“天問一號”發(fā)射升空！關(guān)于火星探測，你需要知道的都在這里

小科

23日12時41分，中國首個火星探測器“天問一號”搭乘長征五號遙四運載火箭，在中國海南文昌航天發(fā)射場發(fā)射升空。作為國首次執(zhí)行火星探測任務(wù)，“天問一號”的任務(wù)目標是通過一次發(fā)射，實現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視探測，獲取火星探測科學(xué)數(shù)據(jù)。根據(jù)計劃，經(jīng)過約200天的飛行后，探測器將抵達火星軌道，于2021年2月11-24日環(huán)繞火星運行，并于2021年4月23日降落一臺火星車到火星表面，進行時長90個火星日的探索工作。
　　通常來說，火星探測有三種方式：在軌道上繞火星飛行進行較遠距離探測的環(huán)繞器，降落到火星表面，原地進行探測和實驗的著陸器，以及能在火星上運動的巡視器（火星車）。而我國計劃在首次火星探測項目中一次性實現(xiàn)“繞”、“落”、“巡”三大任務(wù)，這在世界航天史上還沒有過先例。
　　在此次火星探測任務(wù)中，“天問一號”將完成哪些任務(wù)？有望在哪些領(lǐng)域為我們帶來全新的發(fā)現(xiàn)？目前我們對火星的了解又到了什么程度？在“天問一號”抵達火星之前，先來了解一些基本信息吧。
　　“天問一號”的多項任務(wù)
　　火星是太陽系中與地球環(huán)境最為相似的行星，了解火星對研究地球早期歷史和生命起源有著重要價值，也對人類拓展生存空間具有重要意義。如果“天問一號”探測任務(wù)成功完成，將為我們提供關(guān)于火星的大量全新信息。
　　例如，為了繪制火星的地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖，環(huán)繞器和火星車都配備了探地雷達。環(huán)繞器上的雷達可以“看透”幾千米深的地層，而火星車上的雷達雖然看不到這么深，但分辨率卻能達到厘米級。這或許能幫助我們了解火星地表以下的水冰分布。
　　而“天問一號”另一項激動人心的任務(wù)，是探測火星的磁場。目前有理論認為，火星曾擁有和地球類似的磁場。然而隨著火星內(nèi)核中熔融的鐵逐漸冷卻，它的磁場也逐漸減弱甚至消失。失去了地磁場的火星被暴露于太陽風(fēng)和輻射下，并導(dǎo)致其失去了地表水和大氣。火星的磁場究竟發(fā)生過怎樣的變化？“天問一號”環(huán)繞器與火星車將為我們提供更多的證據(jù)。
　　除此之外，環(huán)繞器和火星車還將搭載礦物光譜儀、高能粒子分析儀、激光擊穿光譜儀等多種儀器。這些設(shè)備將幫助遠在地球的科學(xué)家研究火星巖石、土壤和大氣的成分，更好地了解火星環(huán)境。
　　“天問一號”火星車的設(shè)計壽命為90個火星日（一火星日約為24小時40分鐘）。這將成為中國航天者向太空發(fā)問的第一步，也是中國航天走向深空的里程碑。
　　

　　“天問一號”著陸器及巡視器（圖片來源：CNSA）
　　關(guān)于火星，我們了解多少？
　　近些年來，一些歐美國家的火星探測器取得了一些重要的發(fā)現(xiàn)，也提出了更多關(guān)于火星的疑問。我們期待著，即將抵達火星的“天問一號”將揭開其中部分問題的真相。
　　火星上有生命嗎
　　火星上存在生命嗎？如果說目前火星嚴酷的條件似乎難以支持生命活動，但多項研究已經(jīng)證實，早期的火星曾有大量液態(tài)水，甚至10億年前火星表面可能仍有河流，那么火星上曾經(jīng)有過生命嗎？對此，科學(xué)界目前還沒有明確的答案。不過，在近期的研究中，“好奇”號還是發(fā)現(xiàn)了一些可能與生命有關(guān)的跡象。
　　2018年，“好奇”號的兩項研究同時登上《科學(xué)》雜志。其中一篇，“好奇”號在火星地表具有30億年歷史的沉積巖中，發(fā)現(xiàn)了一些穩(wěn)定的有機分子。這些有機分子包含碳元素和氫元素，同時可能含有氧、氮等其他元素。不過，有機分子雖然與生命聯(lián)系緊密，但它們也可能由非生物反應(yīng)過程產(chǎn)生，因此不能作為證實火星生命的確鑿證據(jù)。另一篇論文則是發(fā)現(xiàn)了火星大氣中甲烷含量的周期性變化。同樣，這些信號可能來自生物反應(yīng)，但更大的可能性是水和巖石的化學(xué)反應(yīng)。因此，火星生命的答案，仍需等待今后的火星車探測。
　　火星上有多少水
　　火星生命的疑問懸而未決，但作為維系生命的基本元素——液態(tài)水，已經(jīng)有了初步的答案。在2018年，《科學(xué)》雜志的一篇論文給出了火星存在液態(tài)湖泊的證據(jù)。利用歐洲航天局“火星快車”號探測器搭載的MARSIS雷達系統(tǒng)，意大利科學(xué)家在火星南極1.5千米厚的冰蓋下首次發(fā)現(xiàn)大面積液態(tài)水。這是一片至少有數(shù)米深、直徑約20千米的湖泊。盡管高鹽度讓這個直徑達20千米的湖泊很難成為常見生命的搖籃，但研究人員認為，在火星的其他區(qū)域，還有可能存在更多地下液態(tài)水。這項研究也為進一步的火星生命搜尋提供了線索。
　　

　　來源：歐洲航天局
　　除此之外，火星勘測軌道飛行器（MRO）也在更早的時候也通過高分辨率的拍攝，觀測到了火星溫暖的陡坡上的深色條紋（季節(jié)性斜坡線），研究人員認為這種特征性的圖案是鹽水流過的證據(jù)，這樣的條件也為微生物的生存提供了可能。不過這項證據(jù)仍有爭議，2017年也有研究提出了不同的觀點：季節(jié)性斜坡線可能只是火星流沙的產(chǎn)物。
　　火星的大氣去哪了
　　早期的火星曾是一顆有著廣闊海洋和濃厚大氣層的溫潤星球，但在漫長的演化過程中，火星的大氣層幾乎消失，失去大氣層保護的火星也變得干燥、嚴寒。那么，火星的大氣究竟去哪了？
　　2013年，NASA發(fā)射了火星大氣與揮發(fā)物演化任務(wù)（MAVEN）探測器。MAVEN探測器通過對火星大氣與磁場的探測，發(fā)現(xiàn)了一些線索。研究發(fā)現(xiàn)，火星大氣正以兩種主要途徑向太空逃逸。一種是離子逃逸，即太陽風(fēng)吹向火星大氣時，其中的帶電粒子與大氣中的分子碰撞，使得氣體分子丟失電子，在太陽風(fēng)帶來的電場加速作用下逃逸。另一種逃逸方式是噴濺逃逸：在太陽風(fēng)中高能粒子的撞擊下，高層大氣中的氣體分子四處飛濺，其中一部分在這一過程中獲取了足夠的動能，逃脫火星的束縛。在太陽的生命早期，太陽風(fēng)暴的頻率和強度都遠高于現(xiàn)在，星較弱的磁場也不足以對大氣層構(gòu)成有效保護。因此在兩種機制的共同作用下，火星的海洋與大氣層消失了。
　　火星上的“地震”活動是什么樣的
　　

　　圖片來源：NASA/JPL-Caltech
　　如果說之前的一系列探測器讓我們了解了火星大氣層、地表的一系列信息，那么2018年登陸的“洞察”號火星探測器則是首次窺視火星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。2019年4月，“洞察”號首次監(jiān)測到了一次“很可能是火星震的活動”。如果得到證實，這將是人類首次觀測到火星震。而截至2019年10月，“洞察”號已經(jīng)捕捉到超過100次震動，其中21次極可能是“火星震”。目前，NASA科學(xué)家正在分析震動的原因。基于“洞察”號的這些研究不僅開啟了“火星震學(xué)”這個全新的領(lǐng)域，還將幫忙我們重新認識火星的形成與演化。
　　“天問一號”將如何前往火星？
　　“天問一號”的火星之旅，將面臨著很大的挑戰(zhàn)。難度首先存在于在地火距離遙遠以及對火星環(huán)境的不了解上。相比地月距離，地球與火星的距離非常遙遠，最遠時約為4億千米，最近時也有約5600萬千米。以我國這次將要發(fā)射的火星探測器為例，需要飛行200多天才能到達遙遠的火星。這帶來的首個挑戰(zhàn)，就是在攜帶燃料有限的情況下，探測器如何能夠飛越如此遙遠的距離，這就需要研究者對探測器飛行軌道進行精密的設(shè)計。
　　
　　火星探測器飛行效果圖。圖片來源：國家航天局
　　根據(jù)計劃，火星探測器會按照“霍曼轉(zhuǎn)移軌道”飛行。在“天問一號”火星探測器發(fā)射升空后，會先在地球附近加速，進入霍曼轉(zhuǎn)移軌道利用慣性保持飛行，慣性飛行過程中不需要消耗燃料。等到達火星軌道時，探測器會“剎車”降低速度，最終被火星捕獲。這就是本次火星探測任務(wù)第一階段的目標：環(huán)繞火星飛行。
　　

　　圖片來源：國家航天局新聞宣傳中心
　　若想成功進入霍曼轉(zhuǎn)移軌道，對火箭的運載能力和入軌精度有很高的要求。月球探測器進入地月轉(zhuǎn)移軌道所需的速度是10.9km/s，而火星探測器進入霍曼轉(zhuǎn)移軌道的速度至少要達到第二宇宙速度（11.2km/s）。因此，這次發(fā)射任務(wù)使用了新一代運載火箭中推力最大的“胖五”——長征五號運載火箭。在成功進入太空后，整流罩中的火星探測器會與火箭“星箭分離”，獨自飛向火星，這段旅程大概需要6~7個月。如果一切順利，探測器預(yù)計于明年2月左右到達火星引力勢場內(nèi)，切入火星軌道，被火星捕獲。這個捕獲的階段非常關(guān)鍵：在切入火星軌道時，如果切入點離火星太近，探測器可能會墜毀；如果太遠，探測器可能無法被引力捕獲而掠過火星。

　　若能成功切入火星軌道，再經(jīng)過多次調(diào)整，環(huán)繞器就可以進行環(huán)繞探測了。這時我們將迎來本次火星探測任務(wù)的第二個階段，也是最大的難點——火星著陸。火星探測器需要將4.8km/s的超高速，減到火星著陸時的0，這個過程只有7分鐘左右，也被稱為“恐怖7分鐘”。著陸器何時開始減速進入火星大氣、進入的姿態(tài)、進入的角度都需要精準的控制，然而問題在于，我們對于火星上的環(huán)境，尤其是大氣狀況的了解非常有限。再加上地火距離遙遠，從地球發(fā)送到火星的單程無線電信號，單程延時為20分鐘左右，難以依靠地球指揮著陸。
　　“天問一號”任務(wù)計劃采用的減速方式將分為四個階段進行。第一個階段是氣動減速段，探測器會踩下“急剎車”，在大約290秒內(nèi)將速度從4.8 km/s迅速降低到460 m/s。接下來探測器將打開降落傘，在大約90秒后，速度會降到約95 m/s。隨后進入第三個階段——動力減速段，探測器的反推發(fā)動機開始工作，在80秒內(nèi)將速度降到3.6 m/s以下。當(dāng)探測器距離火星表面約100 m高時，就進入了最后的著陸緩沖段，探測器準備開始懸停避障。此時探測器的速度已經(jīng)很慢了，探測器會自主觀察火星表面，快速計算出最佳著陸點。最終它將水平移動到該點上方，伸出“四條腿”，并在穩(wěn)定著陸后展開舷梯釋放火星車。