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为什么水星是最难去的行星?

2023-11-26 10:42

为什么水星是最难去的行星?为什么水星是最难去的行星?作者 / 北落师门鲜有人知的是,水星其实是除天王星和海王星以外最难抵达的大行星,甚至比到木星和土星还要难。木星和土星虽远,但可以借助地球引力弹弓加速或减 ...

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为什么水星是最难去的行星?

为什么水星是最难去的行星?

作者 / 北落师门

鲜有人知的是,水星其实是除天王星和海王星以外最难抵达的大行星,甚至比到木星和土星还要难。

木星和土星虽远,但可以借助地球引力弹弓加速或减速。这两颗气态巨行星的引力又很强,轻而易举就能俘获速度早已停下来的探测器。

但水星完全不同。最大的难关不是热,而是引力势阱(虽然高温也是个大难题,水星反射的巨额太阳能也会烧坏探测器)。

你以为的去水星,是这个样子:

但实操上,是这个样子:

太阳的巨大质量形成了深邃的引力势阱,从地球到太阳附近的路径相当于是在剧烈的下坡滑落!越靠近太阳,引力越大,探测器就越加速。想让探测器减速,就要消耗大量的能源,而以人类目前的技术无法让探测器带那么多能源上天。以探测器那点电能,想和太阳引力做对抗,无异于小木块在激流中想逆流而行。

这就好比,你的小车在一段非常陡峭的山坡上剧烈下滑。你想刹车,却发现油远远不够。但你的目的地不是到谷底,是要停到山坡上一个小土坑。但这个小土坑太小了,小到你只能快速地掠过它,实在来不及停留在这个小土坑上(引力上的“下坡”,不是空间上的。水星和地球的轨道几乎和黄道面齐平)。

水星的质量只有地球的 5.53%,只比月球强 4.5 倍。但因为离太阳太近,导致它的希尔球被压缩得更小。如此微弱的引力根本不可能一次就抓住探测器(所以它无法俘获卫星)。

可以注意到最左边,水星在太阳的引力势阱下只是“悬崖”边一处小小的凹陷地

(此图来自 @凌晨晓骥大佬,由 xkcd 绘制)

所以上世纪六十年代的“水手号”探测器几次掠过水星,却无法环绕水星。再加上水星的自转太慢,它换一面面向太阳需要 58 天,这导致“水手号”只能扫描到水星 40%的地表(向阳面)。因此我们对水星的了解相当匮乏,甚至不及木星。当时的人甚至还以为水星已经被太阳潮汐锁定了(实际上没有,只是公转和自转 3:2 的锁定)。

直到 1985 年,有位华人女物理学家解决了这个问题,她的名字是颜刘贞婉(Chen-Wan L. Yen) ,美国华裔,来自中国台湾。她就读于著名的女子学校“台北州立第一高等女学校,本科是台大物理系。大学毕业后在麻省理工大学攻读物理学博士。颜刘毕业后进入 NASA 喷气推进实验室(JPL)担任轨道动力学专家。

颜刘通过建立数学模型得出结论,有一种方法不需要携带那么多的能源也能抵达水星,但代价是要花费七年的时间,飞行 79 亿公里,绕太阳公转 15 次。

具体操作是:NASA 探测器从地球出发后,先绕地球公转轨道一周,追上地球后再次借助地球的引力弹弓前往金星。掠过金星后第一次借助引力弹弓,绕金星轨道一周后,第二次借助金星引力弹弓到水星。然后在水星轨道上掠过水星四次,第四次就能被水星俘获了。

这个流程听着就很复杂,紧凑,一步都不能差,持续时间也很长。本质上就是利用地球和金星的引力,和它俩的大气层摩擦给探测器减速刹车。减速到第四次掠过时,水星引力就能抓住“信使号”了。

此外,可以利用太阳风减速。太阳的高能粒子流其实不多,但只要把遮阳盾对准太阳的一面,不仅可以遮阳,更重要的是,太阳喷出的粒子积少成多,就会对探测器有起到显著的推动作用。这就好比郑和下西洋时,无论是顺风还是逆风,帆船都可以通过改变船帆的迎风面将风力转为动力。逆风时,帆船也可以沿着“之”字型路线前进。

在这位学术天才的数学设定下,“信使号”终于在 2011 年 3 月被水星引力“抓住”。它拍摄了水星全貌,并传输了大量精准的水星物理参数和地表情况。今天我们对水星的绝大部分认知,包括磁场、内核、地质活动,都来源于“信使号”。

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