火星我們來了

馮華　劉詩(shī)瑤

2020年7月23日12時(shí)41分，用長(zhǎng)征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭將我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)“天問一號(hào)”探測(cè)器發(fā)射升空。新華社記者才揚(yáng)攝

7月23日，我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)“天問一號(hào)”在中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)踏上征程，中國(guó)人離探索火星的夢(mèng)想更近一步。

早在2300多年前，詩(shī)人屈原就用一首長(zhǎng)詩(shī)《天問》，發(fā)出了對(duì)宇宙洪荒、天地自然的疑問?！叭赵掳矊?？列星安陳？”盡管現(xiàn)代天文學(xué)已經(jīng)可以非常精確地回答這一問題——太陽(yáng)系的引力維系著八大行星繞其公轉(zhuǎn)，然而關(guān)于生命、人類、太陽(yáng)系乃至宇宙的起源，還有太多的未解之謎。

這也是中國(guó)行星探測(cè)任務(wù)“天問”的名字來源，“天問一號(hào)”任務(wù)的目的地瞄準(zhǔn)火星，它的成功發(fā)射拉開了向更遙遠(yuǎn)的宇宙深處探尋的序幕。

火星和地球的諸多相似處

作為太陽(yáng)系里與地球最為相似且距離較近的行星，從古至今，人們都對(duì)這顆星球有著無限遐想。

從地球上仰望星空，火星仿佛是夜空里的一簇火光。它的運(yùn)行軌跡復(fù)雜多變，看起來忽明忽暗、忽大忽小，令觀者迷惑，因此火星最早被賦予的中文名字叫“熒惑”。其中“熒”代指火星表面發(fā)射的紅光;“惑”則出于古人對(duì)火星運(yùn)行缺乏規(guī)律而感到的困惑。

火星為什么看起來是紅色的？中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員鄭永春說，這是因?yàn)榛鹦潜砻嬗屑t色的赤鐵礦，呈現(xiàn)出橘紅色。另一個(gè)原因則是沙塵暴造成的?；鹦巧巷L(fēng)力很大，會(huì)引發(fā)猛烈的沙塵暴，一來就幾乎席卷整個(gè)星球表面，持續(xù)多月不停，還充斥著扶搖直上的龍卷風(fēng)。當(dāng)揚(yáng)起的沙塵覆蓋火星，遮住了原本灰褐色的沙粒和石塊，就造成了“紅色星球”的錯(cuò)覺。

地球是太陽(yáng)系的第三顆行星，火星則位于地球的外側(cè)，是太陽(yáng)系的第四顆行星。因?yàn)樽匀画h(huán)境與地球相似，火星又被稱作地球的“姊妹星”。實(shí)際上，地球要比火星大得多。地球半徑是6378公里，火星半徑僅為3398公里，大致是地球的一半，體積則是地球的1/7。火星的表面積，與地球的陸地面積差不多。

假如站在火星表面，會(huì)發(fā)現(xiàn)這里的地形地貌與地球非常相似。事實(shí)上，作為類地行星，火星同樣具備核、幔、殼等內(nèi)部構(gòu)造。人們習(xí)慣用“荒漠行星”來形容它的形狀，這里分布著高原、平原、峽谷和火山。其中高于1萬米的大山就有好幾座，最高峰奧林匹斯山高達(dá)2萬米左右，是珠穆朗瑪峰高度的2倍多。還有一個(gè)水手大峽谷，長(zhǎng)度相當(dāng)于橫貫中國(guó)東西部。

火星上也有四季更替。只不過，如果用地球日來?yè)Q算的話，火星上一年大約有23個(gè)月。這是因?yàn)榈厍颦h(huán)繞太陽(yáng)一周需要約365天，火星繞太陽(yáng)一周則為687天。鄭永春說，如果在火星上過日子的話，每天的晝夜長(zhǎng)短跟地球上差不多，火星的一天是24小時(shí)39分35秒，比地球長(zhǎng)了近40分鐘。

“東西方在古代一直賦予金星很多美好的想象，但實(shí)際上，金星的表面非常灼熱，溫度高達(dá)465～485攝氏度。反而是曾長(zhǎng)期被認(rèn)為‘災(zāi)難、不吉的火星，隨著科學(xué)認(rèn)知的加深，逐漸發(fā)現(xiàn)它與地球有太多相似之處?！编嵱来赫f。

像地球一樣，火星也有大氣，可惜密度僅為地球的1%，約相當(dāng)于地球上33千米高處的大氣密度，極為稀薄，成分以二氧化碳為主。對(duì)于喜歡看云的人來說，到火星上恐怕會(huì)失望。鄭永春說，火星的天空大多數(shù)萬里無云，偶爾會(huì)有云層出現(xiàn)，但是顏色偏白、厚度較薄，像我們熟悉的地球卷云。

火星表面的重力約為地球表面的0.38，沒有全球性的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度只有地球的1%。

事實(shí)上，人們對(duì)這顆紅色星球格外青睞的重要原因，是在這里發(fā)現(xiàn)了有水存在的明確證據(jù)。有水，就代表著生命存在的可能。根據(jù)航天器的探測(cè)結(jié)果，清晰可知火星擁有海岸線和湖泊的遺跡、干涸的河道、沖積扇等流水地貌，這些都表明火星在歷史上曾經(jīng)有大規(guī)模的液態(tài)水。目前，盡管沒有探測(cè)器發(fā)現(xiàn)肉眼可見的液態(tài)水，但在火星地下已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了鹽度極高的鹵水。2018年，有科學(xué)家宣布在火星南極冰蓋下發(fā)現(xiàn)了鹽水湖存在的證據(jù)。

正是由于火星與地球的諸多相似之處，火星一直是人類心中的“熱門星球”，引發(fā)著人類對(duì)地外生命的熱烈猜想。

“世界各國(guó)的行星探測(cè)大致聚焦于這幾個(gè)問題：太陽(yáng)系的起源與演化，生命的起源與演化，地外生命信息的探尋等。這也是行星探測(cè)試圖回答的問題，即我們從哪里來，又將到哪里去。通過行星探測(cè)，人們?cè)噲D找到人類、太陽(yáng)系乃至宇宙的起源與演化的奧秘。生命的出現(xiàn)是必然還是偶然？我們能否在其他的星球尤其是跟地球類似的火星上，尋找到生命起源的證據(jù)？這些都是科學(xué)界非常關(guān)注的重大問題。”國(guó)家航天局探月與航天工程中心深空部部長(zhǎng)耿言說。

火星，到底是地球的過去，還是地球的未來？這在科學(xué)界尚無定論，但毫無疑問，對(duì)火星的持續(xù)研究將加深人類對(duì)地球生命起源和演化的理解。

火星探測(cè)幾乎貫穿人類航天史

對(duì)火星了解越深入，人們對(duì)它就越感興趣?；鹦堑摹盎馃帷保梢詮慕y(tǒng)計(jì)數(shù)字上充分感受到。在行星探測(cè)史上，火星屬于歷史最久、持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的探測(cè)目標(biāo)，是除地球以外人類研究程度最高的行星。

從20世紀(jì)60年代人類首次開展火星探測(cè)開始，截至今年6月底，人類已進(jìn)行40多次火星探測(cè)活動(dòng)。

專家介紹，火星探測(cè)大約分為3個(gè)階段，幾乎貫穿整個(gè)人類航天史。

第一階段是早期的飛越探測(cè)，時(shí)間跨度為1960—1970年。這一階段國(guó)際深空探測(cè)剛剛起步，相關(guān)國(guó)家主要以火星飛越探測(cè)、傳送火星圖片與探測(cè)大氣參數(shù)為主，但探測(cè)任務(wù)成功率并不高，僅有一例成功完成任務(wù)。

第二階段是初步了解火星表面，時(shí)間跨度為1970—1990年。上世紀(jì)70年代初期，美蘇重新展開火星探測(cè)活動(dòng)，以軌道環(huán)繞與著陸探測(cè)為主，主要任務(wù)包括傳輸圖像、探測(cè)大氣、磁場(chǎng)、地表溫度等。此后，兩國(guó)對(duì)于深空探測(cè)的投入減小。

第三階段則是探尋火星生命跡象，從1990年至今。迅猛發(fā)展的科學(xué)技術(shù)催生了火星探測(cè)的新熱潮。多個(gè)國(guó)家加入探測(cè)行列，成功率也大幅增長(zhǎng)?；鹦翘綔y(cè)活動(dòng)的探測(cè)方式主要為著陸和巡視探測(cè)，主要目標(biāo)是尋找火星水存在的證據(jù)和生命跡象。其間發(fā)射過“火星快車”“勇氣號(hào)”“機(jī)遇號(hào)”和“好奇號(hào)”等多顆探測(cè)器，成功找到了火星水存在的證據(jù)。

專家介紹，通過3個(gè)階段的積累，人類對(duì)火星的探測(cè)主要分為以下4種方式：

飛越。探測(cè)器能夠在火星附近快速掠過，用極短的時(shí)間抓住一切可能記錄的有用數(shù)據(jù)。這是早期開展火星探測(cè)的主要形式，當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平還難以讓探測(cè)器制動(dòng)減速留在環(huán)繞火星軌道。

環(huán)繞。探測(cè)器依靠自身動(dòng)力制動(dòng)進(jìn)入環(huán)繞火星的軌道，“變身”為火星的人造衛(wèi)星。

著陸。著陸系統(tǒng)降落在火星表面。這個(gè)環(huán)節(jié)難度很大，需要著陸系統(tǒng)完全自主導(dǎo)航控制。

巡視。通俗意義上講，火星車就是巡視器，它到處移動(dòng)，邊走邊看，能在不同地點(diǎn)進(jìn)行多方面精細(xì)考察。

在實(shí)現(xiàn)這些探測(cè)任務(wù)后，一些國(guó)家下一步的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)火星取樣返回。由探測(cè)器從火星上采集巖石和土壤，并帶回地球。

在60多年的火星探測(cè)史中，涌現(xiàn)出不少里程碑式的任務(wù)。目前，仍在火星上鍥而不舍工作的，共有6個(gè)軌道器，以及美國(guó)發(fā)射于2011年的“好奇號(hào)”火星車和2018年發(fā)射的“洞察號(hào)”著陸器。

特殊環(huán)境為火星探測(cè)帶來巨大挑戰(zhàn)

最近5500萬公里、最遠(yuǎn)4億公里的距離，決定了火星探測(cè)并不輕松。截至2020年6月底，人類進(jìn)行的40多次火星探測(cè)任務(wù)中，完全成功的探測(cè)任務(wù)只有19次，成功率約43%。即使算上部分成功的，也僅僅只有23次，成功率約53%。

中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)總設(shè)計(jì)師張榮橋表示，盡管人類在月球探測(cè)方面積累了一定經(jīng)驗(yàn)，在火星面前仍是一個(gè)不折不扣的“新手”，全新的環(huán)境、全新的技術(shù)，都帶來全新的考驗(yàn)。

“火星是一個(gè)全新的環(huán)境，即使前期掌握了一些資料，但科學(xué)家的認(rèn)識(shí)可能還不夠深刻，需要反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)和推導(dǎo)?！编嵱来航榻B，以火星的地表環(huán)境為例，紅色沙礫中含有的氧化劑、氧化鐵、高氯酸鹽等成分，以及太陽(yáng)風(fēng)、紫外線、宇宙射線等，對(duì)航天器傷害很大?；鹦堑拇髿庀”∏掖嬖诤艽蟮牟淮_定性，這無疑給著陸火星增加了難度。

火星光照特殊，也給探測(cè)器的能源供給出了難題。同樣面積下，火星接收太陽(yáng)光的能量只有月球表面的40%。探測(cè)器想要正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需要增加一些特殊設(shè)計(jì)。太陽(yáng)翼面積需要更大更靈活，大致相當(dāng)于放置月球上的太陽(yáng)翼的2～3倍，還要具備雙軸驅(qū)動(dòng)能力，時(shí)時(shí)刻刻追著太陽(yáng)走。

火星和地球的遠(yuǎn)距離，還影響了無線電信號(hào)接收?！盎鹦蔷嚯x地球最遠(yuǎn)時(shí)有4億公里，從地面上向火星探測(cè)器發(fā)布一道指令，探測(cè)器要在23分鐘以后才能執(zhí)行，這種巨大的延時(shí)為測(cè)控帶來阻礙。只有采用更大口徑的天線、實(shí)現(xiàn)更大的發(fā)射功率，才能盡可能降低這種不便?！惫⒀哉f。

火星的重力不一樣，這種特殊的動(dòng)力特性給探測(cè)器的建造帶來挑戰(zhàn)，對(duì)火星車體輪系的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、驅(qū)動(dòng)力都提出了新要求。

圖 航天科技集團(tuán)五院

荒漠行星也是希望之星

挑選晴朗的一天，靜待太陽(yáng)下山，在萬家燈火尚未點(diǎn)亮之際，選擇一處開闊地，伴隨著徐徐晚風(fēng)，點(diǎn)開手機(jī)上的認(rèn)星軟件，對(duì)準(zhǔn)夜空，根據(jù)指引就能發(fā)現(xiàn)火星的位置。這是一個(gè)普通人用肉眼觀測(cè)火星的快捷方法。

科幻小說和電影中，火星絕對(duì)是大熱門元素。“在火星上開荒種土豆”“在火星建造地下基地”“將火星作為跳板躍至更深宇宙”，一部部壯闊震撼的作品散發(fā)著經(jīng)久不衰的魅力，不光展示著目前相對(duì)成熟或能夠預(yù)見的科學(xué)技術(shù)，還勾勒出人類對(duì)火星的各式幻想，不斷加深著人們的好奇和向往。

在北京CBD區(qū)域寸土寸金的商圈內(nèi)，一家知名商場(chǎng)專門辟出一片科技味十足的火星展廳。紅色的沙礫土石上，白色的火星車揮舞著長(zhǎng)長(zhǎng)的機(jī)械臂，正在進(jìn)行采樣收集工作，不遠(yuǎn)處則是一片火星營(yíng)地。這里圍繞“數(shù)字、模擬、未來”為主題，向游客講述了“火星歷史”和“移民到火星”等故事。光怪陸離的星石、臆想的火星人造型、逼真的太空?qǐng)鼍埃囆g(shù)和科技交織融合，引領(lǐng)人們沉浸于“火星之旅”。專門來這里“打卡”的人們一邊拍照、一邊贊嘆：“火星真的是這樣子嗎？有一天我們真的能去火星嗎？這也太酷了吧！”

類似兼具旅游和科普意味的“火星營(yíng)地”還有很多。鄭永春介紹，地球上有不少和火星地貌相像的地區(qū)。例如我國(guó)青海西北角、柴達(dá)木盆地腹地，依托俄博梁雅丹地貌，興建了冷湖火星研學(xué)營(yíng)地。在約旦西南部，有一座名為“月谷”的酒紅色山谷，曾是火星科幻電影的拍攝地?！耙恍┑貐^(qū)不僅僅是外觀與火星相似，它們荒漠的地貌特征，分布的河流、湖泊干涸的沉積物等，有助于開展火星和地球的環(huán)境對(duì)比研究，根據(jù)對(duì)地球環(huán)境演變的認(rèn)識(shí)反推對(duì)火星的了解?！?/p>

火星這顆荒漠行星，也是希望之星。無論從火星身上發(fā)掘出何種奧秘，人類都能從探測(cè)中獲得對(duì)自身命運(yùn)的啟示。倘若地球氣候巨變、生物受到嚴(yán)重威脅，人類將何去何從？火星是否會(huì)是人類最后的避難所？這些思考始終縈繞在人們心頭。

專家認(rèn)為，現(xiàn)有開展的一系列圍繞火星的活動(dòng)，都在潛移默化地培養(yǎng)著公眾對(duì)火星的感情。這種對(duì)火星的好奇和向往，反過來深深影響著人類對(duì)自然科學(xué)、人文科學(xué)等重大命題的思索。

◎ 來源|人民日?qǐng)?bào)