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为什么要探索火星

来源:  发布时间:2024-03-11

文 潘永信

  

“天问一号”


  人类在20世纪60年代就开启了探测火星之旅。进入21世纪以后,人类又掀起了火星探测的高潮,探测的主要目标是火星上有没有水、有没有生命,它的环境是否宜居。在2020年,我国的“天问一号”也奔赴火星,踏上“探火之旅”。

  “天问一号”探测器由两部分构成,下面是环绕器,主要完成“奔火飞行”、环绕探测和中继通信任务,上面是着陆巡视器,主要完成着陆任务,它里面搭载了我国第一辆火星车“祝融号”,可以在火星表面展开巡视探测。

  作为我国首次火星探测任务,发射“天问一号”的科学目标是对火星的表面形貌、土壤特性、物质成分、水冰、大气、电离层、磁场等进行探测。“祝融号”着陆火星的过程很成功。在进入火星后,“祝融号”先后经历气动减速、伞降减速和动力减速,最后通过一个悬停避障,软着陆在火星的表面。这个过程是极具挑战性的,这时的探测器已经距离地球有3亿多公里之远,所有的过程都要通过预先设置的自主控制程序完成。

  “祝融号”的车速可达每小时200米,爬坡角度可以达到30度。它在行驶火星表面时特意留下了不少“中”字形的车辙,代表着中国印记。“祝融号”降落地在火星北部的乌托邦平原,它是火星表面一个巨大的撞击坑,“祝融号”对这个地区的地质地貌、物质成分、环境、地下结构,以及气象状况等进行了探测。

  “祝融号”采取边走边探的探测方式,它搭载了很多探测工具,比如多光谱相机、地形相机、次表层的雷达、磁场探测仪和气象测量仪。光谱分析就像给火星上的岩石做一次全面体检。而“祝融号”上的多光谱相机,能针对某一个目标拍摄8张图片,我们根据每张图片不同的光谱波段,可以判断火星表面物质的成分,研究火星地质演化和气候环境变化过程,寻找可能存在的水资源等。火星表面成分探测仪,则像一个微型的自动实验室,它首先发射一束高能激光打在岩石上,局部的高温足以把岩石从固体变成气体,并在冷却过程中产生等离子体,通过光谱分析,科学家们就能确定岩石的化学成分。这有助于我们揭示火星过去的水文环境、火山活动,以及生命存在的线索。科学家们还特地为“天问一号”量身打造了一套“超级天线”,用于将收集到的数据传回数亿公里之远的地球。

  截至20231月,“祝融号”已行驶1900多米,获得了大量宝贵的第一手科学探测数据,包括地形、地貌、物质成分、雷达地球物理信息,以及磁场信息等,这为我国开展火星科学探测积累了宝贵的科学数据。


火星水痕


  19世纪末,意大利天文学家斯基帕雷利在通过望远镜观测火星时,发现它表面存在着一系列纵横交错的直线状网络,他由此绘制了一幅火星地图,上面记录了整整40条河道,当他的观测报告被翻译成英文时,河道被翻译成了一个带有强烈人工色彩的词——运河。于是,有人怀疑火星上也有像我们一样的智慧生命,他们建造了纵横交错的运河系统。直到航天时代到来,火星上的真实影像和探测数据不断传回地球,人们对火星运河的认识才发生了颠覆性变化。1965年,美国的“水手4号”成为人类第一个飞越火星的探测器,它传回了第一张火星表面的照片,这张遍布陨石坑、毫无生机、一片死寂的照片震惊了科学界。后续的探测任务发现了更多证据,彻底打消了人们关于火星有“运河”的猜测。火星上虽然没有“运河”,但有很多流水的痕迹,像冲沟、跟水流有关的河道、三角洲、冲积扇等。除此之外,火星表面也分布着大量与水作用相关的一些矿物,比如蓝色的层状硅酸盐、粉色的二氧化硅和黄色的氯化物,还有绿色的碳酸盐和硫酸盐,这些矿物都是在有水活动的情况下形成的。

  现今火星上究竟有没有水?美国的火星勘测轨道器——MRO通过拍摄同一个地区不同季节的图像发现,温暖季节时就会出现一些流痕,寒冷季节时流痕就会消失,说明在这些地区有过液态水的流动,也许是水,也许是别的液体的流动。

  美国的“凤凰号”在着陆火星北半球高纬度地区过程中发现,着陆区的下方有冰的图像,在着陆区的支架上还看到了液珠的出现。火星上的气温是极低的,平均气温在零下60多摄氏度,还能出现液态,这是能够出现的吗?科学家发现在高氯酸盐浓度达到30%以上时,在零下70摄氏度也可以形成液珠,所以在这些地区可能存在着高盐的一些卤水。

  “祝融号”在着陆的地方也取得了一系列的重要发现。“祝融号”在巡视时,在沙丘表面上看到一些水活动的痕迹,包括看到一些结壳、裂缝、龟裂、团粒化、带状水活动的痕迹,就像有液态水的局部活动之后又消失的一些产物。经过分析,这是一些与水活动相关的盐类矿物和蛋白石,就是二氧化硅和铁氧化物胶结形成的砂粒,在盐的作用下结壳,最后形成的地貌。

  同时,“祝融号”上的短波红外光谱也发现了海水矿物的存在。比如一些蒸发盐、黏土矿物和硫酸盐,这都是在有水的条件下才能形成的,这些结壳形成的过程,就是地下水蒸腾、凝结形成一些薄壳,最后剥蚀出露在地表。这都表明“祝融号”的着陆区在近期有过液态水活动的痕迹。

  火星地下有没有水?“祝融号”通过它所携带的次表层探测雷达,在地下的结构图像中发现,地下70米范围之内,出现过粒序的变化,意味着这些地区曾经有过古代的洪水。地下有没有水冰层的存在?有理论预测,在火星北部30度左右的地方,可能存在一些地下的水冰。但在“祝融号”着陆区我们没有看到,雷达的信号也没有看到非常明显的水冰层的存在。是不是还有一些卤水或者盐冰充填在颗粒中呢?这种可能性是存在的。

  虽然我们在乌托邦平原没有看到地下水冰,但火星的极地是存在水冰的。因为在火星的南极、北极都存在着永久性的极冠,它主要是二氧化碳冰和一部分的水冰,呈螺旋状结构。这就说明存在一些消融和生长的过程,特别是在冬天它的厚度会增加,到夏天它的厚度会减小。因此极冠地区的一些层状结构也是我们研究火星古气候、古环境非常重要的对象。

  在美国“毅力号”着陆的耶泽罗盆地,也曾看到过一个巨大的三角洲,这里曾经是一个巨大的湖泊。既然火星早期有大量广泛分布的液态水的活动,那这些水都到哪里去了,是什么原因让这些水消失的?

  根据科学家的研究,它的去处现在有两种说法:第一个就是这些液态水通过和矿物、岩石的作用进入了火星地下;第二个就是火星的液态水逃向了茫茫的太空,因为火星上没有磁场的保护。


火星生命遗迹


  寻找地外生命一直是人类探索深空的目标。火星表面干涸的水系、湖泊和海洋地貌告诉我们,火星存在过液态水,可能也曾是一颗蓝色的星球,或许也孕育出过丰富多彩的生命。尽管今天的火星已经变成了一副荒芜苍凉的模样,沙尘暴频发、平均温度低至零下60摄氏度左右,大气中大约96%都是二氧化碳,但我们能否在这茫茫荒原之上,找到生命的遗迹呢?

  20世纪70年代,美国发射的“海盗一号”“海盗二号”两颗探测器的任务之一便是探测火星有没有生命活动,经过探测和实验,没有发现支持生命存在的明确证据。

  还有一些证据,主要是通过探测器到达火星、逼近火星、踏上火星进行原位探测时发现的。美国“好奇号”曾在盖尔盆地探测到在古老的岩石里有细粒的富含有机质的泥岩,还发现一些噻吩类的、芳香族的有机质分子。但是有机物可能来自生命,也可能来自一些有机物的化学合成过程,而不是直接生物的一些产物。“好奇号”也发现了甲烷的季节性波动,但说到甲烷活动,其实现在非生物过程也完全可以形成,所以这有待做进一步研究。

  火星上究竟有没有生命,一直都是悬而未决的问题。可见,未来在火星探测方面的竞争制高点或者一个热点,就是火星的采样返回。采集火星土壤并带回难度很大、很复杂,我国计划在2030年前后分两次发射,通过两个探测器组合互相配合,实现火星采样返回。目前,我国工程技术人员正在针对一系列关键技术进行先期攻关,对样品的科学分析将来可能会极大地拓展人类对火星现有的认知。(文章转载自《学习时报》20231227 A6版,内容有删减)

  

专家简介

  

  潘永信,中国科学院院士,中国科学院地质与地球物理研究所研究员,“天问一号”首次火星探测任务首席科学家。他长期从事地球和行星物理前沿研究,带领团队利用“天问一号”获得的第一手科学数据,在火星地形地貌、地下结构、物质成分、磁场等领域取得了一批高水平的科研成果,提升了我国在火星科学研究领域的国际影响力。


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2024年5月

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