Mercury Y——一种用于交叉验证和确定BepiColombo仪器协同作用的盲样

《Planetary and Space Science》：Mercury Y – A Blind Sample to Cross-Validate and Determine Synergies of BepiColombo Instruments

　　•BepiColombo 的仪器对 Mercury Y 模拟物进行了精确的表征。•协调的多仪器分析提高了对模拟物成分的解释能力。•Mercury Y 使得 BepiColombo 表面仪器流程的端到端验证成为可能。

引言
BepiColombo 任务（Benkhoff 等人，2020 年）于 2018 年 10 月发射，将为我们提供关键信息，以增进我们对距离太阳最近的行星水星的理解。从 2027 年 3 月开始进入轨道运行后，BepiColombo 将对这颗行星及其环境进行精确而广泛的观测。作为最靠近恒星的行星，水星为我们研究类地行星及其所在的太阳系提供了最佳机会。BepiColombo 是欧洲航天局（ESA）和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）联合开展的任务，包括两个航天器——水星行星轨道器（MPO）和水星磁层轨道器（MMO 或 Mio）。MPO 由 ESA 领导，配备了 11 种仪器，其主要任务是详细研究水星的表面特性、内部结构及其周围环境。MPO 的仪器将提供有关水星表面地质和地球化学历史及其与太阳风相互作用的信息。MMO（Mio）由 JAXA 领导，配备了五种用于研究水星磁层和周围外层空间的仪器，以及它们与太阳风和水星本身的动态相互作用。因此，这两个轨道器都配备了最先进的科学仪器，以揭示水星的形成和演化过程，从而也能帮助我们更好地理解类地行星的形成和演化。

MPO 的遥感仪器代表了我们在确定水星表面化学和矿物组成、热物理性质、地形及其与外层空间交换能力方面的重大进展，补充了 NASA 的 MESSENGER 任务（2011–2015 年；例如，Solomon 等人，2007 年）所取得的成功成果。MPO 的仪器将为我们提供关于初始分化、后期火山活动以及塑造水星地壳的撞击过程的重要见解（Rothery 等人，2020 年），这对于增进我们对行星随时间形成和演化的认识至关重要。在整个任务载荷中，对于研究表面性质最为相关的实验包括：
- **水星成像X射线光谱仪（MIXS，Bunce 等人，2020 年）**。MIXS 通过 X 射线荧光光谱法确定水星表面的元素组成。该 X 射线仪器由两部分组成：MIXS-C（一种准直器，能够以约 80–250 公里的空间分辨率高效收集 X 射线）和 MIXS-T（一种低质量成像望远镜，用于在高太阳活动期间进行高精度表面测绘，分辨率小于 10 公里）。MIXS 将提供专注于关键造岩元素的全球丰度图，包括 Na、Mg、Al、Si、S、K、Ca、Ti 和 Fe，准确度根据浓度不同而介于 5–50% 之间。如果浓度足够高且太阳活动允许，MIXS 也可能对 O、Cl、Mn 和 Cr 等元素敏感。
- **水星辐射计和热成像光谱仪（MERTIS，Hiesinger 等人，2020 年）**。MERTIS 由两个仪器组成：一台推扫式 IR 光谱仪（-TIS）和一台辐射计（-TIR），分别工作在 7–14 μm 和 7–40 μm 的波长范围内。MERTIS 是首个在水星轨道上测量中红外（MIR）区域表面辐射的光谱仪。MERTIS 利用微测辐射热计进行热发射测量，以识别上述 MIR 范围内的矿物特征光谱，包括克里斯蒂安森特征（CF）、残留辐射带（RBs）和透明特征（TF）。RBs 显示了硅酸盐等矿物的强烈基本分子振动，而 CF 则反映了最大的发射率（或最低的反射率）。因此，MERTIS 在水星上的应用将为我们提供使用 RBs 和 CF 进行成分分析的独特机会。此外，TF 是一种指示非常细小颗粒（<75 μm）存在的指标，当入射波长位于这些颗粒的散射范围内时尤为明显。MERTIS 将提供约 500 米的空间分辨率的表面矿物学全球地图，以及小于 2 公里的表面温度和热物理性质地图。
- **BepiColombo 集成观测站的光谱仪和成像仪（SIMBIO-SYS，Cremonese 等人，2020 年）**。SIMBIO-SYS 是一套复杂的仪器，旨在获取水星表面从可见光到近红外范围内的图像。该仪器由三个通道组成：立体相机（STC）、高分辨率可见光和近红外多色成像仪（HRIC）以及高光谱成像仪（VIHI，400–2000 nm）。VIHI 将提供有关水星地壳矿物组成的全球信息。其波长范围涵盖了两种主要基性矿物的诊断吸收特征之一，以及可能位于可见光到近红外区域（约 1 μm 和 2 μm）的另一种特征。SIMBIO-SYS 将以全球（480 米/像素）和局部（100 米/像素）尺度探索表面矿物学，以及以高空间分辨率（6–80 米/像素）探索表面地质（包括地形和形态观察）。
- **BepiColombo 激光高度计（BELA，Thomas 等人，2021 年）**。BELA 是一种发射 1064 nm 脉冲的激光高度计，将用于定量探测表面地形和地质。
- **水星伽马射线和中子光谱仪（MGNS，Mitrofanov 等人，2021 年）**。该仪器包含四个探测器，用于测量来自水星表面的伽马射线和中子通量。MGNS 将绘制水星表面的元素组成图，包括主要元素（Si、O、Fe、Ca 和 Al）、挥发性元素（C、H、Na、S 和 Cl）以及天然放射性同位素（K、Th 和 U），准确度约为 10–30%，最表面分辨率为约 400 公里。

此外，通过结合 MPO 上的 PHEBUS（通过紫外光谱探测水星外层空间，Quémerais 等人，2020 年）的观测结果和 SERENA（寻找外层空间填充和中性粒子释放丰度，Orsini 等人，2021 年）的现场粒子测量数据，BepiColombo 将研究水星表面与环境的相互作用（Rothery 等人，2020 年），这是解释表面和外层空间组成的关键因素。此外，MIXS 在夜侧的 X 射线观测将有助于确定与太阳 X 射线光子相互作用相关的 X 射线荧光水平，以及需要考虑的粒子诱导效应（Lindsay 等人，2022 年）。

在类似水星表面的条件下对相关参考材料进行比较实验室分析对于评估 BepiColombo 上仪器预期产生的数据集非常有益。由于目前尚未发现来自水星的小行星，因此获得水星相关样本的实验室研究的最佳方法是使用天然地球和地外样本（例如，Udry 等人，2019 年）和/或合成样本（例如，Namur 等人，2016a；Namur 和 Charlier，2017 年及其中的参考文献）来创建模拟物。NASA 的 MESSENGER 任务揭示了水星表面的复杂且独特的成分和奇异矿物学特征。水星表面的主要元素组成与地球和月球显著不同，其 Fe 浓度极低，Ti 浓度低，而挥发性元素如 S 和 C 的浓度极高（例如，Nittler 等人，2011, 2020；Weider 等人，2012, 2014, 2016；Peplowksi 等人，2016, 2019；Cartier 等人，2020）。这些独特的地球化学特征是由于水星形成期间极端的还原性氧化还原条件造成的（Cartier 和 Wood，2019），这使得创建水星模拟物特别具有挑战性。

为了汇集参与上述表面仪器的科学团队，并根据即将到来的 BepiColombo 数据比较他们的实验室研究，2024 年 9 月举办了第一次水星实验室研讨会。根据研讨会上达成的共识，我们在地球实验室能力的限制下制作了一种接近当前对水星表面成分理解的模拟物（见第 2.1 节“水星表面成分——最新进展”和第 2.2 节“模拟物：”）。为了识别 BepiColombo MPO 仪器数据解释未来的挑战，水星 Y 的成分被保密，并由世界各地的多个实验室进行了模拟测量，模仿 MERTIS、MIXS 和 SIMBIO-SYS 的未来观测（见第 2.3 节）。在这里，我们描述了样本的性质和制备方法，展示了尽可能精确再现 BepiColombo 未来观测结果的盲分析法（见第 3 节），概述了各个团队面临的挑战，并讨论了在 BepiColombo 任务框架内的个别和集体成果（见第 4 节）。

**水星表面成分——最新进展**
MESSENGER 任务从 2011 年到 2015 年在水星轨道上运行，提供了前所未有的高分辨率数据，覆盖了其大面积表面。观测表明，水星表面的主要元素组成与地球、火星和月球显著不同（Nittler 等人，2011；Weider 等人，2015）。在整个 MESSENGER 观测的成分范围内，水星的特点是相对较高的 Mg/Si（0.10–0.80），但 Al/Si（0.08–0.36）和 Ca/Si（0.02–0.32）较低。

**结果**
从前面章节描述的实验室测量和分析程序中得出的化学和矿物组成如下三个小节所示。每个小节对应一个 BepiColombo 仪器，因为在下面展示的研究中还不了解水星 Y 的参考成分。小节 3.4 提供了元素和矿物组成的交叉比较。

**讨论**
本研究对水星表面模拟物 Mercury Y 进行了全面的研究，旨在再现水星北部火山平原（NVP）的成分。如图 1 所示，该模拟物成功捕捉到了这种地形的主体成分特征，只有轻微的偏差，特别是在 Ca 含量方面。

**结论**
BepiColombo 任务将通过一套综合的仪器提供关于水星表面成分、地质演化及其与空间环境相互作用的前所未有的见解。在这项研究中，开发了一种水星表面模拟物（Mercury Y），以近似当前对行星成分的理解，并用于协调的盲分析法，以模拟未来的 BepiColombo 观测。这种方法突显了关键仪器的能力和局限性。

**作者贡献声明**
Solmaz Adeli：撰写——审核与编辑、方法论、概念化。
Iris Weber：撰写——审核与编辑、撰写——初稿、监督、方法论、形式分析、概念化。
Gabriele Arnold：撰写——审核与编辑、形式分析、数据管理。
Koki Yumoto：撰写——审核与编辑、形式分析、数据管理。
Anna Galiano：撰写——审核与编辑、形式分析、数据管理、概念化。
Julia AUncited reference
Benkhoff 等人，2021；Cloutis 等人，1994；Gilks 等人，1995；Maturilli 和 Helbert，2014b；Maturilli 等人，2018；McCubbin 等人，2017；Penttil? 和 Muinonen，2018；Reitze 等人，2020；Reitze 等人，2024b。

**数据声明**
在 IRIS-UM 中进行的水星 Y 测量数据可以在 MERTIS IRIS 在线数据库（http://iris.uni-muenster.de/）中找到，编号为 507（Weber 等人，2025）。用于水星 Y 样本的五种成分矿物中的四种也可以在 IRIS 数据库中找到：斜长石（ID84）、橄榄石（ID374）、黑曜石（ID369）和顽火石（ID323）（表 S2）。

**利益冲突声明**
作者声明本文提交给的是一个特刊，其中一位作者是特邀编辑。根据期刊政策，该作者将不参与这篇论文的同行评审或编辑工作。同行评审过程将独立于特邀编辑及其研究小组进行，以确保对论文的公正评价。

**致谢**
MIXS 团队感谢 UK Space Agency、STFC、ESA 和莱斯特大学的资助，用于 GREF 设施的创建和运行。本研究使用了莱斯特大学的 ALICE 高性能计算设施。AF项目得到了莱斯特大学“Future 100 PhD”计划的资助。Cateline Lantz感谢法国航天局（CNES）的资助。意大利国家天文学研究所（INAF）的SIMBIO-SYS团队得到了ASI-INAF协议（编号2024-18-HH.0.TheO.）的支持。参与项目的团队成员包括：Barraud|Weber|Adeli|Alemanno|Arnold|Barry|Benkhoff|Bunce|Carli|Cartier|Cartwright|Cremonese|D’Amore|De Angelis|DeAngelis|Domingue|Donnaldson Hanna|Doressoundiram|Erftemeijer|Flahaut|Yumoto。