为了了解火星环境,我们决定在火星表面“针灸”
2020-09-29 20:00

为了了解火星环境,我们决定在火星表面“针灸”

本文来自微信公众号:造就(ID:xingshu100),编辑:王锐,题图来自:《火星救援》


我们国家第一个火星探测器——天问一号正在赶赴火星的征途中,明年就会与火星有“第一次的亲密接触”。


有人会问,我们为什么要花这么大的力气去研制火星探测器,为什么要去探测火星?我想主要是“至所未至,知所未知”的好奇心使然。


当人们有条件、有能力,也有保障的时候,总是希望去未知的地方看一看。



在科幻电影《火星救援》中,主角成功地在火星上种出了土豆。


那么在现实中,我们能把土豆种出来吗?什么地方最适合种土豆?什么地方最适合种植物?什么地方最适合改造成人类最容易生存的环境呢?


《火星救援》中马克依靠聪明才智来制造水、种土豆,以此维生,最终成功等到救援


要解答这些疑问,我们就要研制探测器,配置有效载荷,去探索火星以寻求答案。


何志平,中国科学院上海技术物理研究所研究员


  • 火星探测器是如何“看见”火星的?


  • 分析火星地表成分要靠“针灸”来实现?


  • 火星的极端天气对探测有何影响?




一、火星上有冰、有矿产甚至可能存在过微生物



有效载荷相当于火星探测器的眼睛、耳朵,可以从不同方面探测火星的信息,包括地形地貌、物质成分、环境、地质活动,以及气候条件等。


“天问一号”上配置了13台套有效载荷,其中环绕器上7台套,火星车6台套。我们将利用环绕器在火星上空进行大范围的宏观探测,利用火星车到我们最感兴趣的地方开展精细探测。



这张照片是环绕器上,利用光谱图像观察火星的水冰分布,另一张是在火星表面探测元素成分的光谱示意图。


为什么光谱可以做到探测物质成分呢?这里不得不提到伟大的科学家牛顿。


提到牛顿,大家常会想到万有引力,想到牛顿三大定律。其实光谱也是牛顿实验发现的,利用棱镜把太阳光色散,发现它其实是由很多颜色的光构成的。



人的眼睛也可认为是一个光谱成像仪器,可以感知不同色彩的图像。而光谱学研究发现,在人眼看不到的地方,也有很多光谱信息。我们就是利用光谱信息与物质成分之间的关联性来探测的。


在火星天上,环绕器主要利用分子吸收光谱,分析火星表面反射太阳的光谱特征数据,相当于给火星拍了一张特殊的照片。


平常生活中,数码照片常会标注参数是100万像素或1000万像素,而给火星拍的光谱照片特殊之处在于,每一个像素都有一条光谱曲线。


由此我们可以知道每个像素对应目标位置里面的成分信息,再结合照片中目标的几何形状与位置关系,就可以在宏观范围对火星进行成分探测了。



很多国家已对火星进行了探测,并得到了一系列有意义的探测成果,比如:


火星上富含氧化铁,所以火星看起来才这么红;


发现火星表面有辉石、橄榄石等矿产资源信息以及分布情况;


在火星的极地有冰,其中大部分是干冰,小部分是水冰。


而在火星表面,除了利用吸收光谱以外,还常常采用激光诱导光谱技术。它主要是通过探测对应元素成分的特征光谱来分析。就像人的指纹一样,每一种元素都有对应的光谱特征信息。



在火星表面,利用火星车探测的国家主要是美国,得到了很多有价值的成果,如:


火星曾经可能有温暖湿润的环境;


火星曾经可能存在过微生物;


这些发现,也进一步激发了人类对火星的兴趣。今年的火星探测很热,原计划有四次火星探测任务,包括中国、美国、阿联酋和欧空局。后来欧空局因故推迟,所以现在有三个探测器正在奔向火星。


二、“光谱眼”是如何探测火星的?


“天问一号”在环绕器上配置火星矿物光谱分析仪,在火星车上配置火星表面成分探测仪,对火星的物质成分进行探测。


环绕器上这台仪器的谱段主要在红外,我们把它叫红外光谱眼。火星车上的仪器,主要利用激光诱导技术,所以也叫激光光谱眼。



我们先来看红外光谱眼,它是一台高集成的仪器设备,追求的是高灵敏度、高分辨率。要探测576个不同谱段的信息,期望在火星上有更好、更新的科学发现。探测过程中,精确定标是另一个技术难点。


什么是定标呢?打个比方,我们以前用手表时,需要经常对时,去校正它的准确性。同理,红外光谱眼在探测过程中,也要将所获得的火星光谱特征信号校正的更准。这主要依靠多溯源、综合性的光谱定标方法。


多溯源指的是校准用了多个源,包括太阳,自带的标准灯,冷空间及火星特定区域。通过对这多个目标溯源的观测,可以更准确、全面了解仪器的响应状况,将探测的数据校对的更准确。


同时,探测火星特定区域,这些美国、欧洲等国家探测过的地方,比对我们的数据与他们的数据,在做科学研究时,特别是有新发现的时候,更容易得到同行认可。



在火星车上的激光光谱眼是一台功能强大,系统复杂的载荷。能在完成激光诱导光谱探测和红外光谱探测的同时,还能显微照相及灵活地指向想要探测的目标。它是由五个部件组成,其中三个部件安装在火星车的外面。



激光诱导光谱在火星上的探测,就像对火星进行“针灸”。把激光汇聚到约0.2毫米的小点上,发出的高能量密度激光射在火星表面,由此产生高温使物质形成等离子体而发光,看起来就像一个很亮很亮的小点。


通过探测其中的光谱信息,我们就能知道探测的火星部位有什么元素。


三、“被逼出来”的自主创新


火星上还有一个必须面对的难题就是如何适应恶劣和复杂的环境。



温度是绕不过去的一个坎,虽然火星车对仪器有一定的保温的作用,但激光光谱眼有三个部件是安装在火星车外面的,就相当于暴露在室外的空调外机。


所以它要经受严寒,要在接近零下一百度的环境中活下来,并且在低温下能正常的工作,拿到可靠的数据。同时,还要在多沙尘暴的环境中存活并正常工作。


这些工作需要突破很多技术难点,那么,光谱眼是如何突破难点锤炼出来的呢?主要是靠自主创新,而且是被“逼出来”的自主创新。


举例来讲,红外光谱探测用到了一个技术叫“声光光谱探测技术”,我们最早开始研制的时候,不是为了火星,而是围绕月球探测任务开始研发的。


它要用到的一个核心器件叫声光可调滤光器,英文简写是AOTF。这个器件当时国内没有,最有效可行的方式是全球合作。


我们找到美国的一家机构,希望能够定制购买,在美国现有的器件基础之上,研制出我们需要的应用器件。但是协调下来并未成功,只能靠我们自己做。



整个研制过程很困难,因为我们不知道原材料谁能生产,也没有设计方法与制备工艺,更没有支撑制造、检测的设备条件。


我们首先在国内找到生长晶体的单位合作,解决大口径、高性能的二氧化碲晶体材料。


后来,又找到一家单位,虽然他们以前没有做过声光可调滤光器,但是他们做过声光原理的器件,具备设计和工艺基础;


同时,研制专用设备,支撑产品研发中的优化设计,制备工艺确认以及最终产品检验所需要的测试能力。通过与国内多家单位的协作,我们最终高质量完成了这个国产化器件的研制。


有人就会问,为什么非要用这个技术不可?这其实也是被科学探测需求“逼出来”的。刚刚提到,这项技术的研发,并不是为了火星,而是月球。


月球与火星的不同在于,它的表面温度比较高,而且没有国家去过月球表面探测红外光谱,没有经验可以借鉴。



我们经过分析、验证,AOTF技术很适合在月球较高温度条件下探测红外光谱。因为它有一个特性——可以用电控选择波长。


每个物体都在发出红外光,我们人体也一样。在疫情期间,我们利用人体发出的红外光可以测量温度。


在月球上也一样,我们仪器本身也发出红外光,而我们又要测量月球表面的光谱,两者之间会互相干扰,很难拿到有效的数据。


利用AOTF的特性,把信号光关掉的时候,可以测量仪器自身的红外光,把它打开的时候,测量仪器的红外光叠加月球红外光,这样就很容易算出月球表面光谱的信息。


除此之外,利用它可选择波长的特性,可以探测到高质量的数据。


打个比方,我们平时拍照的时候,如果在场景里有一个很亮的目标和一个很暗的目标,无论如何设定拍照的参数都不太好。要么亮的地方过曝,白花花的一片,要么暗的地方很暗,看不清细节。


但是我们可以单独分别针对暗的及亮的地方设置曝光时间和光圈,就都能得到质量较好的图像效果。


同理,要探测目标的几百个光谱,利用波长选择特性,我们可以根据每个波长的强度,单独针对它设定参数进行探测,可以获得这几百个光谱最优的信息,最终能拿到好的数据。


通过这两个特性,我们完成了月球的红外光谱探测,所以这次在火星上应用,我们就有信心多了。


欧洲科学家对声光技术的评价


科学仪器探测的数据准确、可靠与否,关系到科学家运用这些数据所开展的科学研究是否能得到国际同行的认可。


我们很高兴的是,在我们成功研制出月球表面应用的声光光谱仪器之后,欧洲光谱仪器的首席科学家在期刊上发表了一篇文章,对我们的技术和数据有一个评价——


“这是迄今为止,唯一成功实现表面原位探测的AOTF光谱仪器,唯一成功空间应用的AOTF高光谱成像仪,唯一真正意义的画幅式高光谱仪。”


现在,距离“天问一号”发射已经过去50多天了,它仍然在路上。



回到开头的问题——我们究竟能不能在火星上找到最适合种土豆的地方?我们究竟能不能在火星上找到最适合人类改造、生存的地方?我们人类究竟如何走出地球,走向未来的太空时代?


“天问一号”任务中对火星表面的物质成分探测,其实是我们深空探测任务中“一小步”。


这些宏大目标,都是由无数个这样的“一小步”来实现的,“积跬步以致千里”,我们走向深空的征程才刚刚开始。


本文来自微信公众号:造就(ID:xingshu100),编辑:王锐

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