“天問一號(hào)”開啟火星之旅

□文/馬小可

2020年7月23日，“天問一號(hào)”火星探測(cè)器在中國海南文昌航天發(fā)射場由長征五號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射升空，并于2021年2月10日成功踏入環(huán)火軌道，目前還在軌道上繞行，預(yù)計(jì)繞行時(shí)間將在3個(gè)月左右，需找到合適的機(jī)會(huì)才能成功著陸火星。在完成著陸任務(wù)的前夕，“天問一號(hào)”還會(huì)進(jìn)行一系列的軌道調(diào)整，為下一步的著陸做好準(zhǔn)備。

只有一次機(jī)會(huì)的著陸

“天問一號(hào)”由環(huán)繞器、著陸器和巡視器組成，總質(zhì)量達(dá)到5噸左右。要想成功完成著陸，面對(duì)的挑戰(zhàn)也非常大。火星有著類似地球的四季交替，在火星上的一天幾乎與地球上的一樣長，火星與地球的諸多相似點(diǎn)吸引人類不斷發(fā)射探測(cè)器去了解火星。人類探測(cè)火星起步于20世紀(jì)60年代，2020年之前共實(shí)施了44次火星探測(cè)任務(wù)，只有8次成功著陸，成功率僅為18%，因此火星也被譽(yù)為“太陽系中的珠穆朗瑪峰”。

由于地球與火星的距離相當(dāng)遠(yuǎn)，從火星傳信息到地球地面控制站有很大的時(shí)延，所以無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。在失去地面監(jiān)控的情況下，“天問一號(hào)”只能依靠自身的傳感器和預(yù)設(shè)程序完成進(jìn)入、減速、軟著陸這一系列動(dòng)作，而且這個(gè)機(jī)會(huì)只有一次。除了抓住轉(zhuǎn)瞬即逝的機(jī)會(huì)外，“天問一號(hào)”還面臨一個(gè)很大的難題，那就是進(jìn)入火星大氣層后的減速問題?！疤靻栆惶?hào)”必須在短短的7分鐘內(nèi)將很高的速度降下來，而火星上的大氣密度僅為地球的1/100，要想短時(shí)間內(nèi)完成減速動(dòng)作極不容易。所以，在降落過程中必須用到大氣減速、氣動(dòng)減速、降落傘減速與反推發(fā)動(dòng)機(jī)減速四種方式，最后依靠著陸腿軟著陸到火星表面。因此，這7分鐘也被稱為“恐怖7分鐘”。

走完這艱難的7分鐘，完成軟著陸后，“天問一號(hào)”還需要把火星車釋放到火星表面上，讓它走起來并開展探測(cè)，才算真正完成了“繞、落、巡”三步任務(wù)。另外，選擇的落地點(diǎn)不夠平坦，或者著陸的姿勢(shì)不夠正，火星車便不好開下去，這也有可能成為一道不小的坎兒。

知識(shí)鏈接：

人類情有獨(dú)鐘的星球

在人類對(duì)太陽系的探索歷史上，火星總是給人無限期待與遐想。其實(shí)，人類對(duì)火星情有獨(dú)鐘已有數(shù)千年。自從天文學(xué)家把目光轉(zhuǎn)向夜空中這顆發(fā)亮的行星開始，人類就一直在想象火星上是否存在著生命。這個(gè)看似簡單的問題，卻在幾千年來一直深深地抓住了科學(xué)家和天文迷的好奇心。隨著飛行器、登陸器對(duì)火星過去和現(xiàn)在疑似存在的生命過程進(jìn)行的探測(cè)、測(cè)試越來越復(fù)雜，包括測(cè)試火星土壤以尋找水的痕跡以及二氧化碳、甲烷和氧等氣體的釋放（這可能暗示細(xì)菌生命），科學(xué)家對(duì)這個(gè)問題依然沒有確定答案。已經(jīng)有足夠證據(jù)表明，幾十億年前的火星環(huán)境能支持微生物生存。從地球上看去，火星上的地貌特征哪怕使用最好的望遠(yuǎn)鏡也很難分辨?；鹦巧嫌邪瞪兔髁羺^(qū)域，以及極地冰蓋，但只有環(huán)繞火星的軌道器才能提供火星地貌的清晰圖像。因此，早期天文學(xué)家對(duì)火星觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行錯(cuò)誤解讀或添油加醋就情有可原。對(duì)于那時(shí)巡天的科學(xué)家來說，他們眼中的火星與今天人們對(duì)火星的認(rèn)識(shí)大相徑庭。

“天問一號(hào)”登陸火星模擬圖

1877年，意大利天文學(xué)家喬凡尼·斯基亞帕雷利成為第一個(gè)為火星繪制地圖的人。他畫的火星地圖上顯示了一個(gè)運(yùn)河體系。1910年，美國天文學(xué)家帕西瓦爾·洛威爾對(duì)火星進(jìn)行了一系列觀測(cè)，并且寫了一本書。在此書中，洛威爾把火星描述成一顆瀕死的行星，那里的文明建造了一個(gè)巨大的運(yùn)河網(wǎng)，把水從火星極地輸送到河岸上的各個(gè)植物園。

盡管洛威爾的書引發(fā)了公眾的想象力，可當(dāng)時(shí)的科學(xué)界卻立即摒棄了他的說法，這是因?yàn)樗挠^測(cè)結(jié)果并未被證實(shí)。然而，洛威爾的著作激發(fā)了一代又一代科幻作家的創(chuàng)作熱情，好萊塢也拍攝了大量火星題材的電影來火上澆油。

“毅力號(hào)”火星探測(cè)器

在火星上看藍(lán)色日落

與一直被云霧籠罩的地球近鄰金星不同，紅色的火星總是吸引人去猜測(cè)和探索。火星的另一個(gè)名字是“紅色行星”。當(dāng)火星又亮又靠近地球時(shí)，在夜空中，它看上去就像是一顆亮紅色的星。在羅馬神話中，火星的發(fā)音“馬爾斯”是指戰(zhàn)爭之神，這讓人聯(lián)想到血。甚至就連在飛船上拍攝的照片中，火星也是鐵銹紅色的。這種色彩來自一個(gè)事實(shí):火星表面的確呈現(xiàn)鐵銹色，因?yàn)榛鹦潜砻娓缓趸F。把鐵放在雨中，它就會(huì)被鐵銹覆蓋，原因是空氣中的氧和水與金屬中的鐵反應(yīng)，生成了一層氧化鐵的膜。

火星的氧化鐵一定是形成于很久以前，當(dāng)時(shí)的火星有很多的液態(tài)水。這種鐵銹色材料在塵埃云中被輸送到火星全球，最終覆蓋全球。事實(shí)上，今天火星上的沙塵暴可席卷全球，塵埃也因此會(huì)到全球。但如果近看火星表面，你會(huì)發(fā)現(xiàn)火星土壤真是色彩紛呈：一些地區(qū)看起來是明亮的紅色，另一些看起來卻是灰色甚至黑色。但把這些顏色平均起來，火星就是人們所熟悉的紅色。

如果你向下挖掘，就會(huì)發(fā)掘到火星表面氧化層下面的巖石和塵土。如果你能站在火星表面望四周，會(huì)看到火星天空是什么顏色呢？幸運(yùn)的是，美國國家航空航天局的“好奇號(hào)”火星車搭有一部全色彩相機(jī)，它看見了差不多是人眼看見的景象：火星的天空也是紅色的。地球天空的藍(lán)色是因?yàn)槿鹄⑸洹{(lán)光被地球大氣層散射，因此藍(lán)光看起來似乎來自所有方向。而在火星上，情況正好相反?；鹦谴髿庵械膲m埃散射紅光，使得天空呈現(xiàn)紅色。但這里還有一個(gè)奇異部分，在火星上的落日看起來是藍(lán)色的。之所以是藍(lán)色，因?yàn)榛鹦菈m埃吸收紅光并使之偏轉(zhuǎn)，所以看起來更多藍(lán)光從太陽方向流過來。如果能在火星表面親眼看見火星上的落日，那肯定會(huì)是一大奇觀。希望未來可以有人一飽這樣的眼福。

迎來探索新時(shí)代

2021年2月19日凌晨4點(diǎn)55分，“毅力號(hào)”在火星杰澤羅隕石坑內(nèi)以壯觀的“空中起重機(jī)”方式安全著陸。3月4日，“毅力號(hào)”完成首次火星行駛，留下專屬印跡 。接下來的幾個(gè)月，我國的“天問一號(hào)”也要登陸火星。

2021年的短短幾個(gè)月內(nèi)，兩個(gè)探測(cè)器接連抵達(dá)火星，這在對(duì)同一個(gè)天體的探測(cè)方面堪稱十分罕見。那么，為什么火星會(huì)得到如此禮遇？火星是距離太陽第四近的行星，火星與太陽的平均距離為2.28億千米，火星赤道直徑為6 790千米。現(xiàn)在的火星寒冷、多塵埃而且干燥，但以往的火星很可能并非總這樣。大量數(shù)據(jù)顯示，在過去某個(gè)時(shí)期，火星表面也像地球一樣液態(tài)水洶涌，其形式包括湖泊、河流甚至海洋?；鹦谴髿鈱又斜惶綔y(cè)到存在微量甲烷，其來源未知。在地球上，大多數(shù)甲烷是由生物制造的，這似乎預(yù)示著火星上也可能曾經(jīng)存在過生物。

至今沒有人去過火星，因此有關(guān)火星在46億年前起源的最好信息來自由軌道器和登陸器拍攝的火星圖像、火星隕石，以及與水星、金星、地球和月球的數(shù)據(jù)對(duì)比?，F(xiàn)有的火星成因理論是：火星形成于早期太陽系中小天體的凝集或吸積；然而，與地球和金星不同，火星形成過程在開始后的400萬年內(nèi)就結(jié)束了，因此火星沒有超越行星胚胎階段；可能的情況是，鋁-26衰變把火星轉(zhuǎn)變成了一個(gè)巖漿海洋；火星冷卻后，經(jīng)歷了一段時(shí)期的隕星密集轟炸；熾熱的火星地幔上涌，導(dǎo)致部分地殼上翹；一個(gè)或多個(gè)的火山強(qiáng)烈活動(dòng)期，以及接踵而至的熔巖流；火星最終冷卻，大氣層變得稀薄。

火星是通過早期太陽系小天體的吸積形成的，這一過程歷時(shí)200萬～400萬年?；鹦巧L并發(fā)展出了一個(gè)較大的引力場，它吸引了更多天體。這些天體墜向火星，撞擊生熱。一些模型暗示，如此加熱并不足以引起火星上大規(guī)模的熔化。一種可能性是，因?yàn)榛鹦堑男纬蛇^程短暫，它可能吞噬了足夠多的鋁-26核素(其半衰期只有71.7萬年)，因而從放射性衰變中熔化。這些熔化的材料逐漸分類，形成核、幔和殼。冷卻過程中釋放的氣體，形成火星上的原始大氣層。

但是，隨著胚胎行星在太陽系的混沌早期形成，火星沒能松口氣。它被太陽系的隕星猛烈轟炸，形成遍布火星表面的隕擊坑和多環(huán)盆地，例如位于火星南半球、直徑達(dá)2 800千米的赫拉斯盆地(實(shí)際上是一個(gè)巨型隕擊坑)。一些地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為，一次巨型碰撞導(dǎo)致了火星北半球的地殼變薄。類似的碰撞也發(fā)生在了當(dāng)時(shí)的地球和月球上。在地球上，這些隕擊坑被風(fēng)和水侵蝕而逐漸消失。但在月球上，這些大碰撞的證據(jù)至今可見。

至于火星上的大氣，它可能被太陽風(fēng)強(qiáng)勁襲擊過。地球的磁場保護(hù)我們免遭太陽風(fēng)蹂躪，但火星磁場在大約40億年前關(guān)閉，很可能是因?yàn)橐幌盗写筚|(zhì)量小行星的撞擊消滅了驅(qū)動(dòng)行星發(fā)電機(jī)的溫度梯度。不過，上述有關(guān)火星起源的理論尚需更多數(shù)據(jù)來支撐。

在過去某個(gè)時(shí)期，火星表面也像地球一樣液態(tài)水洶涌，其形式包括湖泊、河流甚至海洋