前往火星的三個太空任務(wù)

Senior Technology Writer

一駕新型三人組飛船正在前往火星的途中，它的任務(wù)是去探測火星上潛在的古老生命的具體位置以及監(jiān)測火星的天氣狀況[1]。由美國、中國和阿拉伯聯(lián)合酋長國（UAE）發(fā)起的為期10 d的三個火星探測任務(wù)于2020年7月啟動，每項(xiàng)任務(wù)均為首次火星探測。如果中國和阿拉伯聯(lián)合酋長國的任務(wù)執(zhí)行順利，將標(biāo)志著這些國家完成了針對火星的首次訪問，這也是中國首次登陸火星表面[2]。同時，美國國家航空航天局（NASA）的任務(wù)將為運(yùn)送第一個火星巖石樣本至地球提供契機(jī)，以便分析火星上的生命痕跡[3]。

美國得克薩斯州休斯頓市萊斯大學(xué)的地球環(huán)境和行星科學(xué)專業(yè)的助理教授Kirsten Siebach說道：“能夠前往多個地點(diǎn)去執(zhí)行多個任務(wù)，真是令人興奮?！比温氂诿绹笨_來納州羅利市北卡羅來納州立大學(xué)的行星地質(zhì)學(xué)專業(yè)的副教授Paul Byrne則認(rèn)為：“這些任務(wù)幾乎一定會為我們提供有關(guān)火星新事物的實(shí)用信息。”

當(dāng)火星與地球在軌道中運(yùn)行至同一直線時，是飛船發(fā)射的良好時機(jī)。只有每經(jīng)過大約26個月，兩顆行星之間的距離才足夠相近，以便飛船完成在兩顆行星之間的飛行[4]。由歐洲航天局（ESA）和俄羅斯航天局（Roscosmos）共同發(fā)起的第4次飛行任務(wù)也已安排在該發(fā)射窗口期，但由于2019年新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）的暴發(fā)而被推遲至2022年[5]。

美國亞利桑那州坦佩市亞利桑那州立大學(xué)的地球與太空探索專業(yè)的教授Jim Bell認(rèn)為，先前多次火星探測任務(wù)已逐步為人類積累了關(guān)于這顆星球的知識，這為進(jìn)一步探索火星提供了科學(xué)動力。Bell目前擔(dān)任行星學(xué)會（全球最大的公共空間教育和倡導(dǎo)組織）的會長，同時也領(lǐng)導(dǎo)著一個研究美國航天器的科學(xué)團(tuán)隊(duì)。他說：“相信那里一定有關(guān)于類地行星起源和早期演化的線索?！?/p>

從1965年美國國家航空航天局的水手4號火星探測器的探索開始，這些飛經(jīng)、環(huán)繞、著陸并在火星上行駛的飛行器極大地提高了科學(xué)家對這顆行星的了解。如今的火星可能是干旱、寒冷和荒蕪的，但是大多數(shù)研究人員認(rèn)為，數(shù)十億年前，它擁有宜人的氣候和由大量液態(tài)水形成的河流、湖泊甚至海洋[6]。“過去火星上可能存在過生命?！泵绹芴K里州圣路易斯市華盛頓大學(xué)的地球與行星科學(xué)專業(yè)的教授Raymond Arvidson說，“但問題是，那是多久之前呢？”

在使用新飛船探索火星之前，它們必須提前到達(dá)火星進(jìn)行相關(guān)儀器的部署，這本身就是一項(xiàng)大工程，因?yàn)檫^去大約有一半的任務(wù)都失敗了[7]。但如果三人組飛船都能如期到達(dá)這顆“紅色星球”并開始工作，那么它們將能夠執(zhí)行各種科學(xué)任務(wù)。

美國的任務(wù)是將NASA的毅力號火星探測器安置在火星北半球直徑約48 km的杰澤羅隕石坑（Jezero Crater）中[8]。該隕石坑是尋找火星曾有生命證據(jù)的理想地點(diǎn)，因?yàn)樗粋€湖泊和一個三角洲，而三角洲恰恰是河流進(jìn)入水體時形成的扇形地層[8]。Arvidson說，在地球上三角洲往往富含有機(jī)物質(zhì)和其他生物的殘留物。

自2012年以來，NASA的好奇號火星探測器一直在火星表層進(jìn)行勘探，而六輪配置、钚能驅(qū)動的毅力號火星探測器搭載了更先進(jìn)的儀器（總共7個），它將利用該儀器對Jezero Crater進(jìn)行研究[9,10]。Bell和他的團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種攝像系統(tǒng)，可以捕捉拍攝三維圖像和高清視頻[11]，這使地球上的科學(xué)家和工程師能夠繪制出探測器在Jezero Crater內(nèi)的行進(jìn)路線（長3 m、寬2.7 m），并選擇最合適的、最有可能存在生命證據(jù)的巖石或地質(zhì)特征進(jìn)行勘察。此外，探測器的機(jī)械臂搭載了能夠使用拉曼光譜和熒光光譜以鑒定礦物質(zhì)和有機(jī)分子的儀器，以及用于分析巖石化學(xué)成分的X射線熒光光譜儀[12,13]。

科學(xué)家一致認(rèn)為，即使擁有復(fù)雜的儀器，毅力號火星探測器也很難找到無可爭議的火星生命證據(jù)。如果確實(shí)存在證據(jù)，Bell認(rèn)為它不可能是化石，但可能是細(xì)微的地質(zhì)特征、化學(xué)特征或是同位素特征。Bell說，檢測到相關(guān)特征并證明火星上曾經(jīng)有過生命的存在，這需要在探測器返回地球后，由科研人員在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行驗(yàn)證。毅力號火星探測器最重要的作用就是從有可能存在生命特征的巖石中鉆取并保存巖心，以備未來進(jìn)行進(jìn)一步的收集和考察（圖1）[14]。何時能夠完成這一工作還未知，但美國國家航空航天局和歐洲航天局正在計(jì)劃一項(xiàng)聯(lián)合任務(wù)，該任務(wù)最早可能在2031年將樣本帶回地球[14]。

毅力號火星探測器還將測試可能有益于未來任務(wù)的技術(shù)。例如，它搭載了一架名為Ingenuity的微型直升機(jī)，其質(zhì)量僅為1.8 kg（圖2）[15]。目前尚未有任何飛行器在另一個星球上飛行。如果Ingenuity可以在火星稀薄的大氣層中起飛，那么更大的模型可能能夠應(yīng)用于火星探測和運(yùn)輸以及對太陽系中其他天體的探索。美國國家航空航天局已經(jīng)計(jì)劃將一架直升機(jī)運(yùn)送到土星的第六顆衛(wèi)星——土衛(wèi)六上[16]。Arvidson說：“讓任何東西能夠在另一個星球上飛行都是非常有價值的?！?/p>

圖1.一位藝術(shù)家的效果圖展現(xiàn)了NASA的毅力號火星探測器在火星上的Jezero Crater中鉆探能夠證明火星上曾經(jīng)存在生命的巖心。探測器將收集并保存大約30個巖石和土壤樣本以便未來進(jìn)行進(jìn)一步的考察，然后返回地球。圖片來源：NASA/JPL-Caltech（公共領(lǐng)域）。

美國國家航空航天局的另外兩艘飛船也正在火星上作業(yè)，它們是2018年11月降落在火星赤道附近極樂平原上[17,18]的好奇號（Curiosity）火星車和InSight號探測器。為了幫助科學(xué)家更好地了解火星內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，InSight號探測器負(fù)責(zé)追蹤火星上的地震活動，并已完成了數(shù)百次地震的監(jiān)測，這是其第一次在其他星球上探測到地震[19]。然而，能夠從地表下5 m處獲取讀數(shù)的溫度探測器，卻遭受了許多挫折[18]。

中國的天問一號航天器主要由人造衛(wèi)星、著陸器和探測器組成。中國曾試圖在2011年向火星發(fā)射人造衛(wèi)星，但由于攜帶衛(wèi)星的俄羅斯火箭失靈而未能成功[20]。其他國家一般是先發(fā)射人造衛(wèi)星，然后部署著陸器，最后再部署探測器[20]。中國是率先在同一任務(wù)中嘗試完成所有三個探測進(jìn)程的國家。Bell說：“如果能夠成功，那真是太好了?！?/p>

天問一號上的7種儀器包含用于分析火星礦物質(zhì)的光譜儀和用于探測火星磁場的磁力計(jì)[21,22]。著陸器和探測器可能會著陸在火星北半球的烏托邦平原上，“那里可能有適宜人類居住的證據(jù)或是可能存在古老的生命，”Arvidson說。使用能夠進(jìn)行地表化學(xué)成分分析的探測器和探地雷達(dá)等儀器對該平原進(jìn)行勘探。毅力號火星探測器也配置了此探測器和探地雷達(dá)[22,23]。

圖2.毅力號火星探測器可以發(fā)射高約0.5 m、重約1.8 kg的微型直升機(jī)。正如這位藝術(shù)家所描繪的，如果Ingenuity直升機(jī)能夠成功飛行，它將是第一個在另一顆行星上飛行的飛行器。為了在火星稀薄的大氣層中起飛上升，Ingenuity的葉片將以每分鐘2400轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，大約為地球上普通直升機(jī)轉(zhuǎn)速的5倍。美國國家航空航天局預(yù)計(jì)它將進(jìn)行五次短暫的試飛，每次試飛時間約為90 s。圖片來源：NASA/JPLCaltech（公共領(lǐng)域）。

第三架航天器，即阿拉伯聯(lián)合酋長國的希望號人造衛(wèi)星，將成為火星上的第一顆氣象衛(wèi)星。Siebach認(rèn)為，它捕獲的數(shù)據(jù)可以幫助研究人員研究火星的演化與發(fā)展。Siebach說：“過去我們很難了解火星上的天氣情況?！蓖ㄟ^對火星大氣狀況的實(shí)時持續(xù)追蹤，希望號人造衛(wèi)星將深入洞悉火星的氣象歷史。該航天器搭載的紅外光譜儀將用于測量低層大氣中的灰塵、水蒸氣和冰[10]。此外，其紫外光譜儀為人造衛(wèi)星追蹤大氣層上層中的氧氣、一氧化碳和氫氣提供了保障，可以為解釋火星上大部分大氣是如何泄漏至太空這一問題提供相關(guān)線索[1]。

新的探索將于2021年2月這三個任務(wù)落地火星時開展?！八鼈儠氐赘淖兾覀儗鹦堑恼J(rèn)識嗎？我不確定?！盉yrne說，“但是我迫不及待地想看看它們發(fā)現(xiàn)了什么?！?/p>