探求真理 發展學術 服務社會
        歡迎訪問深圳市社會科學網 今天是

        深圳市民文化大講堂

        火星探測,那些少為人知的事

         日期:2021-09-02   來源:解放日報

          

        圖片由“深圳市民文化大講堂”提供

        (1/1)
          ■趙宇鴳
        北京時間2021年5月15日7時18分,“天問一號”著陸巡視器成功著陸火星,我國首次火星探測任務著陸火星取得圓滿成功。人類的火星探測走過了怎樣艱辛的旅程?近日,中國科學院地球化學研究所月球與行星科學中心研究員、中國首次火星探測任務預先科學研究團隊成員趙宇 在“深圳市民文化大講堂”上為大家講述了火星探測的故事。
        “天問一號”是中國行星探測的第一個任務,它的目的地是火星。隨后的“天問二號”“天問三號”不僅有針對火星的,而且還會去其他的行星進行探測。未來10年,中國在行星探測領域有很多新的任務,已經列入國家的發展規劃。我們的征途是星辰大海,雖然任務艱巨,但未來可期! ——趙宇鴳
        “天問一號”的火星之旅
        “天問一號”是我國獨立開展行星探測的第一步,通過一次發射實現對火星的“繞、著、巡”,即火星環繞、火星著陸、火面巡視,這是世界航天史上還沒有過的先例。
        2020年7月23日,“天問一號”在中國文昌航天發射場由長征五號運載火箭發射升空,開啟了奔向火星的征程?!疤靻栆惶枴闭w大約有5噸重,和助推器分離后,它飛往火星的速度非常快,為每秒30公里左右。在飛行了約4.75億公里后,“天問一號”于2021年2月10日成功進入火星軌道,并且拍回了照片。
        “天問一號”著陸巡視器在確定了著陸區域后,開始著陸。整個降落的過程約需8分鐘,完全靠“天問一號”自己操作完成。它自己打開降落傘,懸停在空中,自己拍攝周圍環境,看哪里最安全,然后再降落下去。一切就緒后,“祝融號”火星車從著陸平臺上行駛下來,開始對火星表面進行巡視探測。整個火星車的設計壽命為90個火星日。
        “天問一號”探測器主要包括兩個部分,一個是環繞器,一個是著陸巡視器。
        環繞器本身是一個超級科研能手,攜帶著可以探測火星近鄰空間的多種科學儀器。它可以對火星表面拍照,對火星表面的礦物質進行探測,還可以探測火星周邊的磁場以及火星內部的結構。
        “祝融號”火星車帶著6臺載荷。它有一雙“眼睛”,就是一個多光譜相機。它有一個火星表面成分探測儀,這個儀器可以發射激光,對它周邊5米—7米的目標進行物質成分探測。火星車沒有機械臂,它就是通過激光進行遠程探測。它還帶著一個次表層探測雷達和一個火星表面磁場探測儀,可以和環繞器攜帶的科學儀器相互驗證。這是“天問一號”的一個重要特點——能夠開展天地協同的探測。此外,火星車還帶著一個氣象測量儀,找路時可以知道溫度、壓力、風速等信息?!白H谔枴被鹦擒嚳瓷先ズ芸蓯?,實際上它有1.85米高,重量達240公斤左右。
        和世界上已有的火星車與探測器相比,“天問一號”這次去火星時所攜帶的儀器非常先進,而且,天地協同的觀測可以對火星表層和內部進行全面探測,所以我相信,“天問一號”一定會給我們帶來很多新的發現。
        探測火星的四個研究主題
        再來介紹火星的基本情況。
        火星距離太陽比地球距離太陽要遠,它的每一年大概是我們的兩年。它自轉的一天,比地球大約長40分鐘。火星比地球小,比月球大,它的質量大約是地球的1/10,我們希望通過對它的研究,了解大小不同的天體是怎樣演化的。
        目前,我們對火星內部的了解非常少,我們推測它應該和地球一樣有地幔、地核。因為火星的大氣非常稀薄,約是地球的1%,所以它的平均溫度比地球低很多。地球的平均溫度為14攝氏度左右,火星則是零下63攝氏度。在這樣的溫度下,二氧化碳會凍結成干冰保存在火星表面。
        火星有一個很大的特點,即南北二分性。火星的整個南半球多是較高的高地,上面坑坑洼洼,說明南半球的歷史比較久遠。而北半球看起來比較低平,表面平坦,顏色呈深藍色,是一片年輕的大陸。這種南北二分性出現的時間非常早,很可能在它形成的前幾億年就已經完成了。
        火星和地球一樣有分明的四季,因為它的自轉軸也有一個傾角,所以火星也有春分、夏至、秋分和冬至?;鹦枪D的軌道是橢圓形的,在靠近太陽的時候得到的光照和熱量多,在遠離太陽的時候得到的光照少?;鹦悄媳卑肭虻沫h境有很大差異,火星的南半球有更強烈的溫差變化。
        我們把火星的生命階段分成幾個部分。一是現在的火星,也就是我們現在看到的樣子?;鹦潜砻鎺缀鯖]有液體水,因為壓力和溫度非常低,所以水不能以液態的形式存在。二是過去30多億年間的火星,我們把它分為亞馬遜紀和西方紀,那時候的火星有冰川和間歇性火山活動。三是更早年代的火星。那時候的火星是有磁場的,可能有很多火山巖漿的活動,還可能有海洋,由于外來的猛烈撞擊造成地形的巨大變化。這是我們科學研究最感興趣的階段,因為地球也有一段缺失的歷史,而火星給我們提供了一個樣本,這也是我們探測火星的原因之一。
        今天,我們探測火星,主要是圍繞四個研究主題:一、火星上到底有沒有生命;二、如果火星的氣候原來和地球一樣,那為什么現在變成了一個不適合生命存在的星球;三、它是怎么演化的;四、如果我們要去火星的話,怎樣才能保證宇航員的安全。這些就是我們的工作目標。
        火星上到底有沒有“小綠人”
        火星一直是一個謎一樣的行星,19世紀后期至20世紀前期,“火星運河”“火星人”等一度被傳得沸沸揚揚,當時很多美國人認為火星上一定有火星人,還把它命名為“小綠人”。繼蘇聯發射一系列“火星號”探測器登陸火星連連受挫后,美國啟動了“海盜號”火星探測計劃。
        1975年8月20日和9月9日,美國發射了兩個火星探測器,分別命名為“海盜1號”和“海盜2號”,并于1976年在火星表面軟著陸成功。它們的主要任務就是探測火星上有無生命。
        為什么我要重點介紹“海盜號”探測器?一是因為它們是第一個成功著陸火星并發回大量數據和照片的探測器。二是因為它們和“天問一號”非常相像,也是包括一個軌道飛行器和一個著陸器。
        “海盜1號”當時著陸的地方叫克里斯平原。為什么要在這里著陸?因為這個著陸地點的旁邊是很大的峽谷,科學家認為這里很可能有水存在。但是,“海盜1號”沒有找到水,看到的都是火山形成的巖石。“海盜1號”和“海盜2號”的著陸器都是不能移動的,主要靠機械臂挖取周邊的土壤樣品進行分析,使我們知道地球上的很多隕石是從火星上來的?!昂1I號”還測量了火星的大氣成分。
        “海盜2號”降落的地方是烏托邦平原,也就是“天問一號”這次著陸的區域。它著陸的地方比“天問一號”的緯度更高一些,氣候也更冷一些。和“海盜1號”一樣,它著陸后發現周圍都是大塊的巖石。由于它所處的位置緯度較高,所以有了一個驚喜的發現。天氣開始轉冷的時候,它發現每天早上火星表面都會出現冰霜。這說明火星的大氣里是有水的,水主要以霜的形式出現。等到太陽出來后,霜就會蒸發到大氣中去。
        “海盜號”當時在火星上做了一些探測生命的實驗。它直接探測火星土壤里的碳,結果發現碳的含量非常低。它還做了3組培養實驗,分別在土壤里放入氣體或營養液進行培養,看土壤里有沒有微生物或有機物,最后也沒有任何發現。
        從那以后,人們對于火星探測的熱忱降低了不少。
        幾代火星車的探索與發現
        直到20年之后,才有另一個火星探測器抵達火星。
        1996年12月4日,美國發射了“探路者號”探測器,于1997年7月4日在火星表面著陸。它攜帶的“索杰納號”火星車,是人類送往火星的第一輛火星車。它僅有微波爐大小。
        這輛火星車著陸后只能在離著陸器12米的范圍內不停移動。它總共移動了100米左右,分析了16個采集的樣品。這些樣品對我們了解火星巖石的成分有很大幫助。
        經過前幾次火星著陸,科學家對火星探測的策略重新做了調整。2003年,美國“火星探測漫游者計劃”的任務是“尋找水”,希望從尋找水和尋找生命宜居的環境入手進行探測。
        “火星探測漫游者計劃”先后將“勇氣號”和“機遇號”兩輛火星車送往火星。這兩輛火星車均帶有全景照相機,可以拍攝著陸點的全景照片?;鹦擒嚿嫌幸粋€機械臂,附帶打磨和探測的工具。它一邊走一邊拍照,一旦選定探測目標,比如一塊巖石,就會上前把石頭表面打磨掉一層,并用攜帶的成分探測儀進行分析。它還有一個放大鏡,可以拍攝非常清晰的照片。
        “機遇號”火星車降落的地方叫子午線高原。根據遙感推測,這個地方有很強的赤鐵礦的信號,而在地球上,赤鐵礦通常是在有水的環境下形成的?!皺C遇號”火星車著陸后果然發現,這里很大一塊區域都有赤鐵礦,這說明這個地方原來很可能有水?!皺C遇號”火星車在著陸點附近找到了第一塊火星上的隕石,它還帶領我們看到了火星上的沉積巖。沉積巖上有溪流、地下水的活動痕跡。
        “機遇號”火星車非常長壽,它的設計壽命只有幾個月,但實際上它工作了14年,從2004年一直到2018年。
        另一輛火星車“勇氣號”著陸的地方叫古謝夫撞擊坑。之所以選擇這個地點,也是認為那里可能有水,但實際上并沒有找到任何有水的證據。
        不過,“勇氣號”火星車后來走到一個叫本壘的地方,在巖石上找到了有水的證據。那里有一些形狀奇特的石頭,尤其是指突狀的巖石,通常是在熱泉的環境中形成的,說明這里曾經有過熱泉的環境。此外,“勇氣號”火星車還發現火星紅色的土壤下有白色的物質,那是蒸發的鹽類,這個地方原來也曾經是有水的。
        2011年美國發射的“好奇號”火星車搭載著當時最先進的載荷,它的主要任務是探索火星宜居環境,包括尋找水和能源。它要找的水是可以維持生命的淡水,所以它選擇降落在蓋爾撞擊坑,因為蓋爾撞擊坑很可能原來是個古湖。
        “好奇號”火星車非常重,有1噸左右,它飛了八個多月后著陸火星。和之前的火星車很不一樣的是,它是靠核能驅動的,所以它不需要依賴太陽能,這使得它的壽命很長。它有一個很復雜的機械臂,可以鉆取樣品,采樣后自己進行分析。它還帶有一個激光分析器,可以發射激光,在約5米開外的地方分析巖石成分。
        “好奇號”火星車的一個重大發現,是它找到了證據,證明火星上曾經有流體水,而且這個水是淡水。此外,它在火星泥巖鉆取的樣品中,發現了一些比較簡單的有機物。這些比之前的探測都進了一大步。
        火星探測任務艱巨,未來可期
        從1960年到2020年,全球共進行了47次火星探測。早期的時候,有2/3的火星探測都失敗了。在20世紀六七十年代,發射的探測器經常找不到,不是偏離既定的軌道,就是因為各種原因失聯,或者發生事故而損毀了。一直到20世紀90年代以后,隨著火星探測技術越來越成熟,火星探測的成功率才有了顯著提升。
        火星探測的難點有很多,我僅以火星車的輪子設計為例,來說說火星探測是如何一步步往前發展的。前面我們講到,火星車的體積越來越大,所以它的車輪也越來越大?;鹦擒嚨能囕啿荒芟竦厍蛏夏菢佑孟鹉z制作,因為橡膠無法適應火星極端寒冷的環境。所以,車輪必須用金屬材料,而且要輕,還要有很強的硬度。之前的“機遇號”“勇氣號”火星車都發生了陷在軟沙里不能動彈的事故,因此后來的“好奇號”火星車專門做了改進,增加了抓地力。但是,“好奇號”火星車的輪子又出了問題,被火星上遍地都是的堅硬的巖石戳了許多個洞,破損嚴重。2021年2月19日著陸火星的“毅力號”,作為美國最新一代的火星車,車輪在“好奇號”火星車的基礎上又做了革新,采用新型的記憶合金輪胎,車輪進一步加厚了,用于應對尖銳的巖石,能夠輕松跨越崎嶇的地形。記憶合金材質的一個優點是,當遇到尖銳物品時,它不會完全變形,而是有一定的彈性,可以保證火星車的安全行駛。
        最后,讓我們一起展望中國行星探測的未來。我們整個的行星探測被稱為“天問”系列,“天問”系列的任務包括開展火星探測、火星的采樣并返回以及木星系探測等等?!疤靻栆惶枴笔侵袊行翘綔y的第一個任務,它的目的地是火星。隨后的“天問二號”“天問三號”不僅有針對火星的,而且還會去其他的行星進行探測。未來10年,中國在行星探測領域有很多新的任務,已經列入國家的發展規劃。我們的征途是星辰大海,雖然任務艱巨,但未來可期?。ū緢笥浾?徐蓓 整理)