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FTIR将帮助科学家探索水星
比皮科伦坡号的探险之旅
2018年10月19日凌晨，“比皮科伦坡号”由阿丽亚娜5型火箭从法属圭亚那库鲁航天中心发射升空，开始了为期7年的水星探险。“比皮科伦坡号”由欧洲航天局（ESA）和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）共同研制，为纪念意大利科学家Giuseppe ‘Bepi’ Colombo而命名。Giuseppe ‘Bepi’ Colombo投身水星研究，首次提出了行星间重力辅助变轨技术。
为何水星如此令人着迷？
水星是太阳系中人们探索最少的内行星，由于公转速度快，靠近太阳，使得航天器难以变轨，水星探索面临重重挑战。迄今为止，只有“水手10号”和“信使号”探测器对水星进行了近距离观测。“水手10号”探测器是NASA在1975年发射的低成本探测器，它惊人地探测到水星拥有与地球类似的磁场，并提供了图像，显示水星表面散布了大量陨石坑。“信使号”探测器在2011年至2015年环绕水星飞行期间，对水星的地质学、磁场和化学构成进行了大量研究，发现水星两极存在水冰，并且曾经发生过火山活动[1]。
“比皮科伦坡号”探测器由水星行星轨道器（MPO）和水星磁层轨道器（Mio）组成，主要任务是解决之前的水星探测器未能解答的问题。该探测器将收集更多信息，来解开水星的谜团，其中包括水星的磁场、表面组成及其两极是否存在水冰[2]。
红外光谱技术在太空领域的应用
Infrared spectroscopy in Space
MERTIS仪器，图源：德国航空航天中心（DLR）
傅立叶变换红外光谱（FTIR）技术在太空探索领域得到了广泛的应用，“罗塞塔号”上的VIRITS和“黎明号”上的VIR等光谱仪就是有力的证明。在“比皮科伦坡号”中，MERTIS（水星辐射计和热红外光谱仪）仪器将热红外成像光谱仪与辐射计整合在了一起，探索热红外范围（7 – 14 μm）内水星表面的光谱特征[2]。
水星没有大气层，直面太阳风和宇宙辐射，这可能会影响到水星表面物质的化学性质。这种暴露会形成独特的矿物质和化合物，从而产生奇异的化学成分，使人们难以分析来自水星表面的数据。
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等待数据中……
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“比皮科伦坡号”预计将于2025年抵达水星，2026年开始取得初始光谱数据。在此之前，世界各地的研究实验室已经根据已知水星表面状况在积极开展水星模拟实验。科学家希望通过这种主动模拟的测试，收集有价值的信息，创建必要的数据库，为准确分析即将到来的数据做好充分的准备[3]。
在佛罗伦萨，意大利国立天体物理研究所的研究人员利用中红外（MIR）光谱技术，将火山喷出物（具体而言就是硅酸盐玻璃）作为水星表面的模拟物，进行了分析。研究团队利用布鲁克VERTEX 70v FTIR和Harrick Praying Mantis™漫反射（DRIFTS）附件相结合的测试方法。该方法采用双锥离轴几何结构，确保高效的数据采集和精确的反射特性测定，测量与主平面成90°处的漫反射信息[4]。
在德国航空航天中心（DLR）行星研究所，他们创建了一个专门的实验装置，用于研究水星模拟物在水星的温度压力条件下的辐射率光谱。他们建造了一个外部实验室，用于在320K-900K的温度范围内测量固体样品的辐射率 [5]。
在明斯特的IRIS实验室，他们使用配备了可变角反射附件A513的VERTEX 70v傅里叶真空红外光谱仪，研究水星的橄榄石模拟物。并在不同相位角下，测量了这些样品的红外反射率，来模拟不同的几何轨道[6]。
布鲁克（Hyperion）傅里叶红外成像显微镜与布鲁克VERTEX 80v真空红外光谱仪联用，分析来自德国黑森州北部布吕尔采石场的玄武岩样品。这项研究的重点是：比较在还原条件下形成的岩石样品与氧化条件下形成的岩石样品结构差异。这项研究为水星火山活动期间形成的矿物质提供深入的信息[7]。
底部：VERTEX 70v和80v真空红外光谱仪；
左上：A513可变角反射附件；
中上：DLR的辐射率研究室（经Maturilli博士许可）；
右上：Hyperion成像显微镜。
随着“比皮科伦坡号”向水星进发，全球科学家都在祈祷任务取得成功，期盼解开这个神秘内行星的谜团。
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参考文献：
[1] NASA – Mercury Exploration. (https://science.nasa.gov/mercury/exploration/)
[2] BepiColombo – MERTIS. (https://www.cosmos.esa.int/web/bepicolombo/mertis)
[3] Advances in Space Research, 40(2007), 272–279.
[4] Minerals, 13(2), 170; https://doi.org/10.3390/min13020170.
[5] Emissivity Spectra of Mercury Analogues under Mercury Pressure and Temperature Conditions. A. Maturilli, EPSC Abstracts Vol. 11, EPSC2017-610, 2017 European Planetary Science Congress 2017.
[6] DATA PROCESSING FOR SPACE MISSIONS: MID-FTIR REFLECTANCE MEASUREMENTS OF MINERAL MIXTURES. I. Weber et al. 51st Lunar and Planetary Science Conference (2020).
[7] Earth and Space Science, 10, e2023EA002903. https://doi.org/10.1029/2023EA002903
