贝皮科伦坡（BepiColombo）30分钟内完成绘制水星磁场图

在 2023 年 6 月飞越水星期间，BepiColombo 航天器收集了有关水星微弱但有趣的磁场的重要数据，为它在 2026 年进入轨道后进行更详细的研究提供了预览。 图片来源：欧空局，致谢： 工作由 ATG 根据与欧空局的合同完成。 基于 Hadid 等人（2024 年）的研究成果。

和地球一样，水星也有一个磁场，不过它在行星表面的磁场要弱一百倍。 尽管磁场很弱，但它还是在太空中形成了一个保护气泡，即磁层，使水星免受太阳发射的无情粒子（即太阳风）的侵袭。 水星靠近太阳加剧了这些相互作用，对磁层和行星表面的影响比地球更大。 了解这个磁泡的动态及其所含粒子的特性是贝皮科伦坡任务的首要目标。

贝皮科伦坡号飞越水星的艺术印象。 在 2025 年进入环绕太阳系最内层行星的轨道之前，该航天器将进行九次重力辅助机动（一次环绕地球，两次环绕金星，六次环绕水星）。 图片来源：ESA/ATG medialab

BepiColombo号将于2026年抵达水星，届时将飞越地球、金星和水星，以调整其速度和轨道，使其能够进入环绕水星的轨道。 目前的"堆叠"航天器将分离和部署两个科学轨道器--欧空局领导的水星行星轨道器（MPO）和日本宇宙航空研究开发机构领导的水星磁层轨道器（MMO，或 Mio）--进入互补轨道，以便进行必要的双航天器测量，从而完整地描绘水星的动态环境。

在飞越过程中，当航天器飞速掠过水星时，它的许多科学仪器都能偷偷地预览一下即将进行的激动人心的科学研究。 此外，飞越还能让我们对水星周围无法从轨道上直接进入的区域有独特的了解。

这个简单的动画展示了欧空局/日本宇宙航空研究开发机构的贝皮科伦坡（BepiColombo）航天器在 2023 年 6 月 19 日第三次飞越水星时穿过水星磁层的轨迹。

航天器在磁层中只停留了大约 30 分钟，但在这短短的时间里，它收集到了大量有关磁场、粒子和等离子体环境的信息。

丽娜-哈迪德（Lina Hadid）是前欧空局研究员，现就职于巴黎天文台等离子体物理实验室，她利用2023年6月19日飞越水星期间在水星上使用的水星等离子体粒子实验（MPPE）仪器套件，在极短的时间内建立了一幅令人印象深刻的水星磁场图景。

她介绍说："飞越的速度很快；我们在大约30分钟内穿越了水星的磁层，从黄昏移动到黎明，最近距离仅距行星表面235公里。我们对粒子的类型、它们的热度以及移动方式进行了采样，使我们能够清晰地描绘出这段短暂时间内的磁场景观。"

Lina 和她的同事将 BepiColombo 的测量结果与计算机建模相结合，根据粒子的运动来确定探测到的粒子的来源，从而勾勒出磁层中遇到的各种特征。

"我们看到了预期的结构，比如自由流动的太阳风和磁层之间的'冲击'边界，我们还穿过了等离子体片两侧的'角'，这是一个温度较高、密度较大的带电气体区域，像一条尾巴一样向远离太阳的方向流出。 但我们也有一些意外收获。"

Lina是MPPE的首席联合研究员，也是其中一台仪器--质谱分析仪--的负责人。 她与前仪器负责人Dominique Delcourt合作撰写了《通信物理学》论文，介绍了相关成果。

2023年6月19日，欧空局/日本宇宙航空研究开发机构的BepiColombo航天器在六次飞越水星中第三次飞越水星磁层。 利用日本宇宙航空研究开发机构领导的水星磁层轨道器的质谱分析仪（MSA）、水星离子分析仪（MIA）和水星电子分析仪（MEA）收集到的数据，并将这些测量数据与计算机模型相结合，根据检测到的离子的运动来确定其来源，揭示了航天器轨迹上遇到的各种特征。 BepiColombo 的轨迹如图中的黄线所示，沿途遇到的各种特征也相应标注出来。 图片来源：欧空局

他说："我们探测到了一个所谓的低纬度边界层，它是由磁层边缘的湍流等离子体区域定义的，在这里我们观测到的粒子能量范围比我们以前在水星上看到的要宽得多，这在很大程度上要归功于专门为水星复杂环境设计的质谱分析仪的灵敏度。BepiColombo将能够比以往任何时候都更详细地确定水星磁层的离子成分。"

Lina补充说："我们还在赤道面附近和低纬度地区观测到了被困在磁层中的高能热离子，我们认为解释这种情况的唯一方法就是环流，无论是部分环流还是完整的环流，但这是一个备受争议的领域。"

环流是被困在磁层中的带电粒子所携带的电流。 地球上有一个广为人知的环流，它位于距离地球表面数万公里的地方。 而在水星上，粒子如何被困在距行星几百公里的范围内就不太清楚了，尤其是当磁层被挤压在行星表面时。 一旦 MPO 和 Mio 开始全时收集数据，这一争论可能就会尘埃落定。

当我们看到贝皮科伦坡拍摄的水星图像时，会觉得这颗行星周围的空间似乎是空的。

水星有一个与来自太阳的粒子（"太阳风"）相互作用的磁场。 这就形成了水星的磁层--一个形似风帆的空间气泡，从太阳延伸出去。这个模拟输出显示了水星磁环境在典型太阳风条件下的预期情况。 左图显示的是"侧视图"，太阳在左侧框外；右图显示的是"正视图"，就像我们从太阳的方向看水星一样。颜色表示水星周围带电粒子的密度，密度最高的为黄色，密度最低的为紫色/黑色。 白色线条是磁场线。 (未受干扰的太阳风呈现深橙色。 当太阳风遇到水星磁场时，它被加热并发生偏转，形成了一个太阳风粒子密集区（黄色显示）。

Lina和她的同事还观测到了航天器与周围空间等离子体的直接相互作用。 当航天器被太阳加热时，它无法探测到较冷的重离子，因为航天器本身会带电并排斥它们。 但是，当航天器穿过行星的夜幕阴影时，带电情况就不同了，突然间，冷等离子体离子的海洋变得清晰可见。 例如，它检测到了氧、钠和钾离子，这些离子很可能是由微陨石撞击或与太阳风相互作用从行星表面飞来的。

Dominique说："这就像我们突然通过行星非常稀薄的大气层（即外大气层）看到了表面成分的三维'爆炸'。开始看到行星表面与等离子体环境之间的联系真的令人兴奋。"

Go Murakami JAXA的BepiColombo项目科学家说："在这次罕见的从黄昏到黎明对水星磁层大尺度结构的扫描中，我们尝到了未来发现的希望。"

欧空局 BepiColombo 项目科学家杰兰特-琼斯（Geraint Jones）补充说："这些观测结果强调了两个轨道器及其互补仪器的必要性，它们将告诉我们一个完整的故事，并建立起一幅关于磁场和等离子体环境如何随时间和空间变化的完整图景。我们迫不及待地想看到BepiColombo将如何影响我们对行星磁层更广泛的了解。"

与此同时，科学家们已经开始挖掘上个月第四次近距离飞越水星时获得的数据，而飞行控制人员正在为分别定于2024年12月1日和2025年1月8日进行的最后两次背靠背飞越做准备。

编译自/SciTechDaily