巡天遙望那顆星人類探索火星之旅

　　 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。