“天问一号”踏上征程 火星,我们来了

来源:人民日报 日期:2020-07-27

  “天问一号”探测器示意图。国家航天局供图

  “天问一号”探测器的火星车示意图。国家航天局供图

  火星表面局部。资料图片

  7月23日,我国首次火星探测任务“天问一号”在中国文昌航天发射场踏上征程,中国人离探索火星的梦想更进一步。

  早在2300多年前,诗人屈原就用一首长诗《天问》,发出了对宇宙洪荒、天地自然的疑问。“日月安属?列星安陈?”尽管现代天文学已经可以非常精确地回答这一问题——太阳系的引力维系着八大行星绕其公转,然而关于生命、人类、太阳系乃至宇宙的起源,还有太多的未解之谜。

  这也是中国行星探测任务“天问”的名字来源,“天问一号”任务的目的地瞄准火星,它的成功发射拉开了向更遥远的宇宙深处探寻的序幕。

  火星和地球的诸多相似,引发着人类对地外生命的热烈猜想

  作为太阳系里与地球最为相似且距离较近的行星,从古至今,人们都对这颗星球有着无限遐想。

  从地球上仰望星空,火星仿佛是夜空里的一簇火光。它的运行轨迹复杂多变,看起来忽明忽暗、忽大忽小,令观者迷惑,因此火星最早被赋予的中文名字叫“荧惑”。其中“荧”代指火星表面发射的红光;“惑”则出于古人对火星运行缺乏规律而感到的困惑。

  火星为什么看起来是红色的?中国科学院国家天文台研究员郑永春说,这是因为火星表面有红色的赤铁矿,呈现出橘红色。另一个原因则是沙尘暴造成的。火星上风力很大,会引发猛烈的沙尘暴,一来就几乎席卷整个星球表面,持续多月不停,还充斥着扶摇直上的龙卷风。当扬起的沙尘覆盖火星,遮住了原本灰褐色的沙粒和石块,就造成了“红色星球”的错觉。

  地球是太阳系的第三颗行星,火星则位于地球的外侧,是太阳系的第四颗行星。因为自然环境与地球相似,火星又被称作地球的“姊妹星”。实际上,地球要比火星大得多。地球半径是6378公里,火星半径仅为3398公里,大致是地球的一半,体积则是地球的1/7。火星的表面积,与地球的陆地面积差不多。

  假如站在火星表面,会发现这里的地形地貌与地球非常相似。事实上,作为类地行星,火星同样具备核、幔、壳等内部构造。人们习惯用“荒漠行星”来形容它的形状,这里分布着高原、平原、峡谷和火山。其中高于1万米的大山就有好几座,最高峰奥林匹斯山高达2万米左右,是珠穆朗玛峰高度的2倍多。还有一个水手大峡谷,长度相当于横贯中国东西部。

  火星上也有四季更替。只不过,如果用地球日来换算的话,火星上一年大约有23个月。这是因为地球环绕太阳一周需要约365天,火星绕太阳一周则为687天。郑永春说,如果在火星上过日子的话,每天的昼夜长短跟地球上差不多,火星的一天是24小时39分35秒,比地球长了近40分钟。

  “东西方在古代一直赋予金星很多美好的想象,但实际上,金星的表面非常灼热,温度高达465—485摄氏度。反而是曾长期被认为‘灾难’、不吉的火星,随着科学认知的加深,逐渐发现它与地球有太多相似之处。”郑永春说。

  像地球一样,火星也有大气,可惜密度仅为地球的1%,约相当于地球上33千米高处的大气密度,极为稀薄,成分以二氧化碳为主。对于喜欢看云的人来说,到火星上恐怕会失望。郑永春说,火星的天空大多数万里无云,偶尔会有云层出现,但是颜色偏白、厚度较薄,像我们熟悉的地球卷云。

  火星表面的重力约为地球表面的0.38,没有全球性的磁场,磁场强度只有地球的1%。

  事实上,人们对这颗红色星球格外青睐的重要原因,是在这里发现了有水存在的明确证据。有水,就代表着生命存在的可能。根据航天器的探测结果,清晰可知火星拥有海岸线和湖泊的遗迹、干涸的河道、冲积扇等流水地貌,这些都表明火星在历史上曾经有大规模的液态水。目前,尽管没有探测器发现肉眼可见的液态水,但在火星地下已经发现了盐度极高的卤水。2018年,有科学家宣布在火星南极冰盖下发现了盐水湖存在的证据。

  正是由于火星与地球的诸多相似之处,火星一直是人类心中的“热门星球”,引发着人类对地外生命的热烈猜想。

  “世界各国的行星探测大致聚焦于这几个问题:太阳系的起源与演化,生命的起源与演化,地外生命信息的探寻等。这也是行星探测试图回答的问题,即我们从哪里来,又将到哪里去。通过行星探测,人们试图找到人类、太阳系乃至宇宙的起源与演化的奥秘。生命的出现是必然还是偶然?我们能否在其他的星球尤其是跟地球类似的火星上,寻找到生命起源的证据?这些都是科学界非常关注的重大问题。”国家航天局探月与航天工程中心深空部部长耿言说。

  火星,到底是地球的过去,还是地球的未来?这在科学界尚无定论,但毫无疑问,对火星的持续研究将加深人类对地球生命起源和演化的理解。

  火星探测迄今为止可分为三个阶段,几乎贯穿整个人类航天史

  对火星了解越深入,人们对它就越感兴趣。火星的“火热”,可以从统计数字上充分感受到。在行星探测史上,火星属于历史最久、持续时间最长的探测目标,是除地球以外人类研究程度最高的行星。

  从20世纪60年代人类首次开展火星探测开始,截至今年6月底,人类已进行40多次火星探测活动。

  专家介绍,火星探测大约分为3个阶段,几乎贯穿整个人类航天史。

  第一阶段是早期的飞越探测,时间跨度为1960—1970年。这一阶段国际深空探测刚刚起步,相关国家主要以火星飞越探测、传送火星图片与探测大气参数为主,但探测任务成功率并不高,仅有一例成功完成任务。

  第二阶段是初步了解火星表面,时间跨度为1970—1990年。上世纪70年代初期,美苏重新展开火星探测活动,以轨道环绕与着陆探测为主,主要任务包括传输图像、探测大气、磁场、地表温度等。此后,两国对于深空探测的投入减小。

  第三阶段则是探寻火星生命迹象,从1990年至今。迅猛发展的科学技术催生了火星探测的新热潮。多个国家加入探测行列,成功率也大幅增长。火星探测活动的探测方式主要为着陆和巡视探测,主要目标是寻找火星水存在的证据和生命迹象。其间发射过“火星快车”“勇气号”“机遇号”和“好奇号”等多颗探测器,成功找到了火星水存在的证据。

  专家介绍,通过3个阶段的积累,人类对火星的探测主要分为以下4种方式:

  飞越。探测器能够在火星附近快速掠过,用极短的时间抓住一切可能记录的有用数据。这是早期开展火星探测的主要形式,当时的技术水平还难以让探测器制动减速留在环绕火星轨道。

  环绕。探测器依靠自身动力制动进入环绕火星的轨道,“变身”为火星的人造卫星。

  着陆。着陆系统降落在火星表面。这个环节难度很大,需要着陆系统完全自主导航控制。

  巡视。通俗意义上讲,火星车就是巡视器,它到处移动,边走边看,能在不同地点进行多方面精细考察。

  在实现这些探测任务后,一些国家下一步的目标是实现火星取样返回。由探测器从火星上采集岩石和土壤,并带回地球。

  在60多年的火星探测史中,涌现出不少里程碑式的任务。目前,仍在火星上锲而不舍工作的,共有6个轨道器,以及美国发射于2011年的“好奇号”火星车和2018年发射的“洞察号”着陆器。

  火星探测成功率低,特殊的环境、遥远的距离带来巨大的挑战

  最近5500万公里、最远4亿公里的距离,决定了火星探测并不轻松。截至2020年6月底,人类进行的40多次火星探测任务中,完全成功的探测任务只有19次,成功率约43%。即使算上部分成功的,也仅仅只有23次,成功率约53%。

  中国首次火星探测任务总设计师张荣桥表示,尽管人类在月球探测方面积累了一定经验,在火星面前仍是一个不折不扣的“新手”,全新的环境、全新的技术,都带来全新的考验。

  “火星是一个全新的环境,即使前期掌握了一些资料,但科学家的认识可能还不够深刻,需要反复进行试验和推导。”郑永春介绍,以火星的地表环境为例,红色沙砾中含有的氧化剂、氧化铁、高氯酸盐等成分,以及太阳风、紫外线、宇宙射线等,对航天器伤害很大。火星的大气稀薄且存在很大的不确定性,这无疑给着陆火星增加了难度。

  火星光照特殊,也给探测器的能源供给出了难题。同样面积下,火星接收太阳光的能量只有月球表面的40%。探测器想要正常运转,需要增加一些特殊设计。太阳翼面积需要更大更灵活,大致相当于放置月球上的太阳翼的2—3倍,还要具备双轴驱动能力,时时刻刻追着太阳走。

  火星和地球的远距离,还影响了无线电信号接收。“火星距离地球最远时有4亿公里,从地面上向火星探测器发布一道指令,探测器要在23分钟以后才能执行,这种巨大的延时为测控带来阻碍。只有采用更大口径的天线、实现更大的发射功率,才能尽可能降低这种不便。”耿言说。

  火星的重力不一样,这种特殊的动力特性给探测器的建造带来挑战,对火星车体轮系的结构强度、驱动力都提出了新要求。

  对火星的好奇和向往,深深影响着人类对自然科学、人文科学等重大命题的思索

  挑选晴朗的一天,静待太阳下山,在万家灯火尚未点亮之际,选择一处开阔地,伴随着徐徐晚风,点开手机上的认星软件,对准夜空,根据指引就能发现火星的位置。这是一个普通人用肉眼观测火星的快捷方法。

  科幻小说和电影中,火星绝对是大热门元素。“在火星上开荒种土豆”“在火星建造地下基地”“将火星作为跳板跃至更深宇宙”,一部部壮阔震撼的作品散发着经久不衰的魅力,不光展示着目前相对成熟或能够预见的科学技术,还勾勒出人类对火星的各式幻想,不断加深着人们的好奇和向往。

  在北京CBD区域寸土寸金的商圈内,一家知名商场专门辟出一片科技味十足的火星展厅。红色的沙砾土石上,白色的火星车挥舞着长长的机械臂,正在进行采样收集工作,不远处则是一片火星营地。这里围绕“数字、模拟、未来”为主题,向游客讲述了“火星历史”和“移民到火星”等故事。光怪陆离的星石、臆想的火星人造型、逼真的太空场景,艺术和科技交织融合,引领人们沉浸于“火星之旅”。专门来这里“打卡”的人们一边拍照、一边赞叹:“火星真的是这样子吗?有一天我们真的能去火星吗?这也太酷了吧!”

  类似兼具旅游和科普意味的“火星营地”还有很多。郑永春介绍,地球上有不少和火星地貌相像的地区。例如我国青海西北角、柴达木盆地腹地,依托俄博梁雅丹地貌,兴建了冷湖火星研学营地。在约旦西南部,有一座名为“月谷”的酒红色山谷,曾是火星科幻电影的拍摄地。“一些地区不仅仅是外观与火星相似,它们荒漠的地貌特征,分布的河流、湖泊干涸的沉积物等,有助于开展火星和地球的环境对比研究,根据对地球环境演变的认识反推对火星的了解。”

  火星这颗荒漠行星,也是希望之星。无论从火星身上发掘出何种奥秘,人类都能从探测中获得对自身命运的启示。倘若地球气候巨变、生物受到严重威胁,人类将何去何从?火星是否会是人类最后的避难所?这些思考始终萦绕在人们心头。

  专家认为,现有开展的一系列围绕火星的活动,都在潜移默化地培养着公众对火星的感情。这种对火星的好奇和向往,反过来深深影响着人类对自然科学、人文科学等重大命题的思索。

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