7月23日，我國首次火星探測任務(wù)“天問一號”在中國文昌航天發(fā)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(fā)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(xiàn)代天文學已經(jīng)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(zhuǎn)，然而關(guān)于生命、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(wù)“天問”的名字來源，“天問一號”任務(wù)的目的地瞄準火星，它的成功發(fā)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(fā)著人類對地外生命的熱烈猜想
作為太陽系里與地球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，火星仿佛是夜空里的一簇火光。它的運行軌跡復(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”則出于古人對火星運行缺乏規(guī)律而感到的困惑。
火星為什么看起來是紅色的?中國科學院國家天文臺研究員鄭永春說，這是因為火星表面有紅色的赤鐵礦，呈現(xiàn)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(fā)猛烈的沙塵暴，一來就幾乎席卷整個星球表面，持續(xù)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，火星則位于地球的外側(cè)，是太陽系的第四顆行星。因為自然環(huán)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，會發(fā)現(xiàn)這里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(nèi)部構(gòu)造。人們習慣用“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，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，長度相當于橫貫中國東西部。
火星上也有四季更替。只不過，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(huán)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(zāi)難’、不吉的火星，隨著科學認知的加深，逐漸發(fā)現(xiàn)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。對于喜歡看云的人來說，到火星上恐怕會失望。鄭永春說，火星的天空大多數(shù)萬里無云，偶爾會有云層出現(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，磁場強度只有地球的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)著人類對地外生命的熱烈猜想。
“世界各國的行星探測大致聚焦于這幾個問題：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，即我們從哪里來，又將到哪里去。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(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)?這些都是科學界非常關(guān)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(xù)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(tǒng)計數(shù)字上充分感受到。在行星探測史上，火星屬于歷史久、持續(xù)時間長的探測目標，是除地球以外人類研究程度高的行星。
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(guān)國家主要以火星飛越探測、傳送火星圖片與探測大氣參數(shù)為主，但探測任務(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(huán)繞與著陸探測為主，主要任務(wù)包括傳輸圖像、探測大氣、磁場、地表溫度等。此后，兩國對于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(fā)展的科學技術(shù)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證據(jù)和生命跡象。其間發(fā)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證據(jù)。
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(shù)據(jù)。這是早期開展火星探測的主要形式，當時的技術(shù)水平還難以讓探測器制動減速留在環(huán)繞火星軌道。
環(huán)繞。探測器依靠自身動力制動進入環(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，邊走邊看，能在不同地點進行多方面精細考察。
在實現(xiàn)這些探測任務(wù)后，一些國家下一步的目標是實現(xiàn)火星取樣返回。由探測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個軌道器，以及美國發(fā)射于2011年的“好奇號”火星車和2018年發(fā)射的“洞察號”著陸器。
火星探測成功率低，特殊的環(huán)境、遙遠的距離帶來巨大的挑戰(zhàn)
近5500萬公里、遠4億公里的距離，決定了火星探測并不輕松。截至2020年6月底，人類進行的40多次火星探測任務(wù)中，完全成功的探測任務(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%。
中國首次火星探測任務(wù)總設(shè)計師張榮橋表示，盡管人類在月球探測方面積累了一定經(jīng)驗，在火星面前仍是一個不折不扣的“新手”，全新的環(huán)境、全新的技術(shù)，都帶來全新的考驗。
“火星是一個全新的環(huán)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(fù)進行試驗和推導(dǎo)。”鄭永春介紹，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只有月球表面的40%。探測器想要正常運轉(zhuǎn)，需要增加一些特殊設(shè)計。太陽翼面積需要更大更靈活，大致相當于放置月球上的太陽翼的2—3倍，還要具備雙軸驅(qū)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。“火星距離地球遠時有4億公里，從地面上向火星探測器發(fā)布一道指令，探測器要在23分鐘以后才能執(zhí)行，這種巨大的延時為測控帶來阻礙。只有采用更大口徑的天線、實現(xiàn)更大的發(fā)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(zhàn)，對火星車體輪系的結(jié)構(gòu)強度、驅(qū)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，對準夜空，根據(jù)指引就能發(fā)現(xiàn)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(fā)著經(jīng)久不衰的魅力，不光展示著目前相對成熟或能夠預(yù)見的科學技術(shù)，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(qū)域寸土寸金的商圈內(nèi)，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，正在進行采樣收集工作，不遠處則是一片火星營地。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、逼真的太空場景，藝術(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(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)境對比研究，根據(jù)對地球環(huán)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(fā)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?火星是否會是人類后的避難所?這些思考始終縈繞在人們心頭。
專家認為，現(xiàn)有開展的一系列圍繞火星的活動，都在潛移默化地培養(yǎng)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。
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