发射成功:中国“天问一号”将对火星进行全球探测
2020-07-24 08:58

发射成功:中国“天问一号”将对火星进行全球探测

本文来自公众号:格致论道讲坛(ID:SELFtalks),作者:欧阳自远,中国科学院院士、地球化学与天体化学家,题图来自:视觉中国


2020年7月23日12时41分许,中国首次火星探测任务“天问一号”探测器,在海南岛东北海岸中国文昌航天发射场,由长征五号遥四运载火箭发射成功。


人类已经进行了47次火星探测,探测火星要比月球难多了。作为中国首次独立火星探测任务,“天问一号”将完成哪些科学目标?“天问一号”上共有13台神秘盒子,承担不同的任务,它们如何“各显神通”?天体化学与地球化学家、中国科学院院士欧阳自远带领我们探索神秘莫测的火星,以下为正文。



今天我跟大家分享的题目是《天问一号,中国首次自主火星探测》,分享的内容包含下面五个方面,也要向大家介绍一下我国发射的火星探测器。



火星蒙受的不白之冤


自古以来人们对火星就没有什么好印象,几乎每个民族都在咒骂火星。它在历史上没有好名声,一直被认为是一个不吉祥的星。因为火星是红颜色的,代表了血腥、战争、死亡和瘟疫。


但它真的蒙受了不白之冤。


根据离太阳的远近,火星在太阳系八大行星中排列第四。离太阳最近的是水星,然后是金星、地球、火星,往后才是木星、土星、天王星、海王星,所以火星是地球的邻居,比我们离太阳稍微远一点。



古代人觉得火星在天上忽隐忽现的,就给它取了个名字叫“荧惑”,就是描述它像萤火虫一样,有时候看得清,有时候看不清。


古人非常迷信,假如荧惑守心的话,一定预示着这个朝代的皇帝要死,而且会发生战乱。


荧惑守心指荧惑在心宿发生运行方向的改变,其运作方向或由顺行转为逆行,或由顺行转为逆行,并且停留在心宿一段时间的现象


公元前210年,正好荧惑守心,那是历史上最不吉利的一段时期,刚好那一天秦始皇驾崩,据说天上还掉下一块陨石,上面刻着几个字“始皇帝死”,而且预示着地要被分掉。


天文学家们给了它一个标志,这个标志就像发射出来的箭一样,代表着战争。


 

古罗马称火星为“玛尔斯(Mars)”,寓意喜欢打仗,喜欢屠杀的战争之神。


古希腊的人们把火星称为“阿瑞斯(Ares)”。阿瑞斯(Ares)是战争之神,他很勇猛,但很好战,喜欢屠杀。


在北欧,人们也叫它“战争之神”,甚至在古印度也是这样称呼。


总之古代几乎每个民族都认为火星是一颗恶星,它是人类灾祸的化身,所以火星一直蒙受这种不白之冤。


但现在我们应该为火星解除它的不白之冤了。为什么人们对火星会有这么坏的一个印象?因为你看到火星的时候,它是红色的。为什么火星会有红颜色?因为火星的表土里有一种矿物叫赤铁矿,赤铁矿是红颜色的,是古代作画时画红色的颜料。



赤铁矿弥散在整个火星的土壤当中,火星又经常发生沙尘暴、全球性的风暴,结果卷起了这些红色的赤铁矿夹杂在当中,所以显得红,跟血腥一样,导致人们对火星没有好印象。


其实真冤枉,火星是一个非常善良的、很好的天体,所以我们应该洗刷它的不白之冤。


火星,地球的好姐妹


火星在八大行星当中排第四,是地球的近邻,也是地球的好姐妹。火星跟别的七大行星几乎在一个平面上,大家各自按照各自的轨道,都围绕着太阳做逆时针方向的运行。


火星在第四个跑道转圈,地球在第三个跑道转圈,很有规律,很守秩序,而且一直是这样运行的,所以火星是地球非常好的一个姐妹。


火星其实跟地球挺像的,它绕着太阳转一圈,因为火星转的圈大,要678天。地球转一圈365天,是我们的一年。


另外,火星大约只能得到地球一半左右的太阳能,因为隔得比较远,所以太阳对火星就显得没那么热了。


火星个儿也比较小,大概只有地球的二分之一左右,所以火星的引力也比较小。


 

但是火星跟地球有一点特别像,它跟地球一样也是歪着自转的。


本来八大行星都是直起来,很有规律地绕着太阳逆时针方向公转,但是地球被一个小天体撞上了,最后产生了月亮,地球也留下了一个“残疾”,被撞歪了二十三度半,所以现在地球是歪着自己转,而且同时这么歪着绕太阳转。


这反而成全了地球一件事,本来直着自己绕着太阳转的话,地球表面的任何一点,一年下来没有季节变化,跟太阳的距离和太阳照射的角度永远没有变化。


现在歪着绕太阳转,转到这边,北半球靠近太阳,我们中国就是在北半球,那就是我们的夏天到了;再转另一边的时候,北半球远离太阳,我们的冬天就到了。所以,地球就出现了春夏秋冬四季的变化。


火星也挨过一次撞,所以它也被撞歪了,结果歪得跟地球一样,也有了春夏秋冬的变化。


地球的卫星——月亮,是地球主要的东西被撞了之后散落在地球的周围,最后慢慢汇集起来的。我们通过基因检测,证明月亮是地球的“女儿”。


火星这两个卫星可不是它亲生的,是一个小天体运行到它附近的时候被火星抓过来,便成了自己家族的一个成员,所以火星有两个“养子”,但它们跟火星是不一样的。


火星探测,难在哪里?


我紧接着要介绍的是探测火星。


人类已经进行了47次火星探测,但是这要比月球探测困难多了,它究竟难在什么地方?


这张图展示的是太阳、地球、火星,它们在一条直线上,这就是所谓的火星大冲,是火星离地球最近的一个距离。


网上有一个错误的信息,说从地球上发射探测器去火星,一定要在火星大冲的时候发射。这个时候地球离火星最近,才5000多万公里,等于是两个物体之间最短的直线距离,这时候发射探测器很快就可以到火星,其实这是错误的想法。


假如这个时候发射的话我们永远到不了火星,科学家们经过精确计算,要去火星不是想去就可以去的,26个月有一次机会,假如掌控不好这个时间就去不了火星。


当火星在我们前面老远的地方,从地球上发射一个探测器,大约要飞7个月左右,飞好几亿公里到达火星的轨道,火星刚好在这个时候通过它自己的轨道,也到达了这一点,这时探测器就可以飞到或降落在火星上。这才是去火星最短的距离,绝对不是大冲的时候发射,这完全是一种误解。


 

另外,地球在里面转圈,火星在外面转圈,所以一般来说要26个月才能有一次发射窗口。


我们跟火星的距离太远了,有时候地球在太阳这边,火星在太阳那边,我们要发一个信号给火星,它以光速运行,往往都要23分钟左右。


所以我要是给探测器指令的话,必须提前二十多分钟,一般来说至少得提前一刻钟发给它,一刻钟以后收到了,它才会执行命令。


所以火星探测的难点,一个是太远了,另一个是时延比较长,会有很多困难。 


第三,火星表面气候变化剧烈,经常发生沙尘暴,一弥漫起来,根本看不清火星的表面,这也给着陆器的着陆等造成了很多困难。


所以人类探测火星,统计下来已经进行过47次,但是失败的次数很多,一直到今天累计下来这47次成功了24次,刚好一半。


所以,要去火星,一般情况下有一半是要失败的,比去月球艰难多了。


火星上真的有生命存在吗?


我们到火星到底去干什么?


因为火星是最像地球的,而且自古以来就有很多传说。尤其是天文学家在火星上看到有很多一条一条的直线,认为那是运河。


有运河就一定有农业,有农业就一定有耕作的农民,天文学家认为那一定是火星人在种庄稼所以挖了很多水渠。


也有很多传说关于火星是不是有火星人,《火星人大战地球人》《马丁叔叔》……有很多大片描写火星人,也有很多科普书去讲火星人,科学家也觉得火星是最像地球的一个行星,上面说不定还真的会有生命。


所以,探测火星的第一个目的,自古以来都是为了探寻火星上有没有生命。它是什么形态的生命,它是怎么活动的?这是所有科学家们都非常感兴趣的问题。难道我们的太阳系,我们的宇宙,就只有地球有生命吗?其他星球根本一点儿可能性都没有吗?


火星是最有可能有生命的,所以大家集中目标去探测火星。


火星探测的第一个科学问题就是火星生命的探寻。


 

第二才是火星本身的磁层、磁场、大气、它的表面、它的地质构造等等。


第三,我们的地球受到了很多自然界的潜在威胁。比如说,6500万年以前,一个小天体撞了地球,导致地球70%的物种灭绝——恐龙灭绝,除此之外,地球上还有一百多万个物种被灭绝。


另外,地球还不时地发生大面积的火山喷发、巨大的海啸、强烈的地震。总之,我们的地球有很多的不安宁,再加上人类的很多错误行为,导致地球也许不适宜我们生存了。


所以科学家们想,能不能在太阳系里面找到另外一个天体,慢慢地把它改造成第二个地球?或者至少有两个姐妹一样的天体,最后地球和火星将成为人类命运共同体的栖息地,这不更好吗?


所以,火星探测现在是航天的一个重点,火星是人们最愿意探测的,因为它毕竟是在太阳系里离我们还算比较近的。


火星生命的探测经历了大概半个世纪,这半个世纪以来,科学家们首先是想直接探测到底有什么生命在活动。


 

上世纪70年代、80年代,主要发射探测器和着陆器探测,最后科学家们大失所望,火星表面没有任何生命活动的迹象。


 

后来说有水就有生命,而且发现火星地下有很多水。它表面也有很多河流湖泊,甚至出现过海洋,只不过现在已经干枯了。


 

火星曾经有过水体,生命跟水是在一起的,所以就跟踪水来探测生命,不过探测到今天也没个结果。大家期望能够找到哪怕是最低等的生命,哪怕是细菌也是值得珍惜的。


后来火星的探测拍到了很多照片。这是火星的河道,现在已经干枯了,这些河道都可以看出支流和主流。


 

另外,火星的北半球曾经是一个巨大的海洋,现在只剩下一个海底的海盆地了。


 

我们也积累了火星很多年的照片。这是同一个地方,先拍的那张很清楚,是一个陡坡,第二张照片里面显示出这陡坡突然塌方了,紧接着里面涌出水来,证明火星的水是在地下。


 

因此,后来提出一个说法,说火星的水都转入了地下,所以我们要找生命可能要到地下去找,因此探测器又去探测地下水的分布。



中国的“天问一号”有一台仪器,可以探测整个火星地下水的分布。例如它的河道一共有多少水等等,这些我们都要进行探测。


 

几十年来,科学家们研究火星,证明这里曾经有过很深的水覆盖了火星,平均大概有100米深的水,而这些水现在一滴都没有了。


火星离太阳比较远,当然比较冷,所以看不到液态水,最多看到有一点冰,而且年平均温度很低,零下60度,而只有夏天的几天,赤道的温度可以高于0度,达到十几度,所以大概也有很深的水,而现在的水都不在表面。


 

另外,南北极的两块地方曾经都发育过海洋,所以大家觉得跟着水探测生命也没有希望了。


后来又有一个新发现,发现火星的大气是以二氧化碳为主的,95%是二氧化碳,之后发现也有少量的氧气,少量的水蒸气,此后还发现火星的大气里有甲烷气体。


 

甲烷就是我们的煤气,就是天然气。天然气一般都是生命活动产生的,人类也会排出甲烷,稻田也会排出甲烷,那能不能跟踪甲烷去探测生命?


 

这是火星的水蒸气分布以及甲烷的分布。甲烷的分布只有十亿分之几,很少很少,科学家们还要抓住这一点一直探测。


后来探测下来也没有一个结果,不能说明我们发现了生命的征兆。


下图是甲烷的探测。


 

特别是“好奇”号火星车,它装备了非常先进的仪器,专门去探测火星上的有机化合物,最后也没有得出很好的结果。


 

后来又想了一个办法,能不能去研究火星掉下来的石头——火星陨石,能不能结合甲烷看看有没有什么发现?


 

因为甲烷在自然界可以没有生命而产生,可以是自然合成的,也可以在高温下合成,当然也有生物体排泄出来的甲烷。


 

在仪器上完全可以把最后形成的甲烷区分开来,但是现在没有办法去做。


人类一共得到了大概四五十块从火星掉到地球上来的石头,所以我们准备下一步用电子显微镜观测陨石的内部。


1984年,在南极找到一块陨石,在里面发现有很多小虫子,这是不是细菌?


 

美国人说这是细菌,欧洲的科学家说是污染,吵到今天也还是没个结果。


下图是这些细菌的横截面。


 

此外,在火星陨石里还发现了很多奇怪形状的东西。比如说图中像油炸面包圈一样的东西是不是也是细菌?我们也没有答案。


另外,中国在南极找到了12400多块天上掉下来的石头。


 

其中这两块是火星掉下来的,中国的科学家也去研究这里面有没有生命的信息,最后也证明没有。


 

但是中国科学家另外做了一件事。2011年在摩洛哥沙漠里掉了一块陨石,中国科学家把它买回来观察了里面的碳颗粒。


 

这都是纳米级、微米级的碳颗粒,在电子显微镜下研究,然后分析碳的同位素组成。


最后得出一个惊天动地的结论:这些碳是火星的生命产生的碳。


比如说,拿一块煤给我,我就可以研究出这块煤里面的碳过去是植物;拿一滴石油给我,我就可以研究出这滴石油里面的碳曾经是一些微体的动物。这些我们都可以做到。


最后结论出来,发现这是由火星生命形成的碳,但是很遗憾,美国封锁了我们,不让我们在美国最高级的杂志上发表。为什么?


美国的“好奇”号也在做这件事情,他绝对不希望中国人先发现。最后中国没有办法,就在欧洲的一个杂志上发表。


这是杂志的封面,登出了这块陨石,而且登出了全部的结果,时间是2014年12月2日。



而“好奇”号也在2014年12月16日发现同样的结果。他们在火星上研究的碳颗粒也被证明是来自生命的。


他们立即召开了一个全世界的记者招待会,宣布火星可能曾经存在过生命,跟中国的结论一样。但他们很遗憾,中国发表的时间是2014年12月2日,他们是2014年12月16日,比中国晚了半个月。


火星的生命探测就是这样一直吸引着全世界科学家的目光。


中国首次自主火星探测——“天问一号”


中国将会在7月发射“天问一号”火星探测器。我国曾经做过一次火星探测,当时是在2011年向全世界公布了中国首个火星探测器发射升空,探测器名称为“萤火一号”。


因为中国的探测器搭载在俄罗斯的飞船里,是俄罗斯把我们的探测器送到火星,然后我们自己再出来探测的。结果没有想到俄罗斯的探测器在飞离地球的第二天,由于轨道调整失败,最后向地球的大气层坠落,被烧光了。


这是中国第一次火星探测,失败了,但是我觉得没关系,我们应该吸取教训,应该更努力地去做好,所以我建议将这次火星探测称为中国首次自主火星探测。


我们这一次去火星探测的主要任务是发射一个火星的卫星,让卫星绕着火星飞;同时,也有一个着陆器会落在火星上,一辆火星车会走下来,一边走一边探测火星。


我们着陆的位置已经选好了,在火星北边高纬度的地方,曾经是火星海洋的位置。


 

因为当地比较平缓,所以我们选择了两个位置。我们的着陆器、火星车将着陆在那两个位置上。


这就是着陆器,火星车在上面,它会走下着陆器迈步到火星表面,一边走一边探测。


 

我们的探测大概有六个科学目标。


 

第一,火星的卫星上放了七台仪器,主要探测整个火星的地形地貌、岩石分布、气候变化。总之这是全球性的探测。


此外,我们的火星车上放了六台科学仪器,要探测火星地下的土壤分布、土壤的成分、底下是不是有地下水的分布。


我们的卫星在天上探测,而火星车在地上也探测地下水的分布,联合起来探测。


火星车上还有一台气象站,探测记录火星的气候变化。


全面探测火星一共有13台仪器,它们承担着不同的任务。


这次是中国首次自主的火星探测,再过几年,至少在2030年以前,中国要着陆在火星上,要在火星上采样返回。


 

现在人类还没有得到任何一块自己从火星采回来的样品。


火星上掉下来的石头,我可以研究出是什么石头,有什么样的特点,它也许能解答火星的某些科学问题,但是我不知道它是从火星什么地方掉下来的,所以用处还不是太大。


我们也有一个详细的计划,中国还要去探测小行星带,从小行星取样返回。


我们还要去探测太阳系最大的那个行星——木星。木星有69个卫星,它的卫星是连轴转的,我们要探测它一系列的卫星,还要继续对行星际的穿越探测。


 

所以在我们首次自主火星探测以后,所有的这些探测计划都要逐步实现。


中国有能力飞得更远,我们也应该飞得更远。我们要探测整个太阳系,我们要向太阳系的星辰大海挺进,这就是我们的目标。


所以我真诚地希望年轻的朋友们,希望你们真正地热爱科学,了解科学,学习科学,弘扬科学精神,很好地培养自己的科学思维,将来担当起这种重任,为实现伟大的社会主义强国而奋斗。


 

青年朋友们,青少年们,祝福你们以后勇于担当,完成我们建设“两个一百年”的梦想,实现我们伟大的强国之梦。


你们一定会实现的!


本文来自公众号:格致论道讲坛(ID:SELFtalks),作者:欧阳自远

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