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水星离地球最近 却最难到达:这是为啥?

编辑小小2024-05-27天文55

如果提问太阳系八大行星中距离地球最近的行星是哪颗,估计很多人都会选择金星,因为它在轨道上距离地球最近。

水星离地球最近 却最难到达:这是为啥?
图源:JACOPIN/BSIP SA/Alamy Stock Photo

但实际上,就平均距离而言,距离地球最近的行星是水星,同时水星也是距离所有太阳系行星平均距离最近的天体。

原因很简单,当这些行星绕太阳运动的时候,任何两颗行星都有可能彼此远离(想象两颗行星可能会在太阳的两边),而水星距离太阳最近,因此水星距离其它行星的平均距离差不多就是其它行星的轨道半径而已。

然而,虽然水星是距离地球平均距离最近的行星,但是水星上目前连一颗轨道航天器都没有,历史上也没有任何一颗航天器着陆过水星。

贝皮可伦坡号(BepiColombo)是人类正在进行的水星轨道探测器任务,它是由日本和欧洲联合研制的,于2018年10月份发射,没有意外的话会在2025年12月份进入水星轨道。

水星离地球最近 却最难到达:这是为啥?
贝皮可伦坡号,图源:NASA

贝皮可伦坡号飞行时间达到了7年多,这个时间几乎和人类发射的木星轨道航天器飞行时间相当,但地球距离水星的距离只是距离木星的十分之一左右。

那么,有趣的问题是,既然水星距离地球近,为什么探测器却很少,探测器的飞行时间要这么长?

到目前为止,加上我们前面提到的正在飞往的贝皮可伦坡号,人类总共向水星发射了三颗探测器。

水星离地球最近 却最难到达:这是为啥?
水手10号,图源:NASA

第一颗是1973年的水手10号,它其实仅用了 147天就抵达水星,1975年3月 24日任务结束,不过它总共只和水星碰头了三次(三次飞掠),拍摄了一些水星照片。

在水手10号之后的几十年里,就再也没有探测器和水星接触了,甚至因为它距离太阳太近了,连望远镜都很少对准它,比如哈珀太空望远镜到处拍,就是没有拍过水星。

另一方面,由于水手10号只拍摄到了45%的水星向阳的表面,所以你敢相信吗?在过去的很长时间里,人们都认为水星已经被太阳潮汐锁定了。

第二颗探测器是信使号,它是2004年8月份发射的,2011年进入水星轨道,这颗探测器也是足足飞行了7年多。

水星离地球最近 却最难到达:这是为啥?
信使号,图源:NASA

与水手号不同的是,信使号进入了水星轨道,绕着水星飞行了一年左右才任务结束。

简单地说,你只是飞跃水星的话确实不需要多少时间,但是要进入水星轨道就要很长时间。

为什么进入水星轨道要7年多?

其实,要进入水星轨道非常困难,这就是为什么都没有水星探测器的原因所在。

这种任务需要巨大的能量——据信到达水星的能量甚至比到达太阳系外层矮行星冥王星所需的能量还要多。

原因很简单,水星距离太阳太近了,同时它自身又太小了。

距离太阳太近,意味着探测器靠近水星时会被太阳巨大的引力不停加速,而水星自身质量小,意味着它没有足够引力来捕获快速飞行的探测器。

如果要让探测器进入水星轨道,就需要让它减速下来,而要让探测器减速有两种方法:

一个是携带足够燃料来反向推进,但是这个方法对进入水星轨道根本行不通,即便使用地球上最大的火箭也无法携带足够燃料来让探测器减速到足以进入水星轨道。

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不过,一些天才科学家想到了第二种方法,就是利用引力弹弓来减速探测器。

引力弹弓本质是利用天文物体的相对运动和引力来改变航天器的运行路径和速度,它可以加速,也能减速,区别就在于探测器和天文物体运动的相对方向。

简单地说,如果弹射后的速度方向与天体运动方向相同,那么就是加速,相反则是减速。

引力弹弓其实就是解决燃料不足的方案,但是它缺点就是需要更长时间,因为你需要不停飞跃其它天文天体。

水星离地球最近 却最难到达:这是为啥?
图:引力弹弓的几种情况

目前,探测器要进入水星轨道的话,必须经过数次的引力弹弓减速,从地球到金星,再到水星,需要不停进行引力弹弓减速,直到减速到足以进入水星轨道的速度。

对于贝皮可伦坡号而言(信使号的方案不同),它在地球上完成了一次飞跃,金星上两次,水星上会进行6次——现在已经飞跃并减速了2次,没有意外的话再减速4次它就会进入水星轨道了。

贝皮可伦坡号是以意大利工程师 Giuseppe·Colombo的名字命名的,他就是研究研究利用行星飞越来修正太空任务轨迹的先驱之一。

我们现在对水星的了解其实大部分都来自信使号,但是很多都只是理论,而贝皮可伦坡号任务将会对这些理论进一步寻找证据和证实,比如这次任务可能会解决水星磁场的问题(水星大小的月球,以及更大的火星都失去了磁场,但水星却有磁场还是比较奇怪的)。

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最后

其实,要登陆水星也是相当困难的,因为水星缺乏大气层,没法进行空气制动来着陆,只能通过燃料来制动。

但是携带更多燃料会让任务变得更加困难,所以至今没有水星着陆的任务。不过美国宇航局计划2035年发射水星着陆的任务——这个任务预计需要飞行10年时间。

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