貝皮科倫坡（BepiColombo）最近飛越水星，捕捉了有關其磁場和周圍空間等離子體的寶貴數據，暗示了複雜的磁層特徵以及行星表面與其稀薄大氣層之間的相互作用。這些初步發現為2026年太空船進入水星軌道後進行更全面的研究奠定了基礎。

在2023 年6 月飛越水星期間，BepiColombo 太空船收集了有關水星微弱但有趣的磁場的重要數據，為它在2026 年進入軌道後進行更詳細的研究提供了預覽。 圖片來源：歐空局，致謝： 工作由ATG 根據與歐空局的合約完成。 基於Hadid 等人（2024 年）的研究成果。

和地球一樣，水星也有一個磁場，不過它在行星表面的磁場弱一百倍。 儘管磁場很弱，但它還是在太空中形成了一個保護氣泡，即磁層，使水星免受太陽發射的無情粒子（即太陽風）的侵襲。 水星靠近太陽加劇了這些相互作用，對磁層和行星表面的影響比地球更大。 了解這個磁泡的動態及其所含粒子的特性是貝皮科倫坡任務的首要目標。

貝皮科倫坡號飛越水星的藝術印象。 在2025 年進入環繞太陽系最內層行星的軌道之前，太空船將進行九次重力輔助機動（一次環繞地球，兩次環繞金星，六次環繞水星）。 圖片來源：ESA/ATG medialab

BepiColombo號將於2026年抵達水星，屆時將飛越地球、金星和水星，以調整其速度和軌道，使其能夠進入環繞水星的軌道。 目前的”堆疊”太空船將分離和部署兩個科學軌道器–歐空局領導的水星行星軌道器（MPO）和日本宇宙航空研究開發機構領導的水星磁層軌道器（MMO，或Mio） –進入互補軌道，以便進行必要的雙太空船測量，從而完整地描繪水星的動態環境。

在飛越過程中，當太空船飛速掠過水星時，它的許多科學儀器都能偷偷地預覽即將進行的令人興奮的科學研究。 此外，飛越還能讓我們對水星周圍無法直接從軌道上進入的區域有獨特的了解。

這個簡單的動畫展示了歐空局/日本宇宙航空研究開發機構的貝皮科倫坡（BepiColombo）航天器在2023 年6 月19 日第三次飛越水星時穿過水星磁層的軌跡。

太空船在磁層中只停留了大約30 分鐘，但在這短短的時間裡，它收集了大量有關磁場、粒子和等離子體環境的資訊。

麗娜-哈迪德（Lina Hadid）是前歐空局研究員，現任職於巴黎天文台等離子體物理實驗室，她利用2023年6月19日飛越水星期間在水星上使用的水星等離子體粒子實驗（ MPPE）儀器套件，在極短的時間內建立了一幅令人印象深刻的水星磁場圖景。

她介紹說：”飛越的速度很快；我們在大約30分鐘內穿越了水星的磁層，從黃昏移動到黎明，最近距離僅距行星表面235公里。我們對粒子的類型、它們的熱度以及移動方式進行了採樣，使我們能夠清晰地描繪出這段短暫時間內的磁場景觀。

Lina 和她的同事將BepiColombo 的測量結果與電腦建模相結合，根據粒子的運動來確定探測到的粒子的來源，從而勾勒出磁層中遇到的各種特徵。

“我們看到了預期的結構，例如自由流動的太陽風和磁層之間的’衝擊’邊界，我們也穿過了等離子體片兩側的’角’，這是一個溫度較高、密度較大的帶電氣體區域，像一條尾巴一樣向遠離太陽的方向流出。

Lina是MPPE的首席共同研究員，也是其中一台儀器–質譜分析儀–的負責人。 她與前儀器負責人Dominique Delcourt合作撰寫了《通訊物理學》論文，介紹了相關成果。

2023年6月19日，歐空局/日本宇宙航空研究開發機構的BepiColombo太空船在六次飛越水星中第三次飛越水星磁層。 利用日本宇宙航空研究開發機構領導的水星磁層軌道器的質譜分析儀（MSA）、水星離子分析儀（MIA）和水星電子分析儀（MEA）收集到的數據，並將這些測量數據與電腦模型相結合，根據檢測到的離子的運動來確定其來源，揭示了在航天器軌跡上遇到的各種特徵。 BepiColombo 的軌跡如圖中的黃線所示，沿途遇到的各種特徵也隨之標示出來。 圖片來源：歐空局

他說：”我們探測到了一個所謂的低緯度邊界層，它是由磁層邊緣的湍流等離子體區域定義的，在這裡我們觀測到的粒子能量範圍比我們以前在水星上看到的要寬得多，這在很大程度上要歸功於專門為水星複雜環境設計的質譜分析儀的靈敏度。

Lina補充說：”我們還在赤道面附近和低緯度地區觀測到了被困在磁層中的高能熱離子，我們認為解釋這種情況的唯一方法是環流，無論是部分環流還是完整的環流，但這是一個備受爭議的領域。

環流是被困在磁層中的帶電粒子所攜帶的電流。 地球上有一個廣為人知的環流，它位於距離地球表面數萬公里的地方。 而在水星上，粒子如何被困在距離行星幾百公里的範圍內就不太清楚了，尤其是當磁層被擠壓在行星表面時。 一旦MPO 和Mio 開始全時收集數據，這場爭論可能就會塵埃落定。

當我們看到貝皮科倫坡拍攝的水星影像時，會覺得這顆行星周圍的空間似乎是空的。

水星有一個與來自太陽的粒子（”太陽風”）相互作用的磁場。 這就形成了水星的磁層–一個形狀像風帆的空間氣泡，從太陽延伸出去。這個類比輸出顯示了水星磁環境在典型太陽風條件下的預期情況。 左圖顯示的是”側視圖”，太陽在左側框外；右圖顯示的是”正視圖”，就像我們從太陽的方向看水星一樣。顏色表示水星周圍帶電粒子的密度，密度最高的為黃色，密度最低的為紫色/黑色。 白色線條是磁場線。 (未受干擾的太陽風呈現深橙色。當太陽風遇到水星磁場時，它被加熱並發生偏轉，形成了一個太陽風粒子密集區（黃色顯示）。

Lina和她的同事也觀測到了太空船與周圍空間等離子體的直接相互作用。 當太空船被太陽加熱時，它無法探測到較冷的重離子，因為太空船本身會帶電並排斥它們。 但是，當太空船穿過行星的夜幕陰影時，帶電情況就不同了，突然間，冷等離子體離子的海洋變得清晰可見。 例如，它檢測到了氧、鈉和鉀離子，這些離子很可能是由微隕石撞擊或與太陽風相互作用從行星表面飛來的。

Dominique說：”這就像我們突然透過行星非常稀薄的大氣層（即外大氣層）看到了表面成分的三維’爆炸’。開始看到行星表面與等離子體環境之間的聯繫真的令人興奮。”

Go Murakami JAXA的BepiColombo計畫科學家說：”在這次罕見的從黃昏到黎明對水星磁層大尺度結構的掃描中，我們嚐到了未來發現的希望。”

歐空局BepiColombo 計畫科學家傑蘭特-瓊斯（Geraint Jones）補充說：「這些觀測結果強調了兩個軌道器及其互補儀器的必要性，它們將告訴我們一個完整的故事，並建立起一幅關於磁場和等離子體環境如何隨時間和空間變化的完整圖像。

同時，科學家們已經開始挖掘上個月第四次近距離飛越水星時獲得的數據，而飛行控制人員正在為分別定於2024年12月1日和2025年1月8日進行的最後兩次背靠背飛越做準備。

編譯自/ SciTechDaily