火星探測史

陳若穎

火星與地球距離示意圖

何謂“火星年”

為什么大家都不約而同地選擇2020年暑期發(fā)射火星探測器呢？這其中有兩個重要原因：一是火星發(fā)射窗口，二是地球與火星的會合周期。我們知道，太陽系內(nèi)的行星都在圍繞著太陽運轉(zhuǎn)，但它們各自的公轉(zhuǎn)周期并不相同，所以當它們運轉(zhuǎn)到不同的位置時，它們和地球之間的距離就會發(fā)生變化。比如地球和火星之間的距離，最近時只有約5500萬千米，而最遠時則有4億千米。選擇在二者距離較近的時候發(fā)射飛行器，無疑可以大大節(jié)約時間和燃料。因此，這一時段也被稱為火星的“發(fā)射窗口”。今年的七八月恰好就是火星的發(fā)射窗口，此時從地球發(fā)射的探測器經(jīng)過一段弧形軌道后，最快可以在7個月后就到達火星。除此之外，因為地球和火星相對位置每循環(huán)一個周期所需要的時間（即地球和火星的會合周期）大約是26個月。也就是說，如果錯過今年的發(fā)射窗口，下一次的火星發(fā)射窗口就要等到2022年。因為這種“錯過這次，再等兩年”的規(guī)律，各大科研機構(gòu)紛紛制訂今年的發(fā)射計劃，急于將最新科研成果應(yīng)用于火星探測中。

早期的火星探測

自古以來，人類對火星和火星上的生命充滿無限遐想，火星探測也基本是圍繞著“生命”這一主題展開的。1877年，意大利天文學(xué)家斯基帕雷利使用天文望遠鏡觀測到了火星上的黑色暗溝，在他的想象中，這些暗溝是海峽。于是，斯基帕雷利就把這些暗溝稱為“canali”，即意大利語中的“水道”。這一重大發(fā)現(xiàn)傳到英國后，“canali”就被人們誤翻譯為“canal”，即英文中的“運河”。于是，火星上存在能夠建造運河的智慧生命的消息不脛而走。由此人們開始對火星環(huán)境和火星生命產(chǎn)生了各種猜測，有人認為那些暗溝是火星人用于交通運輸?shù)暮拥溃腥苏J為火星人在利用運河引水灌溉，而部分科學(xué)家卻認為那只是視覺誤差。但在人類還只能通過望遠鏡遠觀火星的時代，任何說法都是無根據(jù)的猜測。

火星上的黑色區(qū)域

1957年，蘇聯(lián)首先將人造衛(wèi)星成功發(fā)射升空，這一轟動全球的事件翻開了人類探索宇宙的新篇章。世界各大科研機構(gòu)紛紛把目光瞄準地球之外，開始制訂各種宇宙探索計劃，希望能夠充分了解地外天體，搜尋地外生命，甚至進行星際移民。在此基礎(chǔ)上，NASA在1960年啟動了一個名為“地外生命計劃”的項目，設(shè)計制造了多個月球探測器并展開對月球的探索。

此時，地外生命學(xué)家則將注意力投向更遠的地方——金星和火星。在太陽系八大行星中，金星和火星距地球較近，比較容易探測;不僅如此，它們還都位于太陽系的宜居帶中，可以說是最有可能存在液態(tài)水的兩顆行星。相較于金星上濃厚的硫酸云、92 倍的大氣壓、約450℃的高溫以及比一年還要長的一天，火星似乎更具“親和力”，它擁有與地球相近的自轉(zhuǎn)周期和自轉(zhuǎn)軸傾角、約-40℃的表面平均溫度和稀薄的大氣層，被人們稱為“地球姊妹星”。如果讓科學(xué)家們在太陽系中選擇最有可能存在地外生命的行星，火星肯定得票數(shù)最高。

開普勒-22系統(tǒng)和太陽系的宜居帶對比（圖片來源：NASA）

超級鏈接

宜居帶

宜居帶指的是恒星周圍的一個距離范圍，在這個范圍內(nèi)水分子可以以液態(tài)形式存在。因為液態(tài)水被科學(xué)家們認為是生命存在的必要因素之一，而水分子只有在一定溫度下才會以液態(tài)形式出現(xiàn)，所以處于宜居帶內(nèi)的行星被認為更有可能孕育生命?，F(xiàn)在科學(xué)家們在太陽系外的行星上搜尋生命時，都是以是否處于宜居帶作為重要判斷標準。

20世紀60年代，美國和蘇聯(lián)在航天領(lǐng)域展開了激烈的競爭，人們把那段歷史稱為“太空競賽”。1962年，蘇聯(lián)發(fā)射了火星1號探測器，雖然它在飛離地球1億千米時就與地面失去聯(lián)系，下落不明，但它卻被看作人類火星探測的開端。同年，美國開始實施“水手計劃”，并著手設(shè)計了一系列旨在探索水星、金星和火星的探測器。在經(jīng)歷過失敗后，1964年，美國成功發(fā)射了水手4號探測器（以下簡稱水手4號），這是有史以來第一個飛掠火星并傳回數(shù)據(jù)的火星探測器。收到水手4號發(fā)回的第一張圖片信號時，NASA的科學(xué)家們甚至等不及電腦處理，自己就先將原始信號簡單轉(zhuǎn)碼，得到了一張粗糙的圖像。這張看上去荒涼死寂的橘紅色圖片震驚了世界，也讓科學(xué)家們開始重新評估火星上存在生命的可能性。

經(jīng)過簡單處理的世界上第一張火星圖片（圖片來源：NASA）

在此之后，美國又于1969年成功發(fā)射水手6號和水手7號探測器飛掠火星，它們的任務(wù)是進行火星地表20%的地圖繪制工作并完成對火星大氣環(huán)境的分析。最終，這兩個探測器揭示了火星上布滿環(huán)形山且沒有運河存在的地表形態(tài)?？梢哉f，這一結(jié)果使得在火星上尋找智慧生命的希望基本破滅。

為了了解火星上的更多細節(jié)，科學(xué)家們在1971年再次進行嘗試，成功發(fā)射水手9號探測器。這個探測器拍攝了超過80%的火星地表圖像，完整地向科學(xué)家們展示了火星表面的環(huán)形山、干旱的河床、巨大的死火山和寬廣的峽谷。為了紀念水手9號探測器的貢獻，由它發(fā)現(xiàn)的太陽系中最大、最長的峽谷就被命名為“水手峽谷”。

火星上的水手峽谷（圖片來源：NASA）

與美國一樣，蘇聯(lián)也嘗試進行了多次火星探測，但可能是運氣不好，他們在這段時間內(nèi)發(fā)射的多個探測器均未能成功抵達火星。不死心的蘇聯(lián)人在1971年又接連發(fā)射了兩個探測器——火星2號和火星3號，希望能一次性完成火星探測器的環(huán)繞及著陸任務(wù)。不巧的是，就在著陸時，它們遇上了火星沙塵暴。在沙塵暴之下，火星2號一頭栽進了海拉斯盆地，與地球失去了聯(lián)系，但它仍然成為第一個抵達火星表面的人造天體。五天之后，首個成功著陸火星的探測器——火星3號也因為同一場沙塵暴，在工作了僅僅20秒后就與地球失聯(lián)，甚至都沒來得及傳回一絲訊息。

早期的這些探測器幫助科學(xué)家們初步了解了火星的地表環(huán)境以及大氣狀況，使人們認識到火星上基本不可能存在智慧生命的事實，也為后來設(shè)計更有針對性的探測任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。

在火星尋找地外生命

在火星上尋找地外生命，即使看起來希望渺茫，但科學(xué)家們卻從未放棄。說到這里，你可能會好奇科學(xué)家們判斷地外生命的標準是什么？

大家腦海中的外星人形象，無論是四只眼睛還是八條腿，其實都是以地球上已有的生命為樣本，再經(jīng)過人類大腦的“加工”產(chǎn)生的?？茖W(xué)家們尋找地外生命時也一樣，主要尋找的就是和地球生命類似的生命形式，即碳基生命。因為即使我們假設(shè)宇宙中真的存在另一種生命形式，例如硅基生命，但其實科學(xué)家們很難判斷另一顆行星上裸露的巖石會不會也是一種生命。這樣一來，宇宙中任何一處都有可能存在不同形式的生命，搜尋難度就會變得極大，而且這項工作也會失去意義。因此，搜尋和地球生命類似的生命形式，從已知出發(fā)，就是目前最謹慎也是最可能有所收獲的一種方法。

為了更好地搜尋地外生命，NASA在1961年邀請生命與環(huán)境專家詹姆斯·拉夫洛克參與了美國的空間計劃，重新定義了尋找地外生命的方式。詹姆斯認為，應(yīng)該擺脫“地球中心論”，拋棄以往直接搜尋生命體和辨認生命體內(nèi)DNA等物理結(jié)構(gòu)的方法，轉(zhuǎn)而利用基于細胞的生物反應(yīng)來搜尋地外生命。他提出可以把搜集來的火星樣本澆上水，以檢測微生物生長的痕跡。詹姆斯的想法直接定義了海盜號探測器（以下簡稱海盜號）的生命探測實驗思路。

由于火星大氣的主要成分是二氧化碳，只有少量水蒸氣，于是科學(xué)家們想到可以在地球上的類似環(huán)境中對海盜號進行測試。他們在南極洲的干谷、智利的阿塔卡瑪沙漠相繼開展了測試實驗，并且成功尋找到樣本中的生命跡象。這一結(jié)果使科學(xué)家們備受鼓舞，他們又重新燃起對火星生命的期待。

海盜1號拍攝的第一張火星彩照（圖片來源：NASA）

在這些研究基礎(chǔ)上，1976年，海盜1號和海盜2號成功著陸于火星表面。除了搭載了用于測量火星溫度、磁場、風(fēng)速等數(shù)據(jù)的儀器外，它們還攜帶了用于搜尋生命的生物學(xué)實驗設(shè)備。它們發(fā)回的全彩圖片揭示了一個與地球完全不同的世界，人們首次了解到火星上的天空是銹紅色的，而不是類似于地球的藍色。海盜號項目經(jīng)理對這一歷史性的登陸評價道：“我們創(chuàng)造了歷史！火星從一個詞語、一個抽象的概念，變成了一個實實在在的地方！”

成功著陸后的海盜1號迅速開展了生命搜尋實驗。它挖了一個深約5厘米的土坑，并將獲得的土壤樣本放入探測儀器中進行分析。但分析結(jié)果令人困惑，土壤樣本確確實實出現(xiàn)與地球上的光合作用相吻合的讀數(shù)，也被發(fā)現(xiàn)可能是微生物造成的氧氣和二氧化碳釋放的痕跡，但探測器攜帶的有機物分析儀器卻檢測不到生命跡象。科學(xué)家們認為此次探測到的諸多現(xiàn)象更像是化學(xué)反應(yīng)而非生物反應(yīng)。雖然海盜號并沒有在火星上發(fā)現(xiàn)確鑿無疑的生命跡象，但它啟發(fā)我們深入思考生命的定義，開啟了“我們是否采用了正確方法尋找生命”的討論。

卡爾·薩根與海盜號著陸器模型（圖片來源：NASA）

通過海盜號的探測，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)人類對地球上的生命還沒有足夠的了解，所以想在其他行星上搜尋生命一定會困難重重。討論之后，科學(xué)家們決定放棄尋找火星上存在生命的證據(jù)，轉(zhuǎn)而在火星環(huán)境中尋找生命存在所必需的物質(zhì)或元素，以證明火星上存在生命的可能性。因此，太陽系生命搜尋工作的重點轉(zhuǎn)向了尋找液態(tài)水或它曾經(jīng)存在過的證據(jù)。

火星全球勘探者號拍攝的徑流（圖片來源：NASA）

探尋生命存在的可能性

在海盜號之后，由于經(jīng)濟和技術(shù)原因，火星探測陷入一段低谷期。直到20世紀結(jié)束，蘇聯(lián)、美國、俄羅斯和日本共發(fā)射近十個火星探測器，但除了美國的火星全球勘探者號探測器（以下簡稱火星全球勘探者號）和火星探路者號探測器（以下簡稱火星探路者號）外，其他探測器不是發(fā)射失敗就是未獲得有用發(fā)現(xiàn)。

1996年發(fā)射的火星全球勘探者號在火星軌道上總共工作了九年，被認為是極成功的火星探測器。它的任務(wù)是拍攝火星全球地表的高分辨率圖像，探究火星的氣候和磁場，幫助科學(xué)家們更深入地了解火星上的水和沙塵。通過火星全球勘探者號發(fā)回的高清圖像，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)火星上存在著溝壑與泥石流，甚至從圖像對比中發(fā)現(xiàn)了看起來像是由水流沖刷而成的新溝壑?？茖W(xué)家們由此猜測，火星表面可能不僅曾經(jīng)存在過液態(tài)水，甚至現(xiàn)在還有液態(tài)水徑流存在。

同年發(fā)射的火星探路者號攜帶了旅居者號火星車（又名索杰納，以下簡稱旅居者號），這是人類送往火星的第一臺火星車。旅居者號的氣囊輔助著陸技術(shù)也為后來的火星車研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。而在旅居者號對它的著陸地（一個由古代洪水沖刷形成的488平方米的小島）做了詳盡的觀測后，傳回的照片展示了一片很可能是被水流沖擊過的圓形巖石區(qū)域?？茖W(xué)家們由此推測火星的山谷平原可能暴發(fā)過多次洪水，當時洪水可能有數(shù)百千米寬，水流量約為每秒100萬立方米。雖然在火星上尋找智慧生命的希望已經(jīng)完全破滅，但這些發(fā)現(xiàn)卻從側(cè)面證明了火星地表在過去可能也擁有溫暖濕潤、適合生命生存的環(huán)境。

火星全球勘探者號拍攝的徑流（圖片來源：NASA）

火星探測活躍期

2001年，NASA在沉寂數(shù)年后發(fā)射奧德賽號探測器（以下簡稱奧德賽號），重返火星。環(huán)繞火星飛行的奧德賽號對火星化學(xué)元素和礦藏分布進行了測繪，它對氫元素的測繪幫助科學(xué)家們預(yù)測出火星地表下存在的大量水冰的位置。后來，2007年發(fā)射的鳳凰號探測器專門前往火星北極點附近一個寬約50千米的淺灘尋找地下水冰，驗證了奧德賽號的探測結(jié)果，這也是人類首次通過探測器在地球之外獲得水冰樣本。奧德賽號后來成為NASA的一個通信中繼站，幫助后續(xù)探測器與地球保持聯(lián)系，至今仍在兢兢業(yè)業(yè)地工作著。

旅居者號的著陸地（圖片來源：NASA）

2003年，歐洲航天局（以下簡稱ESA）也加入火星探測的行列，它的第一個火星探測器——火星快車號成功升空，標志著人類進入火星探測的活躍期?；鹦强燔囂柊活w衛(wèi)星和一個著陸器。當年達爾文乘坐英國海軍的“小獵犬號”帆船進行了環(huán)球考察，為后來提出進化論奠定了基礎(chǔ)，因此科學(xué)家們希望著陸器也能幫助他們解答火星生命的相關(guān)問題，就把它命名為“小獵犬2號”。雖然“小獵犬2號”著陸器在降落時失蹤，火星快車號攜帶的衛(wèi)星卻取得了巨大的收獲，它在火星大氣層中辨認出甲烷，一些科學(xué)家認為這就是火星地底微生物進行生物反應(yīng)的產(chǎn)物。

同年，NASA開展了“火星探索巡視器雙生子計劃”，發(fā)射了著名的勇氣號和機遇號火星車。原本這兩個小家伙的設(shè)計壽命只有三個月，但它們卻在火星上頑強地生存了數(shù)年，創(chuàng)造了無數(shù)個奇跡。勇氣號在它的著陸地——古謝夫環(huán)形山處對附近的巖石進行了鉆孔采樣，通過分析其中的礦物成分，從側(cè)面驗證了火星上曾經(jīng)存在過液態(tài)水的結(jié)論。勇氣號在陷入一片松軟的沙土地時，為了脫困，輪子在向下深挖時碰巧挖出了一種鹽。在地球上，這種鹽可以在溫泉與火山巖相互作用后形成，這也證明了火星曾擁有溫暖濕潤的地表。2011年，右前輪故障、深陷軟土兩年的勇氣號，因獲取不到足夠的太陽能而長眠于火星。

鳳凰號挖出的水冰（圖片來源：NASA）

與歷盡艱險的勇氣號相比，機遇號就幸運得多了。在著陸于鷹環(huán)形山時，一落地它就發(fā)現(xiàn)了一種藍色小球。這種巖石是一種赤鐵礦，被認為是在以前富有水的土壤中形成的。在行駛到奮進撞擊坑坑口時，機遇號還發(fā)現(xiàn)了地下水流過的白色石膏紋路和在水中形成的黏土，有力地證明了火星曾經(jīng)擁有濕熱環(huán)境。

2019年2月14日，NASA最后一次與機遇號聯(lián)系失敗后，宣布結(jié)束機遇號的使命。在15個春秋中，它走過了45.16千米，最后因為遭遇巨大沙塵暴，電能耗盡而在火星上永久沉睡。

勇氣號與機遇號都經(jīng)歷過無數(shù)次的險情，每次遇險，團隊成員都做好了與它們告別的準備，但幸運的是幾乎每次它們都能化險為夷。勇氣號和機遇號不僅給人類展現(xiàn)了火星的高山深淵、日出日落美景，也尋找到了火星曾經(jīng)存在液態(tài)水的有力證據(jù)，為尋找火星生命甚至為未來人類移居打下了堅實的基礎(chǔ)。

勇氣號拍攝的火星藍色落日（圖片來源：NASA）

2013年，美國發(fā)射了第四臺火星車——好奇號，這也是世界上第一臺采用核動力驅(qū)動的火星車。好奇號比之前的火星車大了不少，攜帶的精密儀器也更多，是NASA專門為天體生物實驗打造的火星實驗室。它在火星上除了通過對礦物的分析找到了古河床和湖泊遺跡外，還探測到火星土壤的水含量。好奇號利用其攜帶的樣本分析儀，將獲得的火星土壤樣本加熱到835℃，獲得了一定量的水。研究人員說：“現(xiàn)在我們知道火星上應(yīng)該有豐富的、可輕易獲得的水?！边@或許也意味著火星上有足夠的水供未來移居火星的人類使用。

好奇號在行駛過程中發(fā)現(xiàn)火星上某地甲烷含量突然飆升，但這些甲烷究竟來自微生物還是化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)在仍未有定論。好奇號至今仍在火星上工作，它擴大了人類對火星的探索領(lǐng)域，除了搜集液態(tài)水存在的證據(jù)外，它還將對火星氣候及地質(zhì)情況進行評估，為人類探索甚至移居火星做好準備。

機遇號火星車（圖片來源：NASA）

除了美國，其他國家也在積極開展火星探測。2013年，印度首個火星探測器曼加里安號成功發(fā)射升空，使印度成為全世界繼美國、蘇聯(lián)和歐洲航天局后，第四個成功完成火星探測的國家或組織。中國、俄羅斯、阿聯(lián)酋也將相繼發(fā)射多個火星探測器，為人類探測火星做出新的貢獻。

2020年，我國首個火星探測器“天問一號”將“搭乘”長征五號運載火箭奔赴火星，這項火星探測任務(wù)將成為我國火星探測任務(wù)和行星探測任務(wù)的起點。天問一號探測器（以下簡稱天問一號）所攜帶的環(huán)繞器、著陸器和巡視器，將會幫助它在探測火星的過程中一次性完成“繞”“落”“巡”三大任務(wù)。在天問一號抵達火星軌道后，著陸器預(yù)計將降落在火星的赤道地區(qū)，它可以在降落時緩沖、保護其中的巡視器。安全著陸后的巡視器，將會與留在火星軌道上提供中繼和遙感探測服務(wù)的環(huán)繞器一起，對火星的地形地貌、表面物質(zhì)、地下水冰等情況進行勘測。未來可以預(yù)見的是，火星依舊是地外生命學(xué)和天體生物學(xué)的主要研究對象，而且數(shù)十年內(nèi)火星探測的主題也依舊是“液態(tài)水”。

中國的天問一號

回看人類探測火星的歷程，一路坎坷，發(fā)射探測器的成功率只有50%左右。但無論如何，只要人類的好奇心不死、勇氣不滅，就一定能等來叩開真理大門的機遇。