“天問一號”踏上征程

火星,我們來了(深度觀察)

本報記者 馮 華 劉詩瑤

2020年07月27日09:47  來源:人民網-人民日報
 

  “天問一號”探測器示意圖。國家航天局供圖

  “天問一號”探測器的火星車示意圖。國家航天局供圖

  7月23日,我國首次火星探測任務“天問一號”在中國文昌航天發射場踏上征程,中國人離探索火星的夢想更進一步。

  早在2300多年前,詩人屈原就用一首長詩《天問》,發出了對宇宙洪荒、天地自然的疑問。“日月安屬?列星安陳?”盡管現代天文學已經可以非常精確地回答這一問題——太陽系的引力維系著八大行星繞其公轉,然而關於生命、人類、太陽系乃至宇宙的起源,還有太多的未解之謎。

  這也是中國行星探測任務“天問”的名字來源,“天問一號”任務的目的地瞄准火星,它的成功發射拉開了向更遙遠的宇宙深處探尋的序幕。

  火星和地球的諸多相似,引發著人類對地外生命的熱烈猜想

  作為太陽系裡與地球最為相似且距離較近的行星,從古至今,人們都對這顆星球有著無限遐想。

  從地球上仰望星空,火星仿佛是夜空裡的一簇火光。它的運行軌跡復雜多變,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”代指火星表面發射的紅光﹔“惑”則出於古人對火星運行缺乏規律而感到的困惑。

  火星為什麼看起來是紅色的?中國科學院國家天文台研究員鄭永春說,這是因為火星表面有紅色的赤鐵礦,呈現出橘紅色。另一個原因則是沙塵暴造成的。火星上風力很大,會引發猛烈的沙塵暴,一來就幾乎席卷整個星球表面,持續多月不停,還充斥著扶搖直上的龍卷風。當揚起的沙塵覆蓋火星,遮住了原本灰褐色的沙粒和石塊,就造成了“紅色星球”的錯覺。

  地球是太陽系的第三顆行星,火星則位於地球的外側,是太陽系的第四顆行星。因為自然環境與地球相似,火星又被稱作地球的“姊妹星”。實際上,地球要比火星大得多。地球半徑是6378公裡,火星半徑僅為3398公裡,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,會發現這裡的地形地貌與地球非常相似。事實上,作為類地行星,火星同樣具備核、幔、殼等內部構造。人們習慣用“荒漠行星”來形容它的形狀,這裡分布著高原、平原、峽谷和火山。其中高於1萬米的大山就有好幾座,最高峰奧林匹斯山高達2萬米左右,是珠穆朗瑪峰高度的2倍多。還有一個水手大峽谷,長度相當於橫貫中國東西部。

  火星上也有四季更替。隻不過,如果用地球日來換算的話,火星上一年大約有23個月。這是因為地球環繞太陽一周需要約365天,火星繞太陽一周則為687天。鄭永春說,如果在火星上過日子的話,每天的晝夜長短跟地球上差不多,火星的一天是24小時39分35秒,比地球長了近40分鐘。

  “東西方在古代一直賦予金星很多美好的想象,但實際上,金星的表面非常灼熱,溫度高達465—485攝氏度。反而是曾長期被認為‘災難’、不吉的火星,隨著科學認知的加深,逐漸發現它與地球有太多相似之處。”鄭永春說。

  像地球一樣,火星也有大氣,可惜密度僅為地球的1%,約相當於地球上33千米高處的大氣密度,極為稀薄,成分以二氧化碳為主。對於喜歡看雲的人來說,到火星上恐怕會失望。鄭永春說,火星的天空大多數萬裡無雲,偶爾會有雲層出現,但是顏色偏白、厚度較薄,像我們熟悉的地球卷雲。

  火星表面的重力約為地球表面的0.38,沒有全球性的磁場,磁場強度隻有地球的1%。

  事實上,人們對這顆紅色星球格外青睞的重要原因,是在這裡發現了有水存在的明確証據。有水,就代表著生命存在的可能。根據航天器的探測結果,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有大規模的液態水。目前,盡管沒有探測器發現肉眼可見的液態水,但在火星地下已經發現了鹽度極高的鹵水。2018年,有科學家宣布在火星南極冰蓋下發現了鹽水湖存在的証據。

  正是由於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”,引發著人類對地外生命的熱烈猜想。

  “世界各國的行星探測大致聚焦於這幾個問題:太陽系的起源與演化,生命的起源與演化,地外生命信息的探尋等。這也是行星探測試圖回答的問題,即我們從哪裡來,又將到哪裡去。通過行星探測,人們試圖找到人類、太陽系乃至宇宙的起源與演化的奧秘。生命的出現是必然還是偶然?我們能否在其他的星球尤其是跟地球類似的火星上,尋找到生命起源的証據?這些都是科學界非常關注的重大問題。”國家航天局探月與航天工程中心深空部部長耿言說。

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

  火星探測迄今為止可分為三個階段,幾乎貫穿整個人類航天史

  對火星了解越深入,人們對它就越感興趣。火星的“火熱”,可以從統計數字上充分感受到。在行星探測史上,火星屬於歷史最久、持續時間最長的探測目標,是除地球以外人類研究程度最高的行星。

  從20世紀60年代人類首次開展火星探測開始,截至今年6月底,人類已進行40多次火星探測活動。

  專家介紹,火星探測大約分為3個階段,幾乎貫穿整個人類航天史。

  第一階段是早期的飛越探測,時間跨度為1960—1970年。這一階段國際深空探測剛剛起步,相關國家主要以火星飛越探測、傳送火星圖片與探測大氣參數為主,但探測任務成功率並不高,僅有一例成功完成任務。

  第二階段是初步了解火星表面,時間跨度為1970—1990年。上世紀70年代初期,美蘇重新展開火星探測活動,以軌道環繞與著陸探測為主,主要任務包括傳輸圖像、探測大氣、磁場、地表溫度等。此后,兩國對於深空探測的投入減小。

  第三階段則是探尋火星生命跡象,從1990年至今。迅猛發展的科學技術催生了火星探測的新熱潮。多個國家加入探測行列,成功率也大幅增長。火星探測活動的探測方式主要為著陸和巡視探測,主要目標是尋找火星水存在的証據和生命跡象。其間發射過“火星快車”“勇氣號”“機遇號”和“好奇號”等多顆探測器,成功找到了火星水存在的証據。

  專家介紹,通過3個階段的積累,人類對火星的探測主要分為以下4種方式:

  飛越。探測器能夠在火星附近快速掠過,用極短的時間抓住一切可能記錄的有用數據。這是早期開展火星探測的主要形式,當時的技術水平還難以讓探測器制動減速留在環繞火星軌道。

  環繞。探測器依靠自身動力制動進入環繞火星的軌道,“變身”為火星的人造衛星。

  著陸。著陸系統降落在火星表面。這個環節難度很大,需要著陸系統完全自主導航控制。

  巡視。通俗意義上講,火星車就是巡視器,它到處移動,邊走邊看,能在不同地點進行多方面精細考察。

  在實現這些探測任務后,一些國家下一步的目標是實現火星取樣返回。由探測器從火星上採集岩石和土壤,並帶回地球。

  在60多年的火星探測史中,涌現出不少裡程碑式的任務。目前,仍在火星上鍥而不舍工作的,共有6個軌道器,以及美國發射於2011年的“好奇號”火星車和2018年發射的“洞察號”著陸器。

  火星探測成功率低,特殊的環境、遙遠的距離帶來巨大的挑戰

  最近5500萬公裡、最遠4億公裡的距離,決定了火星探測並不輕鬆。截至2020年6月底,人類進行的40多次火星探測任務中,完全成功的探測任務隻有19次,成功率約43%。即使算上部分成功的,也僅僅隻有23次,成功率約53%。

  中國首次火星探測任務總設計師張榮橋表示,盡管人類在月球探測方面積累了一定經驗,在火星面前仍是一個不折不扣的“新手”,全新的環境、全新的技術,都帶來全新的考驗。

  “火星是一個全新的環境,即使前期掌握了一些資料,但科學家的認識可能還不夠深刻,需要反復進行試驗和推導。”鄭永春介紹,以火星的地表環境為例,紅色沙礫中含有的氧化劑、氧化鐵、高氯酸鹽等成分,以及太陽風、紫外線、宇宙射線等,對航天器傷害很大。火星的大氣稀薄且存在很大的不確定性,這無疑給著陸火星增加了難度。

  火星光照特殊,也給探測器的能源供給出了難題。同樣面積下,火星接收太陽光的能量隻有月球表面的40%。探測器想要正常運轉,需要增加一些特殊設計。太陽翼面積需要更大更靈活,大致相當於放置月球上的太陽翼的2—3倍,還要具備雙軸驅動能力,時時刻刻追著太陽走。

  火星和地球的遠距離,還影響了無線電信號接收。“火星距離地球最遠時有4億公裡,從地面上向火星探測器發布一道指令,探測器要在23分鐘以后才能執行,這種巨大的延時為測控帶來阻礙。隻有採用更大口徑的天線、實現更大的發射功率,才能盡可能降低這種不便。”耿言說。

  火星的重力不一樣,這種特殊的動力特性給探測器的建造帶來挑戰,對火星車體輪系的結構強度、驅動力都提出了新要求。

  對火星的好奇和向往,深深影響著人類對自然科學、人文科學等重大命題的思索

  挑選晴朗的一天,靜待太陽下山,在萬家燈火尚未點亮之際,選擇一處開闊地,伴隨著徐徐晚風,點開手機上的認星軟件,對准夜空,根據指引就能發現火星的位置。這是一個普通人用肉眼觀測火星的快捷方法。

  科幻小說和電影中,火星絕對是大熱門元素。“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著經久不衰的魅力,不光展示著目前相對成熟或能夠預見的科學技術,還勾勒出人類對火星的各式幻想,不斷加深著人們的好奇和向往。

  在北京CBD區域寸土寸金的商圈內,一家知名商場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長的機械臂,正在進行採樣收集工作,不遠處則是一片火星營地。這裡圍繞“數字、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、逼真的太空場景,藝術和科技交織融合,引領人們沉浸於“火星之旅”。專門來這裡“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。例如我國青海西北角、柴達木盆地腹地,依托俄博梁雅丹地貌,興建了冷湖火星研學營地。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。“一些地區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,有助於開展火星和地球的環境對比研究,根據對地球環境演變的認識反推對火星的了解。”

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

  專家認為,現有開展的一系列圍繞火星的活動,都在潛移默化地培養著公眾對火星的感情。這種對火星的好奇和向往,反過來深深影響著人類對自然科學、人文科學等重大命題的思索。

  版式設計:蔡華偉

(責編:羅彬月、陳康清)

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