下，礦物的光譜訊號與中等溫度下的測量結果不同。 BepiColombo 正在透過測量熱輻射進行開創性工作。
經過二十年的準備後首次使用
博士。 DLR 行星研究所的 Jörn Helbert 很高興：「經過大約二十年的開發工作，對熱岩進行的實驗室測量可能與水星上的類似，並對水星任務期間的整個過程進行了無數測試，這是第一個數據現在來自太空探測器。太棒了！ 」赫爾伯特與明斯特大學行星科學研究所的哈拉爾德·希辛格教授一起擔任 MERTIS 實驗的科學領導者。 Hiesinger 說：「與一支出色的團隊合作評估數據真的很愉快。經過多年的準備，透過 MERTIS，我們第一次以全新的視角看待水星。 「我們正在進入新的領域，將能夠更好地了解水星的成分、礦物學和溫度，」這位行星地質學家展望未來說道。
「MERTIS 是一款獨特的儀器，可提供地面分辨率約為26-30 公里的數據，即使是在約40,000 公里的長距離飛越距離上，我們也可以從中得出重要的見解，」Mertis 博士解釋道。柏林 DLR 行星研究所的 Solmaz Adeli。作為專案經理，她在規劃當前的飛越過程中發揮了關鍵作用。她補充說：「從 2026 年 11 月起，MERTIS 將能夠在水星軌道上充分發揮其潛力。然後搭載 MERTIS 的水星行星軌道飛行器將反覆接近水星表面 460 公里以內，然後提供分辨率高達 500 公尺的數據。
MERTIS 是在德國工業界的參與下在 DLR 建造的。該儀器設計由柏林 DLR 光學感測器系統研究所開發，基於新穎且高度整合的儀器概念，品質非常輕，僅 3 公斤，功耗也很低。該研究所負責儀器開發的專案經理 Gisbert Peter 表示：「在前往水星的途中經過六年，該儀器工作非常穩定，並提供了令人印象深刻的測量結果。我們現在正在評估來自水星的第一批獨特數據，並期望在任務過程中從該儀器獲得非常高分辨率的光譜，該儀器具有出色的光學特性。
由於水星靠近太陽，通往水星的路線很複雜
BepiColombo 由三個部分組成，在前往水星的途中相互連接：「水星轉移模組」（MTM），它利用太陽能板為離子引擎發電，並將任務帶到水星； 「水星行星軌道飛行器」（MPO）是任務的歐洲科學部分，船上有 11 台儀器；最後，位於 MPO 頂部、位於遮陽罩（MOSIF、MMO 遮陽罩和介面結構）中的是日本「水星磁層軌道飛行器」(MMO)。一旦它們到達水星，這些組件就會彼此分離，以便在不同的軌道上進行廣泛的科學調查。
MERTIS 是少數能夠在早期階段進行觀測的儀器之一。為此，對儀器軟體進行了重新編程。通常，MERTIS 會透過所謂的「行星視圖」光學元件進行觀察，並使用針對冷空間的第二個光學元件（「太空視圖」）校準資料。經過重新編程，「太空視圖」現在可用於在飛往水星的途中從「側視圖」獲取數據，即使水星的視圖實際上被其他組件遮擋。透過這種方式，MERTIS的科學家們已經從月球和金星的飛越中獲得了非常好的數據，並且能夠測試儀器和處理序列。
在 2024 年 12 月 1 日的飛越過程中，MERTIS 看到了約 1,550 公里長的卡洛里斯撞擊盆地的一半以及北半球大型火山平原的部分區域。 MERTIS 影像突出顯示了 Bashō 撞擊坑，美國水手 10 號太空船已經看到了該隕石坑，並且 MESSENGER 對其進行了詳細觀察。可見光波長的影像顯示芭蕉撞擊坑包含非常暗且非常亮的物質。 MERTIS 飛越觀測顯示中紅外線輻射強度存在異常，證實了該隕石坑的特殊性質。 MERTIS 隨後將能夠詳細研究水星整個表面的礦物學，並揭示芭蕉隕石坑中深色和淺色物質的真實性質。
歐洲與日本密切合作
BepiColombo 任務的整體管理由歐洲太空總署 ESA 負責，該機構還負責水星行星軌道飛行器的開發和建造。水星磁層軌道器由日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）提供。德國對 BepiColombo 的貢獻主要由位於 DLR 的德國航太局協調並提供資金，聯邦經濟事務和氣候保護部 (BMWK) 提供資金。 BELA 和 MERTIS 兩種儀器主要由位於柏林阿德勒斯霍夫的 DLR 行星研究和光學感測器系統研究所開發，並得到了 DLR 研究和技術基金的大力資助。對 BepiColombo 任務的進一步貢獻包括來自哥廷根馬克斯普朗克太陽系研究所 (MPS) 的粒子探測器 SERENA、明斯特大學的光譜儀 MERTIS 以及布倫瑞克技術大學的 Merkur 磁力計 MERMAG。這些計畫也得到了德國航太中心航太局的財政支持以及聯邦經濟事務和氣候保護部 (BMWK) 的資助。該探測器的工業部分是由空中巴士防務與航太公司領導的歐洲工業聯盟實現的。
[照片]
(A) 來自 BepiColombo 的第一張水星熱紅外線影像
2024 年 12 月 1 日，BepiColombo 太空船在進入水星軌道時第五次經過太陽系最內層的行星。 MERTIS 光譜儀首次瞄準水星。此處，記錄以梯度形式顯示在通道（8.45 微米）中，投影到 NASA 軌道飛行器 MESSENGER（2011-2015）的地圖鑲嵌圖上。顏色代表輻射強度，受表面溫度、表面粗糙度、礦物成分和熱性能的影響。地圖上的間隙是由 MERTIS 校準週期造成的。卡洛里斯盆地是水星上最大的撞擊結構，被部分覆蓋（紅色）。縮放框（左）顯示以芭蕉撞擊坑為中心的區域的特寫。信差號的影像顯示芭蕉撞擊坑由非常暗且非常亮的物質組成。 MERTIS 飛越觀測顯示中（熱）紅外線輻射強度異常，證實了隕石坑的特殊性質。在右下角，飛越的封面投射到水星球上。
(B) 飛越水星期間 MERTIS 測量的覆蓋範圍
水星的全球視圖是根據美國太空總署信使號任務相機系統的數據計算出的對比度增強影像鑲嵌圖，該任務於 2011 年至 2015 年繞著水星運行。顏色反映了表面岩石礦物學的差異。 2024 年 12 月 1 日，歐空局 BepiColombo 太空船飛越距離約 40,000 公里的地方時，光譜儀 MERTIS 打開，它像掃描儀一樣使用 7 至 14 微米熱紅外線波長掃描水星。寬灰色條紋顯示 MERTIS 覆蓋的區域。在左上角，您可以看到 2,500 公里寬的卡洛里斯盆地，這是水星上最大的撞擊結構。為了記錄 MERTIS 的觀測結果，必須重新編程實驗，因為實際上用於測量的“行星視圖”光學器件不允許看到水星，但“太空視圖”使這成為可能”對著旁邊說道。
(C) 2024 年 12 月 1 日第五次飛越水星
歐洲太空總署（ESA）和日本 JAXA 的聯合水星任務 BepiColombo 於 2024 年 12 月 1 日第五次飛越目標，距離 37,630 公里，將於 2026 年 11 月抵達。在這次與水星的倒數第二次交會中，探測器與水星的距離比上次飛越時的距離遠了 200 倍，上次飛越時探測器距離水星表面僅 165 公里。第五次飛越是探測器第一次使用水星輻射計和熱紅外光譜儀（MERTIS）儀器，該儀器測量行星表面的溫度和成分，並提供有關行星表面可發現的礦物類型的信息。
(D) 汞光譜儀 MERTIS
MERTIS（水星輻射計和熱紅外光譜儀）是歐洲太空總署 (ESA) 的 BepiColombo 水星軌道飛行器的成像光譜儀。 MERTIS 與輻射計結合，輻射計是一種用於確定太陽輻照度的測量裝置。該儀器的尺寸僅為18×18×13厘米，質量為3.1公斤；功耗非常低。 MERTIS 感測器是獨一無二的：成像通道使用非製冷微測輻射熱計來測量紅外線輻射，這是歐洲第一個獲得太空認證的感測器。 MERTIS 用於檢查水星表面和造岩礦物的礦物成分。同時，整合的微輻射計測量溫度和熱導率。研究人員希望這些數據能夠提供有關水星形成和發展的見解。
(E) 水星前面的貝皮科倫坡水星軌道飛行器的藝術想像圖
藝術家對 BepiColombo 軌道結構的想像圖，背景是水星。在 2025 年 1 月 8 日第六次也是最後一次近距離飛越水星後，歐空局太空船將於 2026 年 11 月進入水星軌道。這裡可以看到 Merkur 傳輸模組，其帶有主動發動機和展開的太陽能電池板，從一端到另一端長 30 公尺。水星行星軌道飛行器中心的七公尺半長的太陽能板指向上方。在該圖中，水星磁層軌道飛行器隱藏在遮陽罩內。 BepiColombo 任務以義大利數學家和工程師 Giuseppe “Bepi” Colombo（1920-1984）命名。
(F) 水星星座第五次飛越貝皮科倫坡
2024 年 12 月 1 日，歐洲-日本聯合任務 BepiColombo 第五次掠過水星，使其距離 2026 年進入水星軌道又近了一步。探測器於歐洲中部時間下午 3:23 飛越這顆小行星的表面，高度為 37,630 公里。這比前四次飛越地球要遠得多，當時貝皮科倫坡距地表僅 100 至 150 英里（165 至 240 公里）。這次飛越的特別之處在於，這是 DLR 開發和製造的 MERTIS 儀器首次瞄準水星。這是太空船首次測量水星如何反射和發射中紅外線（7 至 14 微米波長）輻射。在這次飛越過程中打開的其他儀器包括磁力計MPO-MAG 和MMO-MGF、伽馬射線和中子能譜儀MGNS、X 射線和粒子能譜儀SIXS、灰塵監測儀MDM 和檢測電場的儀器PWI，等離子體並檢測無線電波。
(G) 黑白水銀和假色表示
繼1973 年和1974 年美國太空總署水手10 號太空船三次飛越太陽系最內層行星之後，這是美國太空總署信使（水星表面、太空環境、地球化學和測距）發現任務唯一一次從軌道上觀測到太陽系最內層的行星。在水星在軌道上的第一個太陽日（176 個地球日）之後，MESSENGER 幾乎完成了兩項最重要的全球測繪活動：解析度為每像素250 公尺（像素，左）的單色地圖和八色彩色地圖，每像素一公里的影像解析度（右）。這裡顯示的正交視圖以東經 75 度為中心，每個都是數千個單獨影像的馬賽克。右側影像由相機在 1,000、750 和 430 奈米波長下拍攝的廣角影像組成。
(H) MESSENGER 任務中的假色卡洛里斯撞擊盆地
2014年11月15日，NASA的MESSENGER軌道飛行器使用MDIS相機系統在各種顏色通道（中心位於北緯31.5度和東經162.7度）對卡洛里斯盆地（水星上最大的撞擊結構）進行了成像。馬賽克是鋪設在單色馬賽克上的彩色複合材料。廣角和望遠鏡影像的結合可以將地質特徵與其顏色特性相關聯。卡洛里斯盆地被熔岩淹沒，在這張馬賽克圖中熔岩呈現橘色。這些隕石坑中較大的一個在地表熔岩下方露出微弱的反射材料（藍色），可能讓我們看到了原始盆地底部的材料。