新知｜探“火”60年

南方日报记者 徐勉 王诗堃 刘珩 实习生 杨晨 策划统筹：张志超

这张美国航天局2018年11月26日提供的画面显示“洞察”号无人探测器传回的火星首张照片。新华社发

火星，这颗和地球最像的红色星球，一直深深吸引着人类。它被视为人类的第二家园、星际移民的首选地……当然，还有我们最关心的：火星曾经有过生命吗？地球在宇宙中真的独一无二吗？

60年前，人类便开启了火星探测之旅，但完全成功率仅为43%，抵达火星，远比想象的要难。4亿公里的距离、着陆时的恐怖7分钟、测探时的种种关卡，让人类的火星之旅步步惊心。

今年7月底到8月初，26个月一遇的火星探测发射窗口，阿联酋的“希望号”，中国“天问一号”和美国的“毅力号”火星探测器相继升空，争相“访问”火星。它们是否会告诉我们关于火星生命的新的观点？

“探火”之路

火星距离地球最近时也有约5500万公里，对技术有很高要求。今年“火星季”之前，全球共实施了44次“探火”活动，仅约43%宣告“完全成功”。

2020年，是人类踏上火星探险之旅的第60年。

今年“火星季”之前，全球共实施了44次探火活动，绝大多数由美国和苏联（俄罗斯）实施，但成功率却不高：44次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任务，也仅有23次，成功率约53%。在业界，火星被称为“探测器坟场”。

美苏都曾将火星作为目标之一。1960年至1964年，两国均向火星发射了探测器，但均宣告失败。直到1964年10月，美国“火星4号”火星探测器才传回了有关火星表面的近距离图像，同时还回传了500多万比特的科学信息。中科院紫金山天文台行星科学与深空探测实验室主任季江徽告诉南方日报记者，在火星探测早期，苏联的火星探测多为硬着陆，美国则多为飞掠式，失败率较高。

21世纪以来，美国、欧洲航天局相继成功发射了火星探测器。印度也加入其中，发射了首颗“火星轨道任务”探测器。然而，人类探测火星的征程并未就此一帆风顺。2011年，俄罗斯的“火卫一-土壤”星际探测器由于发动机出现故障，未能将其送入飞往火星的轨道，“探火”再度失败。

中国科学院紫金山天文台近地天体望远镜团组首席科学家赵海斌告诉南方日报记者，火星距离地球最近时也有约5500万公里，对火星探测任务的发射、测控、着陆等环节技术都有很高要求。

进入火星轨道就是一大挑战。季江徽告诉记者，火星的引力场比地球小很多。环绕器需要被火星捕获，这是火星探测的一大难关。从地火转移轨道进入火星环绕轨道前，还需要进行相应的姿态调控、轨道修正等操作。2003年，日本的“希望号”火星探测器无法进行轨道修正，因而没能进入监测轨道，宣告失败。

在火星着陆的过程被称为“恐怖7分钟”。这7分钟内，探测器要经历入轨、下降与着陆过程，速度将从2万千米/时降到0。恐怖之处在于，这段时间为无线电中断、无法控制的“黑障区”。“一不小心探测器就跟丢了。”赵海斌说。

特别是，与月球不同，火星上也存在大气层，这让着陆器存在被烧毁的风险。虽然火星大气密度只有地球的1%，但其大气中二氧化碳占95%，氮气占3%，与从地球轨道上返回的飞船相比，着陆火星的探测器在高热状态下会发生更加复杂的物理化学反应。为了避免着陆器在高温中受损，“天问一号”就搭载了中国运载火箭技术研究院所属航天材料及工艺研究所研制的新型热防护材料结构。

这种热防护材料结构由超轻质的蜂窝增强低密度烧蚀防热材料和超轻质的烧蚀防热涂层材料这两种材料组成，着陆时材料表面能与火星大气摩擦并发生复杂的物理化学反应，同时带走大量的热量。材料还具有良好的保温隔热性能，能有效保护探测器不被烧坏。

即便是顺利着陆，接下来的巡视也是火星探测的一大难关。“火星上的沙尘暴会对火星车造成极大的威胁，而且为了延长火星车的寿命，通过测控让其行驶于一个相对平坦的地形中，坑、石头、软地质等都可能成为探测的环境干扰。”

火星情结

截至目前，全球火星探测共实施了45次。纵观航天史，人们对火星情有独钟：如果地球生命要“出去”，那么火星大概率是第一据点。

春秋战国时，我国古人就注意到了火星。这颗星荧荧似火，行踪不定，被称为“荧惑”。现代以来，航空航天科学技术不断发展，但不变的是，人类的火星情结。

“火星是人类最早关注到的星体之一”，赵海斌告诉记者，火星被称为地球的“孪生姐妹”，较高的相似度使得火星成为深空探测的热点。

季江徽解读说，火星属于类地行星，两者几乎都形成于约45亿年前，组成结构也大致相同，有核、幔、壳。“这些行星为什么能形成这样的结构，火星探测解答这一问题，有助于人类了解太阳系早期行星演化的物理化学过程，追溯太阳系的演化。”

据季江徽介绍，火星的自转方式与地球相似。一个火星日大约是24小时39分钟。而且火星和地球一样，也是倾斜着自转，这意味着火星也有四季更迭。“火星上的水、大气等条件有成为宜居星球的潜质，而且离地球比较近。”赵海斌认为。

此前的火星探测任务发现了火星地表下有液态的湖泊，存在盐水。一个曾经存在大量的水和大气的星球，为何变成今天的模样？这将带来什么警示？人类的火星探测，也致力于解答此问题。

“火星的水可能往上‘走’，蒸发了。也可能往下渗。”季江徽说，火星的大气没有地球那么厚，又因为火星引力相比地球要弱很多，因此束缚大气能力不强；此外由于火星没有全球性的磁场，太阳风可以直接抵达火星，将火星高层大气中的带电离子驱赶走，导致火星大气逃逸了。

季江徽告诉记者，因为火星与地球的相似性，人类通过火星探测了解太阳系的宜居环境，“火星探测可以研究太阳系行星的宜居性，需要什么条件，如行星离太阳的距离、生命发展所依赖的环境，像液态的水、大气等。”

探寻生命

火星是否有更多有机物存在？是否曾经有生命？甚至，在更深的地下，现在是否还有一部分微生物存活繁衍呢？现在的火星研究正致力于更精细的探索。

寻找生命，或者说寻找生命可能存在的迹象，一直是火星探测的侧重点。

早在1976年登陆火星的海盗1号和2号就试图寻找答案。两艘海盗号都携带了专门用于搜寻火星有机物的仪器，并发现了一些有机物的痕迹。

本世纪以来，多项探测都证实火星存在水：“奥德赛”探测器发现火星大气中有微量水蒸气；“火星勘测轨道器”通过雷达探测器发现火星地表下有水冰层；2015年，NASA宣布在火星表面发现了液态水活动的强有力证据，认为火星表面的沟壑很可能是高浓度咸水流经的痕迹。

从“火星来客”——陨石中也能发现端倪：2014年，中国科学家在一块火星陨石中发现了碳颗粒，研究认为是火星生命产生的碳，这是全球首次发表的类似成果。这一研究随后得美国“好奇号”火星探测器团队的佐证。2018年，该团队宣布从2014年9月和2015年1月的两次钻孔采样物质中发现了多种有机物——比人们之前在火星发现的有机物要复杂和丰富得多。

“火星探测已经越来越精细化了。”赵海斌举例说，“天问一号”的科学目标就包括“调查火星表面的土壤特征和水冰分布”和“分析火星表面的物质组成”等。

而NASA的“毅力号”，拥有同“好奇号”类似的钻孔采样工具。不同的是，它在完成钻孔采样后，会将一部分采集的样品封装起来，等待之后的火星返回任务将样品带回地球。

此外，“毅力号”还携带了一套名为“拉曼和荧光扫描宜居环境、寻找有机物和化学物质仪”的仪器，这套仪器带了一些标定物，通过测量这些标定物在火星的极端温度和辐射环境下逐渐发生的变化，能够帮助我们了解火星环境的影响。

其中，比较令人感兴趣的标定物要数5种宇航服纤维和头盔材料。这些材料在火星环境下性能如何，会如何老化，都关系到将来的宇航员登上火星时的安危。

此外，“毅力号”携带了一套“火星原位制氧仪”。顾名思义，它将从火星大气中收集二氧化碳，电解出氧气——如果能够在火星制氧，人类未来火星之旅甚至火星生活的可能性也会更高。

此外，欧空局的火星快车号、欧空局和俄罗斯航天局合作的痕量气体轨道器（TGO）、NASA的好奇号等火星探测器，仍在火星表面或者火星轨道上工作；他们将和今年前往火星的探测器们一起，告诉我们更多关于火星的秘密。

★聚焦

前往更远的深空

我国将规划木星探测，“天问”还将走向其他行星

火星探测，只是我国深空探测的其中一步。“天问”不仅仅是火星探测任务的名称，而是“中国行星探测任务”的名称。这也意味着，未来的“天问”，还将走向其他行星。

除了2020年发射首个火星探测器，我国还将规划木星（及其卫星）和小行星探测。赵海斌介绍，木星是太阳系最大的行星，且拥有丰富的卫星系统，研究木星系统，对理解太阳系演化过程具有重要的科学意义。

“小行星也是很重要的探测对象”，赵海斌表示，太阳系里的小行星很多，不少会来到地球周围，可能会对地球造成威胁。而且小行星的运行轨迹与八大行星相比更具有多样性，“比如偏心率很大，轨道距离时近时远。”

走向深空，探索未知。季江徽眼中的深空探测很大程度上是人类好奇心的驱动，好奇宇宙的起源、好奇生命的起源、好奇人类的未来，“去火星，甚至去更远的地方。”

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