有个老笑话是说，唯一比在苹果里发现一条虫子更糟糕的事情是发现半条虫子。行星科学家在 1974 年 3 月 29 日也有类似的感觉，当时“水手 10 号”探测器飞掠水星，让人类第一次好好地观察了这个微小而炽热的世界。它发现，除其他特征外，太阳系中最大的撞击盆地之一，后来被命名为卡路里盆地。然而，它的照片只捕捉到盆地的一半；另一半仍然笼罩在黑暗中。事实上，从这次访问到 1974 年和 1975 年后来的第二次和第三次飞掠期间，“水手 10 号”成像的行星表面不到一半。
直到 34 年后，我们才终于看到了整个被照亮的盆地，它比早期的图像所显示的更加令人印象深刻。2008 年 1 月 14 日，“信使号”航天器飞掠水星，它传回地球的第一张图像几乎以卡路里盆地为中心。当我们的同事南希·查博特向团队展示这张图像时，每个人都欢呼起来——但只是短暂的，因为随后我们开始热烈讨论我们究竟看到了什么。它看起来像是月球的负片图像。虽然水星布满陨石坑的表面让人联想到月球，但月球盆地有黑暗的、充满熔岩的内部，而卡路里盆地则充满了浅色的平原——我们尚未完全理解这种差异。
本月，“信使号”将完成“水手 10 号”未能完成的任务：它将进入环绕水星的轨道，深入研究这颗行星，而不是仅仅在飞掠期间捕捉到短暂的景象。水星是内行星中探索最少的行星。它的地貌和亮度变化只是它的两个谜团。“信使号”于 2004 年发射，代表“水星表面、空间环境、地球化学和测距”，旨在回答六个大问题：水星表面的成分是什么？它的地质历史是什么？如此小的行星如何拥有全球磁场？它的金属核是熔融的吗？两极的雷达明亮斑块是什么？哪些过程控制着稀薄的大气层？“信使号”应该完成“水手 10 号”未完成的一半任务。
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下降到冥府
跟随“水手 10 号”任务花了三十年的原因之一是，到达水星并在那里生存具有技术挑战性。从地球直接飞向水星的航天器会落入太阳的引力场，并加速到比水星轨道速度快近 13 公里/秒。传统的火箭发动机无法充分减速航天器，使其被行星的引力捕获到轨道上。就能量而言，水星比木星更难到达，即使木星远得多。
为了实现这一目标，“信使号”进行了一次地球飞掠、两次金星飞掠和三次水星飞掠。每次，航天器的一些动量都转移到了行星上。此程序与用于将航天器推进到外行星的引力弹弓效应相同，只是轨迹旨在减速而不是加速航天器。在六年半的时间里，一系列飞掠减少了 11 公里/秒的速度。
“信使号”的主火箭发动机完成了这项任务。该航天器像一个飞行油箱一样建造，具有围绕推进剂箱建造的最小和轻型结构。发射时，航天器总质量为 1,100 公斤，其中一半以上（600 公斤）是燃料。
到达那里只是乐趣的一半。在水星，太阳的亮度是地球的 11 倍，行星表面温度高达足以熔化锌。航天器隐藏在陶瓷纤维编织的遮阳板后面。当然，太阳能电池板必须突出遮阳板，即使电池板设计为在高温下运行，我们也必须以陡峭的角度倾斜它们，以便它们仅吸收一小部分阳光，并且不会过热。
科学仪器必须将自身暴露于表面。为了承受烘烤，相机坐在 400 克石蜡上。当航天器处于低轨道时，石蜡熔化，吸收热量；当航天器处于高海拔或在夜侧时，石蜡会重新冻结以备下次通过。
另一个挑战是水星绕其轴线的旋转速度非常慢。水星上的一天（从日出到日出）持续 176 个地球日。在为期一年的地球任务中，许多地点将在其理想的观看几何形状下仅在几个短暂的时间段内可见。
不像看起来那么死寂
在“水手 10 号”之前，一些科学家预计水星会像地球的月球一样在地质上死寂。当地球或卫星失去内部热量时，地质活动就会停止，而大小决定了这种情况发生的速度；较小的物体相对于其体积具有较大的表面积，因此冷却速度更快。由于水星仅比月球大一半，因此其地质历史应该相似。“水手号”在返回看起来是火山的广阔平原的图像时，质疑了这种智慧。但这很难说。从远处看，月球上的凯莱平原看起来也像一个不寻常的火山平原——但当“阿波罗 16 号”宇航员在那里着陆时，他们发现的只是从撞击盆地喷出的碎片。
我们从没想过“信使号”会如此迅速地解决这个问题。它已经看到了各种颜色和成分的熔岩的明确证据，以及过去像圣海伦斯山那样的火山碎屑喷发的证据。颜色变化的计算机增强（在上面的图像中）突出了这些关系。颜色鲜明的光滑物质填充了陨石坑内的低洼区域。较小的、较年轻的陨石坑从地壳中一系列深度挖掘出彩色材料。这些图像表明，水星地壳的上几公里由分层火山沉积物组成。
通过追踪具有相似地貌和颜色的地形边界，任务科学家制作了第一张新的“信使号”时代的水星地质图（在右侧）。大约 40% 的表面（包括卡路里撞击盆地的内部）由光滑的平原组成，其中许多可能是火山的（地图上的棕色阴影）。光滑平原之间的灰色区域陨石坑更多，可能更古老。与月球和火星的显着区别在于光滑平原的分布方式。月球的集中在近地侧，面向地球；火星的大部分在北半球和一个火山高原上。水星的遍布整个行星。最年轻的可能只有十亿年的历史，以月球和火星的标准来看相对较新。
科学家们继续对覆盖 15% 表面（例如托尔斯泰盆地）的相对蓝色区域感到困惑。这些区域可能包含撞击从深处挖掘出来的含铁和钛氧化物，或者它们可能是最古老的火山物质，从较年轻的浅色熔岩中伸出来。
“信使号”从轨道上拍摄的图像的分辨率将比这些飞掠图像高三倍或更多，并且在飞掠期间运行时间较短的仪器最终将开始发回其最高质量的数据。例如，伽马射线和中子光谱仪将跟进 20 世纪 90 年代从地面雷达观测中发现的发现：极地地区包含高雷达反射材料，可能是水冰。冰似乎是您最不期望在酷热行星上找到的东西，但两极附近永久阴影区域可能足够寒冷，可以捕获来自撞击彗星或富含水的小行星的任何一丝水蒸气。
磁场之谜
通过跟踪“水手 10 号”的轨迹，科学家们测量了水星的引力场，并改进了对其密度的估计。该值异常高，约为每立方厘米 5.3 克，而地球为 4.4 克，月球为 3.3 克，普通岩石为 3 克。（这些值都对重力引起的自压实进行了校正，以便我们可以比较内在材料特性。）在水星的岩石外壳下，必定有一个以铁为主的致密核。地球也有一个富含铁的核，但相对于行星的质量而言，水星的核是地球的两倍大。也许水星曾经有一个更厚的岩石层，但撞击剥离了它，或者也许水星形成的物质由于离太阳如此之近，因此富含铁。
巨大的核心肯定与“水手 10 号”最令人震惊的发现之一有关：全球磁场。该磁场主要是偶极的，就像条形磁铁一样。虽然地表磁场强度仅为地球的 1%，但水星拥有偶极磁场仍然非常引人注目。太阳系中除了地球和木星的卫星木卫三之外，没有其他固体表面天体拥有偶极磁场。
地球的磁场是由外核中循环的熔融铁产生的，这是一种“行星发电机”。水星的磁场，以及行星在围绕太阳公转过程中自转速率如何变化的细微之处，表明外核尚未完全凝固，即使水星的大小表明它应该已经凝固。水星以某种方式逃脱了火星的命运，火星在其早期历史上拥有全球磁场，但后来失去了它。弄清楚原因才是“信使号”的主要目标。
除了表明行星内部正在发生什么之外，磁场还在水星周围产生了一些狂野的等离子体物理现象。磁场偏转了太阳风，即从太阳发出的带电粒子流，并创建了一个围绕行星的体积，该体积由水星的磁场而不是太阳风携带的行星际磁场主导。“水手 10 号”探测到与地球耀眼的极光显示相关的能量粒子爆发。
“信使号”发现磁层不断变化。在第一次飞掠时，行星际磁场指向北方，因此它与行星的赤道磁场对齐。磁层处于静止状态。在“信使号”第二次访问时，行星际磁场恰好指向南方，与水星赤道处的磁场方向相反。方向相反的磁场可以通过称为磁重联的现象拼接在一起，从而释放大量能量，并将来自每个区域的等离子体注入另一个区域——在本例中，是将太阳风等离子体喷射到水星磁层中。“信使号”测量的磁重联速率是地球附近观测到的速率的 10 倍。在第三次飞掠中，观测表明行星磁场线发生了深刻的扭曲，交替完全连接到太阳风，然后在五分钟后，正常地连接在南北半球之间。在如此强大的动力学下，指南针指针在表面导航中几乎没有用处，因为它每隔几分钟就会翻转方向。水星的磁层还可能有什么能力？
慢动作频闪灯
水星没有传统意义上的厚厚的大气层，但它确实有一个外逸层：一个如此稀薄的“大气层”，以至于原子可以像台球一样在表面上弹跳，而不会相互碰撞。原子通过多种过程来自表面。阳光将它们从矿物晶体中敲出来，并蒸发钠等挥发性元素；来自太阳风的离子轰击矿物并从中喷射出原子；以及稳定的微陨石雨使表面物质汽化。涉及阳光的过程能量相对较低，它们喷射出的原子通常会落回表面。太阳风和微陨石轰击更剧烈，它们排出的原子会在空中停留更长时间。一些原子，尤其是钠原子，可以形成彗星状尾巴，因为太阳辐射将它们推离太阳和行星。
通过各种有趣的效应，外逸层在水星轨道上每两次缓慢地脉冲亮度。原因是构成外逸层的元素在某些波长下吸收阳光，然后以相同的波长将一些能量发射回。然而，这些元素也存在于太阳的外层中，在那里它们吸收刺激外逸层发射的波长。但有时所需的阳光最终会到达水星，因为行星的轨道是高度椭圆形的；当行星加速远离或朝向太阳运动时，多普勒效应会移动太阳光谱，因此更多所需波长的光线到达外逸层，并使其发出更明亮的光芒。因此，当水星最接近或最远离太阳时，外逸层几乎不可见。在其轨道上的中间点，它很明亮。
在未来一年中，“信使号”将观察外逸层经历其轨道周期。如果过去的经验可以作为指导，水星将展现出尚未想象出的新现象。