“洞察号”要给火星“把把脉”

乔辉

北京时间2018年11月27日凌晨4时，美国宇航局（NASA）发射的“洞察号”探測器在火星软着陆成功。在此之前，“洞察号”已经在太空飞行了半年多，行程超过4.84亿千米。

自从登陆火星以来，“洞察号”就不紧不慢地逐步开展工作。它首先展开直径2米的2个太阳能电池板，然后给自己来了个自拍。随后，科学家远程遥控“洞察号”上的机械臂把探测火星震动的“火震仪”抓起来放在火星表面，用来测定火星的震动。

这是“洞察号”降落火星后传回地球的第一张照片。由于是透过布满灰尘的镜头盖拍摄的，所以视野看起来很脏。

“240万人”一起飞火星

虽然我们一辈子恐怕都无法去火星旅游，但“洞察号”给了大家一个亲密接触火星的机会。在发射前，美国宇航局通过网络从世界各地收集到了包括本文作者在内的240多万人的姓名（中国有26万人参与），然后将这些姓名刻在2枚硅质薄片上，准备一起飞往火星。虽然这不是航天界的首创，但确实是最火爆的一次。此次收集到的姓名数量是大名鼎鼎的“好奇号”火星车收集到的姓名数量的2倍。

其实，第一次征集早在2015年8月就开始了，22天内一共征集到了826923个名字。NASA工程师将这些名字用电子束写在了硅质微薄片上，薄片只有0.8平方厘米，字母的宽度仅为头发丝宽度的千分之一。

“洞察号”原计划于2016年3月4日发射，但由于法国提供的火震仪临时出了问题，任务被迫延期。由于火星发射窗口每26个月才有一次，“洞察号”只能延迟到了2018年5月5日才发射。在延期发射的这2年时间里，美国宇航局又启动了第二轮的征集工作，最终收集到2429807个姓名。

科学家在“洞察号”成功登陆火星后欢呼雀跃。

“洞察号”的降落地点与任务

2017年3月，来自喷气推进实验室的科学家宣布，“洞察号”最终选定的降落地点位于火星西埃律西昂平原（北纬4.5度，东经135.9度），距离“好奇号”火星车以北600千米。

“洞察号”是考察火星全球物理状态的探测器，因此与以往的探测器选址的思路是不同的，只需考虑有利于探测器工作的区域即可。

登陆火星的探测器在火星表面的分布情况。横坐标是经度，纵坐标是纬度。颜色不同表示地势不同，颜色越红，地势越高;颜色越蓝，地势越低。

首先，要保证降落区域有充足的阳光照射，这样才能有充足的电能驱动探测仪器;其次，要保证降落区域地形足够平坦、地层相对疏松。经过4年多的考察后，科学家筛选出4个备降区，这些区域都位于火星北纬3度到5度之间的赤道附近。

迄今人类向火星发射了40多颗大大小小的探测器，火星可以说是太阳系内人类最了解的地外星球。之前所有的探测器都是对火星的地表、大气和磁场进行研究。例如，著名的“好奇号”火星车主要对火星的表面地质情况和物质化学成分进行分析。而“洞察号”是首个探测火星内部的探测器，主要目的是通过摸清火星的内部结构以及热状态，推算太阳系内类地行星，乃至太阳系外类地行星的演化过程。

“洞察号”携带的三大仪器

“ 洞察号”采用减速伞和反推发动机的方式降落在火星表面，这与此前的“凤凰号”火星探测器一样。

这是“ 洞察号”登陆当日传回的远眺火星地平线的清晰照片。

地球、火星和月球内部的层状结构示意图

“洞察号”着陆后，分别在火星表面放置了一台火震仪，一个能打入火星内部5米深的热流探头和一个利用无线电通信测量火星自转轴晃动情况的装置。这三大仪器均被用来研究火星的内部结构，以便让我们更好地了解岩石行星是如何诞生的。如果说“好奇号”火星车是地质学家和化学家的化身，那么“洞察号”就是研究火星全局结构的“物理学家”了。

这三大仪器均被用来研究火星的内部结构，以便让我们更好地了解岩石行星是如何诞生的。如果说“好奇号”火星车是地质学家和化学家的化身，那么“洞察号”就是研究火星全局结构的“物理学家”了。

1.火震仪

日常生活中，大家在挑选西瓜的时候都习惯拍一拍，通过声音来判断品质。同理，要想了解地球的内部结构，最常见的设备就是能测量大地震动的地震仪了。地震仪在火星使用，就成了“火震仪”。“洞察号”携带的火震仪可以测量由于火星本身以及陨石撞击火星产生的震动，通过对这些震动的测量，科学家就能推算出火星的内部状况。

火震仪是由法国空间局主导，多国参与制造的设备，它能探测到低频的火星大气波动、“火卫一”对火星产生的潮汐涨落信号，以及高频的火星震动信号。

2.热流探头

当我们感冒发烧时，通常会用温度计测量体温，而热流探头就是测量火星体温的温度计。它能测量火星内部的热量散失情况，科学家可以据此研究火星内部的热状态以及随时间演变的情况。热流探头通过电缆和数据线与“洞察号”相连，将探测到的信息实时传回计算机处理。

热流探头由德国制造，是一种能自我驱动钻入大地的探针。此次在火星上预设的深度是5米。

3.旋转和内部结构实验装置

要在不打碎鸡蛋的前提下区分生熟，只要把它们旋转起来便可：生鸡蛋通常转动几下就停止了，而熟鸡蛋则能转好久。这就是由于鸡蛋内部的物理状态不同所致。同样的道理，这套装置也是通过测量火星晃动情况来判定内部物理状态的。

该装置由美国喷气推进实验室（JPL）牵头研制。它利用“洞察号”X波段信号的多普勒效应，对火星自转轴的晃动情况进行精细测量，然后反推火星的内部物理状态。X波段信号能把火星晃动信息精确到2厘米之内。

此前，“海盗号”探测器和“火星探路者”探测器也做过类似的实验，但精度不是很高，只能估算出火星内核的大小。一旦“洞察号”把火星自转轴的自转、进动和章动等晃动信息传回地球，科学家就可以更精确地计算出火星地核和地幔的大小。这将有助于我们了解太阳系内类地行星以及太阳系外类地岩石行星的形成。

名词卡片：

进动：一个自转的物体受外力作用导致其自转轴绕某一中心旋转，这种现象称为“进动”，也叫作“旋进”。

章动：当陀螺的自转角速度不够大时，则除了自转和进动外，陀螺的对称轴还会在铅垂面内上下摆动，称为“章动”。