有個老笑話是說，唯一比在蘋果裡發現一條蟲子更糟糕的事情是發現半條蟲子。行星科學家在 1974 年 3 月 29 日也有類似的感覺，當時“水手 10 號”探測器飛掠水星，讓人類第一次好好地觀察了這個微小而熾熱的世界。它發現，除其他特徵外，太陽系中最大的撞擊盆地之一，後來被命名為卡路里盆地。然而，它的照片只捕捉到盆地的一半；另一半仍然籠罩在黑暗中。事實上，從這次訪問到 1974 年和 1975 年後來的第二次和第三次飛掠期間，“水手 10 號”成像的行星表面不到一半。
直到 34 年後，我們才終於看到了整個被照亮的盆地，它比早期的影像所顯示的更加令人印象深刻。2008 年 1 月 14 日，“信使號”航天器飛掠水星，它傳回地球的第一張影像幾乎以卡路里盆地為中心。當我們的同事南希·查博特向團隊展示這張影像時，每個人都歡呼起來——但只是短暫的，因為隨後我們開始熱烈討論我們究竟看到了什麼。它看起來像是月球的負片影像。雖然水星佈滿隕石坑的表面讓人聯想到月球，但月球盆地有黑暗的、充滿熔岩的內部，而卡路里盆地則充滿了淺色的平原——我們尚未完全理解這種差異。
本月，“信使號”將完成“水手 10 號”未能完成的任務：它將進入環繞水星的軌道，深入研究這顆行星，而不是僅僅在飛掠期間捕捉到短暫的景象。水星是內行星中探索最少的行星。它的地貌和亮度變化只是它的兩個謎團。“信使號”於 2004 年發射，代表“水星表面、空間環境、地球化學和測距”，旨在回答六個大問題：水星表面的成分是什麼？它的地質歷史是什麼？如此小的行星如何擁有全球磁場？它的金屬核是熔融的嗎？兩極的雷達明亮斑塊是什麼？哪些過程控制著稀薄的大氣層？“信使號”應該完成“水手 10 號”未完成的一半任務。
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下降到冥府
跟隨“水手 10 號”任務花了三十年的原因之一是，到達水星並在那裡生存具有技術挑戰性。從地球直接飛向水星的航天器會落入太陽的引力場，並加速到比水星軌道速度快近 13 公里/秒。傳統的火箭發動機無法充分減速航天器，使其被行星的引力捕獲到軌道上。就能量而言，水星比木星更難到達，即使木星遠得多。
為了實現這一目標，“信使號”進行了一次地球飛掠、兩次金星飛掠和三次水星飛掠。每次，航天器的一些動量都轉移到了行星上。此程式與用於將航天器推進到外行星的引力彈弓效應相同，只是軌跡旨在減速而不是加速航天器。在六年半的時間裡，一系列飛掠減少了 11 公里/秒的速度。
“信使號”的主火箭發動機完成了這項任務。該航天器像一個飛行油箱一樣建造，具有圍繞推進劑箱建造的最小和輕型結構。發射時，航天器總質量為 1,100 公斤，其中一半以上（600 公斤）是燃料。
到達那裡只是樂趣的一半。在水星，太陽的亮度是地球的 11 倍，行星表面溫度高達足以熔化鋅。航天器隱藏在陶瓷纖維編織的遮陽板後面。當然，太陽能電池板必須突出遮陽板，即使電池板設計為在高溫下執行，我們也必須以陡峭的角度傾斜它們，以便它們僅吸收一小部分陽光，並且不會過熱。
科學儀器必須將自身暴露於表面。為了承受烘烤，相機坐在 400 克石蠟上。當航天器處於低軌道時，石蠟熔化，吸收熱量；當航天器處於高海拔或在夜側時，石蠟會重新凍結以備下次透過。
另一個挑戰是水星繞其軸線的旋轉速度非常慢。水星上的一天（從日出到日出）持續 176 個地球日。在為期一年的地球任務中，許多地點將在其理想的觀看幾何形狀下僅在幾個短暫的時間段內可見。
不像看起來那麼死寂
在“水手 10 號”之前，一些科學家預計水星會像地球的月球一樣在地質上死寂。當地球或衛星失去內部熱量時，地質活動就會停止，而大小決定了這種情況發生的速度；較小的物體相對於其體積具有較大的表面積，因此冷卻速度更快。由於水星僅比月球大一半，因此其地質歷史應該相似。“水手號”在返回看起來是火山的廣闊平原的影像時，質疑了這種智慧。但這很難說。從遠處看，月球上的凱萊平原看起來也像一個不尋常的火山平原——但當“阿波羅 16 號”宇航員在那裡著陸時，他們發現的只是從撞擊盆地噴出的碎片。
我們從沒想過“信使號”會如此迅速地解決這個問題。它已經看到了各種顏色和成分的熔岩的明確證據，以及過去像聖海倫斯山那樣的火山碎屑噴發的證據。顏色變化的計算機增強（在上面的影像中）突出了這些關係。顏色鮮明的光滑物質填充了隕石坑內的低窪區域。較小的、較年輕的隕石坑從地殼中一系列深度挖掘出彩色材料。這些影像表明，水星地殼的上幾公里由分層火山沉積物組成。
透過追蹤具有相似地貌和顏色的地形邊界，任務科學家制作了第一張新的“信使號”時代的水星地質圖（在右側）。大約 40% 的表面（包括卡路里撞擊盆地的內部）由光滑的平原組成，其中許多可能是火山的（地圖上的棕色陰影）。光滑平原之間的灰色區域隕石坑更多，可能更古老。與月球和火星的顯著區別在於光滑平原的分佈方式。月球的集中在近地側，面向地球；火星的大部分在北半球和一個火山高原上。水星的遍佈整個行星。最年輕的可能只有十億年的歷史，以月球和火星的標準來看相對較新。
科學家們繼續對覆蓋 15% 表面（例如托爾斯泰盆地）的相對藍色區域感到困惑。這些區域可能包含撞擊從深處挖掘出來的含鐵和鈦氧化物，或者它們可能是最古老的火山物質，從較年輕的淺色熔岩中伸出來。
“信使號”從軌道上拍攝的影像的解析度將比這些飛掠影像高三倍或更多，並且在飛掠期間執行時間較短的儀器最終將開始發回其最高質量的資料。例如，伽馬射線和中子光譜儀將跟進 20 世紀 90 年代從地面雷達觀測中發現的發現：極地地區包含高雷達反射材料，可能是水冰。冰似乎是您最不期望在酷熱行星上找到的東西，但兩極附近永久陰影區域可能足夠寒冷，可以捕獲來自撞擊彗星或富含水的小行星的任何一絲水蒸氣。
磁場之謎
透過跟蹤“水手 10 號”的軌跡，科學家們測量了水星的引力場，並改進了對其密度的估計。該值異常高，約為每立方厘米 5.3 克，而地球為 4.4 克，月球為 3.3 克，普通岩石為 3 克。（這些值都對重力引起的自壓實進行了校正，以便我們可以比較內在材料特性。）在水星的岩石外殼下，必定有一個以鐵為主的緻密核。地球也有一個富含鐵的核，但相對於行星的質量而言，水星的核是地球的兩倍大。也許水星曾經有一個更厚的岩石層，但撞擊剝離了它，或者也許水星形成的物質由於離太陽如此之近，因此富含鐵。
巨大的核心肯定與“水手 10 號”最令人震驚的發現之一有關：全球磁場。該磁場主要是偶極的，就像條形磁鐵一樣。雖然地表磁場強度僅為地球的 1%，但水星擁有偶極磁場仍然非常引人注目。太陽系中除了地球和木星的衛星木衛三之外，沒有其他固體表面天體擁有偶極磁場。
地球的磁場是由外核中迴圈的熔融鐵產生的，這是一種“行星發電機”。水星的磁場，以及行星在圍繞太陽公轉過程中自轉速率如何變化的細微之處，表明外核尚未完全凝固，即使水星的大小表明它應該已經凝固。水星以某種方式逃脫了火星的命運，火星在其早期歷史上擁有全球磁場，但後來失去了它。弄清楚原因才是“信使號”的主要目標。
除了表明行星內部正在發生什麼之外，磁場還在水星周圍產生了一些狂野的等離子體物理現象。磁場偏轉了太陽風，即從太陽發出的帶電粒子流，並建立了一個圍繞行星的體積，該體積由水星的磁場而不是太陽風攜帶的行星際磁場主導。“水手 10 號”探測到與地球耀眼的極光顯示相關的能量粒子爆發。
“信使號”發現磁層不斷變化。在第一次飛掠時，行星際磁場指向北方，因此它與行星的赤道磁場對齊。磁層處於靜止狀態。在“信使號”第二次訪問時，行星際磁場恰好指向南方，與水星赤道處的磁場方向相反。方向相反的磁場可以透過稱為磁重聯的現象拼接在一起，從而釋放大量能量，並將來自每個區域的等離子體注入另一個區域——在本例中，是將太陽風等離子體噴射到水星磁層中。“信使號”測量的磁重聯速率是地球附近觀測到的速率的 10 倍。在第三次飛掠中，觀測表明行星磁場線發生了深刻的扭曲，交替完全連線到太陽風，然後在五分鐘後，正常地連線在南北半球之間。在如此強大的動力學下，指南針指標在表面導航中幾乎沒有用處，因為它每隔幾分鐘就會翻轉方向。水星的磁層還可能有什麼能力？
慢動作頻閃燈
水星沒有傳統意義上的厚厚的大氣層，但它確實有一個外逸層：一個如此稀薄的“大氣層”，以至於原子可以像檯球一樣在表面上彈跳，而不會相互碰撞。原子透過多種過程來自表面。陽光將它們從礦物晶體中敲出來，並蒸發鈉等揮發性元素；來自太陽風的離子轟擊礦物並從中噴射出原子；以及穩定的微隕石雨使表面物質汽化。涉及陽光的過程能量相對較低，它們噴射出的原子通常會落回表面。太陽風和微隕石轟擊更劇烈，它們排出的原子會在空中停留更長時間。一些原子，尤其是鈉原子，可以形成彗星狀尾巴，因為太陽輻射將它們推離太陽和行星。
透過各種有趣的效應，外逸層在水星軌道上每兩次緩慢地脈衝亮度。原因是構成外逸層的元素在某些波長下吸收陽光，然後以相同的波長將一些能量發射回。然而，這些元素也存在於太陽的外層中，在那裡它們吸收刺激外逸層發射的波長。但有時所需的陽光最終會到達水星，因為行星的軌道是高度橢圓形的；當行星加速遠離或朝向太陽運動時，多普勒效應會移動太陽光譜，因此更多所需波長的光線到達外逸層，並使其發出更明亮的光芒。因此，當水星最接近或最遠離太陽時，外逸層幾乎不可見。在其軌道上的中間點，它很明亮。
在未來一年中，“信使號”將觀察外逸層經歷其軌道週期。如果過去的經驗可以作為指導，水星將展現出尚未想象出的新現象。