火星,在英語中被稱為瑪爾斯(Mars,意為戰神),古漢語中則因為它熒熒如火,位置、亮度時常變動讓人無法捉摸而稱之為“熒惑”。火星的火紅色,自古就吸引著人們。除了絢麗的外表,火星因其“類地”的內在,更吸引著現代科學家。
浩渺星空,擁有無數反射著太陽光的星體,其中有一顆,人類傾注了巨大的人力物力去研究。它就是離太陽第四近的行星、四顆類地行星之一的火星。
2011年,著名物理學家史蒂芬·霍金曾對媒體稱地球終將被毀滅,而人類要想繼續存活只有一條路:移民外星球。霍金說:“人類已經步入越來越危險的時期,我們已經歷了多次事關生死的事件。由于人類基因中攜帶‘自私、貪婪’的遺傳密碼,人類對于地球的掠奪日盛,資源正在一點點耗盡,人類不能把所有的雞蛋都放在一個籃子里,所以,不能將賭注放在一個星球上。”
那么另外一個放雞蛋的籃子在哪兒?科學家們幾乎一致認為,是火星。于是,這顆外表奔放,內心保守的古老星球,得到了來自“鄰居”的關注。
為什么是火星?
太陽系擁有八個行星,按照離太陽的距離從近到遠,依次為水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。“八個行星中,包括地球在內有四個類地行星。其中,水星非常熱,而金星的大氣壓是地球的92倍。”北京大學地球與空間科學學院教授焦維新向《中國科學報》記者解釋道,“雖然火星的大氣壓只有地球的0.1,但是火星自轉一天的時間與地球接近。其外部同樣有大氣層環繞。”
如果繼續深挖火星與地球相似的淵源,恐怕還要從太陽系形成之初說起。國家天文臺研究員王俊杰告訴《中國科學報》記者,盡管太陽系的形成過程已經無法看到,但是從其他恒星的形成過程,不難窺探一二。“恒星形成于分子云中。分子云在宇宙中,相當于我們看到的天上的烏云。只不過,分子云中包括分子氣體和塵埃等。分子云因引力作用密度逐漸升高而造成塌縮形成原恒星, 原恒星周圍形成吸積物質的轉動吸積盤。”王俊杰表示,“在吸積盤轉動的過程中,又形成若干環,這些環中的物質在萬有引力作用下逐漸凝聚成行星。也就是說恒星形成的同時,圍繞在其周圍的行星也就形成了。”
既然在同一個分子云中形成,就決定了地球與火星的大致成分和比例都相似。王俊杰解釋說,從實際觀測結果看,科學家們也認為在遙遠的過去,火星與地球的物質狀態相似,有些歷史過程也相似。比如,都擁有或曾經擁有海洋、火山等。只是因為與太陽距離不同,導致環境相差比較多。
現實的火星上環境惡劣,這點從美國探測器發回的照片中一覽無余。“到目前為止,沒有發現大量的液態水,也沒有發現生命的痕跡。而且火星的大氣層非常稀薄,有科學家認為是太陽風所致,但是具體是什么原因還需要繼續探究。”焦維新說, “火星距離地球的距離最長可達4億公里,但是最近的時候則不到5600萬公里,我們稱之為‘大沖’。”王俊杰說。每個大沖一般間隔26個月。由此看來火星恐怕是人類近期“移居”最好的選擇。“而且,人類對于火星的研究對于了解地球本身也具有一定意義。”焦維新表示,“特別是對保護我們地球,如何防止地球進一步惡化,都有借鑒意義。”
了解火星需要幾步?
人類對火星的渴望并非近幾年的事,早在上世紀60年代,美國和前蘇聯就開始了關于火星的探索。
“人類對火星的探測過程,其實和探測月球一樣,都是繞、落、回三步。現在,繞和落的問題已經解決,只有回的問題懸而未決。”《國際太空》雜志執行主編、空間技術專家龐之浩對《中國科學報》記者解釋道。目前,人類針對火星的探測包括發射軌道器和著陸器。“上世紀90年代,美國開始實施火星生命計劃,將軌道器和著陸器同時發射升空。經歷了兩次失敗后,美國采取了分開發送的方法。”龐之浩說,“也就是在某一個火星大沖時發射軌道器。然后通過軌道器觀測著陸器著陸的最佳位置,再在之后的大沖時發射著陸器。”就功能而言,軌道器傾向于普查火星情況,而著陸器則是對局部區域的詳查。
2001年,美國發射的“火星奧德賽軌道器”就是成功的范例。它身兼數職,不僅對火星進行普查,同時還是火星的中繼衛星。“因為火星著陸器發送的信號弱,指揮員往往會把信號先傳導至火星軌道器,再傳回地球。”龐之浩說,“而且,美國‘火星勘測軌道器’‘火星奧德賽’提供的照片,為機遇號和好奇號在火星的著陸點提供了依據。”
不論是機遇號還是好奇號,甚至是之前美國發射的軌道器和著陸器,“它們每個上天都是有目的的。”焦維新表示,“比如,為了探究火星氣體稀薄的原因,美國就發射了一個軌道器,專門探測太陽風的電離作用。而且預計到2020年,美國還將發射一個比好奇號更大的探測器,可以鉆入火星內部探測。”
至于取樣返回,焦維新也表示難度頗大。首先,探測器要先從火星表面起飛,然后與環繞在火星軌道上的母船交會對接。“盡管火星的引力場是地球的37%,但是依然需要很大的推力才能脫離。”焦維新說。另外,就是對接時如何精確控制。要知道,當時中國神州八號完成與空間站的對接是在距離地球350公里處,而對于距離相差幾倍遠的火星,控制更難。更令人頭疼的是,口令的延時,這恐怕讓對接過程只能依靠自動設備完成。
除了返回的過程復雜,取回的火星樣品會不會把火星有害的物體帶回地球,也是科學家們考慮的另一問題。龐之浩介紹說,當年阿波羅登陸歸來后,航天員尚且被隔離查看有無有有害物質被帶回。因此,面對火星這樣的未知星球就更需要謹慎,“如果帶回災難性的生物就麻煩了”。
盡管發射上去的探測器無法取樣,但是人類依舊得到了不少有用的信息,比如是否存在生命,是否有生命曾經存在的痕跡等等。之前,火星快車號在火星大氣層內發現甲烷,對于科學家也是極大的鼓舞,因為甲烷可能是生命體釋放聚集而成。
移民可能嗎?
未來,人類可以移居至火星,這樣的設想真的可以成真嗎?2013年,荷蘭非營利組織更是推出“移民火星計劃”,即在2023年,通過一系列選拔和培訓,將最終在申請者中挑選出2男2女共4人送去火星,成為火星首批居民,并且將永遠居住在那里,在火星上建立人類的首個永久性定居點。焦維新認為,荷蘭的這項計劃“有點離奇”。“因為,荷蘭本身就沒有像樣的航天事業,而且它從未向月球、火星發射過任何探測器。沒有經過實驗檢驗就直接進入載人階段有些不太現實。”
龐之浩也認為,移民火星首先要突破的是“人要到火星上去”。因為就目前的技術而言,從地球到火星一個來回需要520天,這對人的生理、心理的影響都很大,還要解決長期輻射和長期生命保障等一系列復雜問題。如果能夠縮短去火星的飛行時間,比如采用核動力飛船,將去火星的行程由10個月縮短至2個月,那么這些問題就簡單得多。“但是核動力飛船研發本身也不容易,美國研究后發現核輻射的問題不容易解決,在核動力飛船內,每天的輻射量相當于拍攝8次X光片。不過,美國和俄羅斯都正在繼續攻克這一難關。”龐之浩說。
焦維新曾經在他所著的《探索紅色星球》中,提出過一個概念,叫“火星地球化”。但是他表示,如果真要把火星改造成適合人居住的話,年限是800年。“因為,火星沒法和地球相比,有些方面可以改造,但是像引力、磁場、輻射等問題,人工沒法改造。”焦維新說,“人類進入太空才50多年,難以想象500年后,科技會達到什么程度。但現在談這些還為時尚早。”
回望火星探測來時路
一顆石頭便能激起漣漪,人類對于火星投下“興趣之石”的時間,幾乎與人類剛剛有能力掙脫地球引力飛向太空的時間相同。
最早期的探測器幾乎都失敗了,但是這不能打擊人類追求未知的決心,火星探測也就是在一次次的失敗中不斷前進,愈挫愈勇。
火星第一次露“真容”
1960年10月10日,前蘇聯向火星發射了第一枚探測器火星1A號。緊接著就在四天以后,第二枚火星探測器升空。然而這兩枚火星探測的先行者卻連地球軌道都沒能到達。
1962年,當火星又一次運行到合適的位置時,前蘇聯的第三枚火星探測器升空了,然而這次它也是僅僅到達了環繞地球軌道而已。同年11月,前蘇聯向火星發射了火星1號,這枚探測器成功進入了往火星的軌道,并且計劃于1963年6月19日到達火星,然而當1963年3月21日它飛行到距離地球1.06億千米的距離時,卻與地面永遠失去了通信聯系。三天以后,前蘇聯的又一枚探測器升空,這枚探測器同樣面臨著失敗的命運,僅僅到達環繞地球軌道,就未能再次成功點火,兩個月后墮入地球大氣層燒毀。
兩年后,美國“粉墨登場”,先后向火星發射了兩枚探測器:水手3號和水手4號。水手3號的探測器偏離軌道,最終導致發射失敗。而水手4號于12月28日發射升空,它的任務目標就是執行近距離火星科學觀測,并將結果傳回地球。1965年7月14日,水手4號回傳了一張火星表面的照片,這是第一張從地球以外另外一個行星上拍的照片。這張充滿了隕石坑、死寂世界的照片,震驚了科學界。接下來,水手4號又向地球傳回了21張照片。它發回的數據表明,火星的大氣密度遠比此前人們認為的稀薄。然后,它環繞太陽軌道上花費三年時間對太陽風進行探測。
之后,前蘇聯和美國的幾次嘗試紛紛以失敗告終。這種狀況一直持續到上世紀70年代。
1971年,美國向火星發射了兩枚探測器——水手8號和9號,嘗試進入火星軌道,環繞火星飛行,以獲取火星的高清晰照片。水手8號火箭“夭折”在大西洋。而水手9號則比它的兄弟們幸運得多,成為有史以來第一枚成功進入環繞火星軌道的探測器,1971年11月14日,水手9號終于到達火星,在火星軌道上工作了將近一年之久,發回了7000余張照片,覆蓋了火星表面超過80%的部分,同時還對火星的衛星進行了探測。
無人探測器登場
與水手9號同一年飛向火星的還有前蘇聯的三枚探測器。其中,火星1號和2號不是失誤就是失聯而失敗。只有火星3號成功在火星著陸,成為有史以來第一個成功在火星表面著陸的探測器,雖然它僅僅在火星上工作了大約20秒就永遠與地球失去了通信聯系。
1975年,美國國家航空航天局實施了“海盜號探測計劃”,被稱為“有史以來最為成功的火星探測計劃之一”。它們由兩部分組成,一個軌道器和一個著陸器。海盜1號于1975年8月20日發射升空,軌道器于次年6月19日進入環繞火星軌道,著陸器則于7月20日在火星表面成功著陸。海盜2號則在1975年9月9日發射升空,軌道器于次年進入環繞火星軌道,之后著陸器在火星表面成功著陸。海盜1號成為第一枚在火星上著陸,并且成功向地球發回照片的探測器。
海盜1號的軌道器在軌道上一直工作了5年,而著陸器使用核能作為電力來源,在火星表面正常工作超過6年,直到1982年11月13日錯誤指令導致失去通信聯系為止。在很長一段時間內,海盜1號都是在火星表面存活時間最長的紀錄保持者,直到2010年5月19日才由機遇號以2246個任務日的運轉打破了海盜1號2245個任務日的紀錄。海盜2號的軌道器在軌道上一直工作到1978年,而著陸器在火星表面正常工作了三年多的時間,直到1980年4月11日電池故障導致通訊聯系中斷。海盜號火星探測計劃總共向地球發回了數萬張高清晰照片。
多國參與探測火星
1988年,前蘇聯再次推出一個新的火星探測計劃,將福波斯(Phobos)1號和福波斯2號探測器送入太空。然而盡管相隔15年之久,這兩顆探測器依然沒能逃脫失敗的命運。
這場失敗為人類在上世紀80年代對火星的探測畫上了句號。當時間邁入20世紀的最后10年,除了美國和前蘇聯解體后更名的俄羅斯,日本也加入到火星探測的陣營,于1998年7月3日,發射了希望號。希望號在經歷了幾次失誤后,終于在2003年被放棄。
21世紀來臨后,世界各國紛紛加入探測火星的行列中。2003年,歐洲航天局的“火星快車”探測器發射升空,并于2004年公布發現火星南極存在冰凍水。后來,“火星快車”還在火星大氣層內發現甲烷。
2011年11月9日,中國“螢火一號”火星探測器搭載在俄羅斯“福波斯-土壤”探測器內部,由俄羅斯“天頂號”運載火箭在哈薩克斯坦拜科努爾發射場點火發射,盡管這一探測行動最終失敗,但是依然是中國向火星探測邁出的重要一步。而在2013年,印度政府也在民眾對政府耗費巨資探索遙遠的火星表示強烈不滿中,將火星探測器曼加里安號發射升空。此時,曾經“試水”多年的美國和俄羅斯,分別宣稱將在2020年和2025年把人類送上火星。
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