“洞察號(hào)”來到火星

苗千

11月26日，美國(guó)航空航天局工作人員在等待“洞察號(hào)”無人探測(cè)器在火星著陸

“洞察號(hào)”的創(chuàng)新

美東時(shí)間2018年11月26日下午2點(diǎn)52分，美國(guó)航空航天局（NASA）的“洞察任務(wù)”（InSight Mission，全稱為運(yùn)用地震調(diào)查、測(cè)地學(xué)和熱量傳送進(jìn)行內(nèi)部探索[Interior Exploration using Seismic Investigations，Geodesy and Heat Transport]）通過與之同行的兩顆迷你“衛(wèi)星火星立方一號(hào)”（MarCO A，MarCO B）進(jìn)行中轉(zhuǎn)，向位于美國(guó)加州的噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室發(fā)來消息，“洞察號(hào)”火星探測(cè)器已經(jīng)順利著陸，它即將開展一段為期兩個(gè)地球年時(shí)間的科學(xué)探索。

雖然人們時(shí)常能聽到來自火星探測(cè)器的消息，實(shí)際上，讓人類制造的探測(cè)器在火星表面進(jìn)行著陸，是一項(xiàng)極其困難的工作。至今為止，人類發(fā)射的所有火星探測(cè)器，只有大約40%順利完成了著陸?！岸床焯?hào)”是美國(guó)航空航天局在火星表面成功實(shí)施軟著陸的第八個(gè)探測(cè)器，也是繼2012年到達(dá)火星的“好奇號(hào)”（Curiosity Rover）之后，六年來第一個(gè)抵達(dá)火星的人類探測(cè)器。

探測(cè)器在火星進(jìn)行著陸，其中最為重要且驚險(xiǎn)的部分就在于進(jìn)入火星大氣層，急劇減速并順利降落在火星表面的短短幾分鐘。在這個(gè)過程中，“洞察號(hào)”需要把速度從每小時(shí)1.98萬公里驟降為每小時(shí)8公里，并且展開三條支撐腿，還要防止在與火星大氣層的摩擦過程中溫度過高而被損壞。這個(gè)過程被“洞察號(hào)”的設(shè)計(jì)師們稱為“恐怖七分鐘”，而迷你衛(wèi)星發(fā)回的數(shù)據(jù)顯示，降落過程實(shí)際上只花費(fèi)了六分半鐘，其間順利完成了十多項(xiàng)既定動(dòng)作，整個(gè)程序堪稱完美，已經(jīng)按照人們的設(shè)計(jì)降落在了火星赤道附近的埃律西昂平原（Elysium Planitia）。

隨后，由飛臨“洞察號(hào)”上方的“人造衛(wèi)星火星奧德賽號(hào)”（Odyssey Spacecraft）繼續(xù)向地球發(fā)回消息，稱“洞察號(hào)”在順利著陸火星表面的16分鐘之后，又花費(fèi)了16分鐘完全展開了它攜帶的兩個(gè)2.2米寬的太陽能面板。相比于地球，火星距離太陽更遠(yuǎn)，能夠收集到的太陽能也相對(duì)更少，但“洞察號(hào)”自身并不需要太多的能量。在晴朗的火星天氣里，這兩塊太陽能面板的功率可以達(dá)到600到700瓦特，即使是在火星常見的沙塵天氣里，它的功率也可以達(dá)到200到300瓦特，其轉(zhuǎn)化的能量足以保障“洞察號(hào)”的正常運(yùn)行。

由洛克希德·馬丁公司制造的“洞察號(hào)”探測(cè)器，在設(shè)計(jì)上沿用了2008年登陸火星的“鳳凰號(hào)”探測(cè)器，因此登陸過程相似。但“洞察號(hào)”與意在探測(cè)火星北極地區(qū)的“鳳凰號(hào)”，以及之前其他所有火星探測(cè)器的目標(biāo)都有所不同。它著陸與進(jìn)行工作的埃律西昂平原由熔巖形成，看上去平坦無奇，遠(yuǎn)不及火星的峽谷、火山口等地區(qū)吸引科學(xué)家們的興趣。之所以選擇這個(gè)區(qū)域，是因?yàn)椤岸床焯?hào)”的目標(biāo)并不在于表面，而是在于火星的內(nèi)心。

人類只有通過傾聽火星的地震波，才有可能了解火星的內(nèi)部構(gòu)造，并與地球的構(gòu)造相比較，進(jìn)而理解兩顆行星的境遇為何如此不同。作為價(jià)值將近10億美元的人類第一個(gè)火星地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室，“洞察號(hào)”攜帶了各種比前幾個(gè)探測(cè)器更先進(jìn)的科學(xué)儀器。其中一款主要由法國(guó)國(guó)家太空中心設(shè)計(jì)制造的西瓜大小的高精度地震儀（SEIS Instrument），其精度足以探測(cè)到一個(gè)原子大小的幅度的震動(dòng)——這堪稱人類制造出的最靈敏的地震儀，此前也正是因?yàn)樵谥圃爝@款地震儀過程中的一次技術(shù)失誤，讓發(fā)射推遲了兩年多的時(shí)間。在一切的工作準(zhǔn)備就緒之后，“洞察號(hào)”會(huì)把這個(gè)地震儀放置在埃律西昂平原的地面上進(jìn)行工作，再在上面放置一個(gè)半圓形的保護(hù)罩，使之不受火星大氣活動(dòng)的干擾。

11月26日，“ 洞 察 號(hào) ”無人探測(cè)器登陸火星后傳回的照片

“洞察號(hào)”成功登陸火星，它隨身攜帶存有逾200萬 名 太空粉絲姓名的微芯片

德國(guó)航天中心為“洞察號(hào)”設(shè)計(jì)制造的“熱傳感物理特性箱”（HP3）則會(huì)史無前例地利用自身所攜帶的探頭從火星地表向下鉆探5米的深度，探測(cè)火星內(nèi)部溫度的變化，以此推斷火星內(nèi)部由巖漿和放射性物質(zhì)所產(chǎn)生的熱量，以及熱量向外流失的速度。此外，“洞察號(hào)”還攜帶了一個(gè)“自傳和內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室”（RISE），探測(cè)火星在其自轉(zhuǎn)軸上的擺動(dòng)，以此來判斷火星內(nèi)核的狀態(tài)。

除了“洞察號(hào)”自身所攜帶的科學(xué)儀器開創(chuàng)了諸多先河，與“洞察號(hào)”一同升空，隨后又自行趕路，與“洞察號(hào)”一同到達(dá)火星軌道的兩顆迷你衛(wèi)星——MarCO A與MarCO B——同樣也是一個(gè)史無前例的創(chuàng)新。這種只有鞋盒大小的迷你衛(wèi)星由噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室的年輕科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)制造，造價(jià)相對(duì)低廉，卻有大用處。由電影《機(jī)器人總動(dòng)員》得來靈感，科學(xué)家們給它們起了外號(hào)“Wall-E”和“EVE”。有了這兩個(gè)隨“洞察號(hào)”一同到達(dá)的迷你衛(wèi)星作為中繼，就不用等待在火星軌道上運(yùn)轉(zhuǎn)的衛(wèi)星飛臨，能夠在第一時(shí)間把“洞察號(hào)”的著陸過程發(fā)回給地球，其間地球只滯后了電磁波從火星抵達(dá)地球所需的8分鐘時(shí)間。即使“洞察號(hào)”的降落沒有成功，這兩顆迷你衛(wèi)星仍可以把這個(gè)過程實(shí)時(shí)發(fā)送回地球供科學(xué)家們進(jìn)行分析。

雖然沒有攜帶科學(xué)儀器，但是在火星大氣層的邊緣，這兩顆迷你衛(wèi)星仍然通過自身攜帶的相機(jī)拍攝了幾張火星的照片發(fā)回地球。另外，它們向地球發(fā)射的電磁信號(hào)會(huì)經(jīng)過火星大氣層的邊緣。地球的科學(xué)家們通過分析火星大氣層對(duì)信號(hào)的干擾，就有可能理解火星大氣層的密度和成分。除了這些作用之外，作為人類首次發(fā)射的專門用于檢測(cè)探測(cè)器著陸過程的行星際衛(wèi)星，這兩顆迷你衛(wèi)星也開創(chuàng)了地外探測(cè)器自身攜帶通信設(shè)備的先例，這為人類以后探測(cè)其他天體提供了一個(gè)全新的思路。

火星的謎團(tuán)

火星表面在何時(shí)曾經(jīng)擁有液態(tài)水，后來又發(fā)生了什么導(dǎo)致了液態(tài)水的流失？在火星上是否曾經(jīng)存在過生命？“洞察號(hào)”來到火星，傾聽火星的地震波，鉆研火星的地表，實(shí)際上都是為了回答這幾個(gè)困擾人類已久的問題。

通過各種火星探測(cè)器和人造衛(wèi)星，人類收集了越來越多的關(guān)于火星的信息，但是近年來，在火星研究領(lǐng)域，科學(xué)家們卻并不算樂觀。有科學(xué)家認(rèn)為，人類對(duì)于火星的研究可謂是有觀察、無理解，近年來沒有突破性的進(jìn)展。盡管人類收集到的關(guān)于火星的數(shù)據(jù)越來越多，卻有如隔靴搔癢，沒法解決一些根本性的問題，比如火星在形成的早期階段，為什么會(huì)擁有溫暖濕潤(rùn)的環(huán)境？促使火星環(huán)境發(fā)生徹底性轉(zhuǎn)變的原因又是什么？

想要回答這些關(guān)于火星的根本性問題，就非要探明火星的內(nèi)部構(gòu)造不可。地質(zhì)學(xué)家們研究地球的結(jié)構(gòu)，需要在地球的不同位置探測(cè)地震波，以此計(jì)算地球內(nèi)部能量的傳播方式，進(jìn)而理解地球的內(nèi)部構(gòu)造。想要理解火星的內(nèi)部構(gòu)造，方法也與此類似，需要探測(cè)來自火星內(nèi)部的地震波。

上一次探測(cè)火星地震波的嘗試并不成功。在1975年，美國(guó)航空航天局發(fā)射了維京1號(hào)（Viking 1）和維京2號(hào)（Viking 2）火星探測(cè)器，結(jié)果因?yàn)闄C(jī)械故障，維京1號(hào)沒能夠順利卸載設(shè)備，而維京2號(hào)所攜帶的探測(cè)器在收集了2100個(gè)小時(shí)的火星地震波資料之后，科學(xué)家們才意識(shí)到，因?yàn)榫S京2號(hào)所攜帶的地震儀甚至沒有與火星的地面直接接觸，而是位于探測(cè)器的上方，其收集到的地震波信號(hào)也有可能來自火星大氣的干擾，因此意義不大。

40多年過去了，帶著更先進(jìn)的儀器和人們的希望，此次“洞察號(hào)”探測(cè)火星地震波的計(jì)劃不容有失。為了能夠盡量不受干擾，并且能獲得足夠的光照，“洞察號(hào)”需要找到一個(gè)相對(duì)平坦、溫暖和明亮的區(qū)域。科學(xué)家們最初考慮了22個(gè)著陸點(diǎn)，后來候選者縮減到埃律西昂平原、伊希地平原和水手號(hào)谷三個(gè)，最終才確定了在赤道附近的130公里長(zhǎng)、27公里寬的埃律西昂平原。

在成功著陸之后，雖然“洞察號(hào)”已經(jīng)開始收集科學(xué)數(shù)據(jù)，但接下來它最重要的工作是部署科學(xué)儀器，這個(gè)過程就要花費(fèi)兩到三個(gè)月的時(shí)間。

“洞察號(hào)”不需要像具有核動(dòng)力的“好奇號(hào)”一樣到處游走，在著陸之后它需要就近選擇一個(gè)合適的工作地點(diǎn)安定下來。它會(huì)伸出1.8米長(zhǎng)的機(jī)械臂對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行拍照，把照片發(fā)回地球，再由地球上的科學(xué)家為它選擇一個(gè)合適的探測(cè)地點(diǎn)進(jìn)行鉆孔和地震波探測(cè)。而現(xiàn)在人們對(duì)于“洞察號(hào)”最大的好奇在于，在一個(gè)火星年外加40個(gè)火星日的計(jì)劃工作時(shí)間里，它究竟能夠探測(cè)到多少次火星地震波。

科學(xué)家們估算火星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和冷卻過程，估計(jì)它的地質(zhì)活動(dòng)可能介于地球和月球之間，它的地震次數(shù)可能會(huì)少于地球但多于月球。因此“洞察號(hào)”所探測(cè)到的地震信號(hào)可能會(huì)在2.7級(jí)到4.2級(jí)之間，當(dāng)然它也有可能通過高精度的地震儀探測(cè)到更遠(yuǎn)處強(qiáng)度更大的地震信號(hào)?？茖W(xué)家們希望在兩年多的時(shí)間里能夠至少探測(cè)到30次地震波數(shù)據(jù)，地震波的強(qiáng)度越大，就越有利于人們理解火星的內(nèi)部構(gòu)造，因?yàn)閺?qiáng)烈的地震波會(huì)貫穿火星的核心，傳送出關(guān)于火星內(nèi)部的信息。

地球與火星兩顆行星在早年都有著溫暖濕潤(rùn)的環(huán)境和厚實(shí)的大氣層，但之后幾十億年的時(shí)間里兩者的境遇大有不同，科學(xué)家們猜測(cè)，這與兩顆行星的板塊構(gòu)造以及內(nèi)部熱量的流動(dòng)方式有關(guān)，“洞察號(hào)”所攜帶的科學(xué)設(shè)備主要就會(huì)在這幾個(gè)方面進(jìn)行探測(cè)。地球的核心部分充滿沸騰的巖漿，其中蘊(yùn)含了巨大的能量。這些能量一部分來自于行星形成初期的擠壓，一部分來自于放射性物質(zhì)。行星中心的能量會(huì)逐漸向外擴(kuò)散，它需要尋找出路釋放出來，巨大的能量會(huì)融化巖層，損毀地殼，形成火山和熱泉，噴發(fā)出巖漿和大量揮發(fā)性的液體，為大氣層帶來了熱量，這個(gè)過程可能對(duì)于生命的形成和發(fā)展至關(guān)重要。另外，地球內(nèi)部存儲(chǔ)的巨大能量也讓地核一直保持著液態(tài)，其中金屬元素的流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生出一個(gè)全球性的磁場(chǎng)，這相當(dāng)于為整個(gè)行星的生物都提供了一個(gè)保護(hù)罩，使之免受宇宙射線的攻擊。

除了核心區(qū)域之外，地球的板塊構(gòu)造可能也對(duì)于生命的出現(xiàn)和發(fā)展有重要意義。地殼的不同板塊之間會(huì)相互移動(dòng)、碰撞，這也為整個(gè)行星的循環(huán)帶來了活力，讓地球環(huán)境一直處于變化之中。地球的不同板塊相互碰撞時(shí)，會(huì)把地殼的一部分撞入地球內(nèi)部，而當(dāng)不同的板塊分離時(shí)，又會(huì)讓新的板塊浮現(xiàn)出來，在這個(gè)過程中會(huì)釋放出水分、二氧化碳、甲烷等物質(zhì)。這樣的循環(huán)過程有可能保持了整個(gè)地球生態(tài)系統(tǒng)的活力。

地球與火星在這些細(xì)微之處的區(qū)別，是否決定了兩顆行星的不同命運(yùn)？火星并沒有類似于地球的板塊構(gòu)造，這是否決定了它無法維持自身物質(zhì)的循環(huán)系統(tǒng)？火星在形成初期也具有強(qiáng)大的磁場(chǎng)?；鹦且粋€(gè)古老的地殼區(qū)域被強(qiáng)烈地磁化就是其磁場(chǎng)曾經(jīng)存在的證據(jù)，但是在其后幾十億年的時(shí)間里，火星的磁場(chǎng)消失了，這是否導(dǎo)致了其環(huán)境的惡化？在火星內(nèi)部的巖漿是否具有與地球相似的活力，還是已經(jīng)隨著時(shí)間的流逝而冷卻凝固？科學(xué)家們希望能夠通過探測(cè)火星的地震波和在自轉(zhuǎn)軸上的擺動(dòng)方式，判斷出火星內(nèi)部的巖漿是處于液態(tài)還是固態(tài)，或是兩者的混合狀態(tài)。

“洞察號(hào)”的工作才剛剛開始。如果順利的話，在未來兩年的時(shí)間里，它將會(huì)向地球源源不斷地發(fā)回關(guān)于火星內(nèi)部構(gòu)造的各種數(shù)據(jù)，這或許將使人類對(duì)于火星的理解大大加深，也有助于人類在未來將宇航員送上火星。對(duì)于地球來說，火星又如同一個(gè)實(shí)驗(yàn)室。它告訴人類，一顆行星的構(gòu)造和環(huán)境稍加改變，命運(yùn)就可能完全不同，理解火星的形成和發(fā)展過程，其實(shí)也能讓人類更深刻地理解地球，理解生命的產(chǎn)生和發(fā)展所依賴的環(huán)境。對(duì)于人類來說，火星是他者，也是我們自身生存和發(fā)展的一個(gè)參照。

（本文寫作參考了《自然》雜志和美國(guó)航空航天局的相關(guān)報(bào)道）