火星探测史

陈若颖

火星与地球距离示意图

何谓“火星年”

为什么大家都不约而同地选择2020年暑期发射火星探测器呢？这其中有两个重要原因：一是火星发射窗口，二是地球与火星的会合周期。我们知道，太阳系内的行星都在围绕着太阳运转，但它们各自的公转周期并不相同，所以当它们运转到不同的位置时，它们和地球之间的距离就会发生变化。比如地球和火星之间的距离，最近时只有约5500万千米，而最远时则有4亿千米。选择在二者距离较近的时候发射飞行器，无疑可以大大节约时间和燃料。因此，这一时段也被称为火星的“发射窗口”。今年的七八月恰好就是火星的发射窗口，此时从地球发射的探测器经过一段弧形轨道后，最快可以在7个月后就到达火星。除此之外，因为地球和火星相对位置每循环一个周期所需要的时间（即地球和火星的会合周期）大约是26个月。也就是说，如果错过今年的发射窗口，下一次的火星发射窗口就要等到2022年。因为这种“错过这次，再等两年”的规律，各大科研机构纷纷制订今年的发射计划，急于将最新科研成果应用于火星探测中。

早期的火星探测

自古以来，人类对火星和火星上的生命充满无限遐想，火星探测也基本是围绕着“生命”这一主题展开的。1877年，意大利天文学家斯基帕雷利使用天文望远镜观测到了火星上的黑色暗沟，在他的想象中，这些暗沟是海峡。于是，斯基帕雷利就把这些暗沟称为“canali”，即意大利语中的“水道”。这一重大发现传到英国后，“canali”就被人们误翻译为“canal”，即英文中的“运河”。于是，火星上存在能够建造运河的智慧生命的消息不胫而走。由此人们开始对火星环境和火星生命产生了各种猜测，有人认为那些暗沟是火星人用于交通运输的河道，有人认为火星人在利用运河引水灌溉，而部分科学家却认为那只是视觉误差。但在人类还只能通过望远镜远观火星的时代，任何说法都是无根据的猜测。

火星上的黑色区域

1957年，苏联首先将人造卫星成功发射升空，这一轰动全球的事件翻开了人类探索宇宙的新篇章。世界各大科研机构纷纷把目光瞄准地球之外，开始制订各种宇宙探索计划，希望能够充分了解地外天体，搜寻地外生命，甚至进行星际移民。在此基础上，NASA在1960年启动了一个名为“地外生命计划”的项目，设计制造了多个月球探测器并展开对月球的探索。

此时，地外生命学家则将注意力投向更远的地方——金星和火星。在太阳系八大行星中，金星和火星距地球较近，比较容易探测;不仅如此，它们还都位于太阳系的宜居带中，可以说是最有可能存在液态水的两颗行星。相较于金星上浓厚的硫酸云、92 倍的大气压、约450℃的高温以及比一年还要长的一天，火星似乎更具“亲和力”，它拥有与地球相近的自转周期和自转轴倾角、约-40℃的表面平均温度和稀薄的大气层，被人们称为“地球姊妹星”。如果让科学家们在太阳系中选择最有可能存在地外生命的行星，火星肯定得票数最高。

开普勒-22系统和太阳系的宜居带对比（图片来源：NASA）

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宜居带

宜居带指的是恒星周围的一个距离范围，在这个范围内水分子可以以液态形式存在。因为液态水被科学家们认为是生命存在的必要因素之一，而水分子只有在一定温度下才會以液态形式出现，所以处于宜居带内的行星被认为更有可能孕育生命。现在科学家们在太阳系外的行星上搜寻生命时，都是以是否处于宜居带作为重要判断标准。

20世纪60年代，美国和苏联在航天领域展开了激烈的竞争，人们把那段历史称为“太空竞赛”。1962年，苏联发射了火星1号探测器，虽然它在飞离地球1亿千米时就与地面失去联系，下落不明，但它却被看作人类火星探测的开端。同年，美国开始实施“水手计划”，并着手设计了一系列旨在探索水星、金星和火星的探测器。在经历过失败后，1964年，美国成功发射了水手4号探测器（以下简称水手4号），这是有史以来第一个飞掠火星并传回数据的火星探测器。收到水手4号发回的第一张图片信号时，NASA的科学家们甚至等不及电脑处理，自己就先将原始信号简单转码，得到了一张粗糙的图像。这张看上去荒凉死寂的橘红色图片震惊了世界，也让科学家们开始重新评估火星上存在生命的可能性。

经过简单处理的世界上第一张火星图片（图片来源：NASA）

在此之后，美国又于1969年成功发射水手6号和水手7号探测器飞掠火星，它们的任务是进行火星地表20%的地图绘制工作并完成对火星大气环境的分析。最终，这两个探测器揭示了火星上布满环形山且没有运河存在的地表形态。可以说，这一结果使得在火星上寻找智慧生命的希望基本破灭。

为了了解火星上的更多细节，科学家们在1971年再次进行尝试，成功发射水手9号探测器。这个探测器拍摄了超过80%的火星地表图像，完整地向科学家们展示了火星表面的环形山、干旱的河床、巨大的死火山和宽广的峡谷。为了纪念水手9号探测器的贡献，由它发现的太阳系中最大、最长的峡谷就被命名为“水手峡谷”。

火星上的水手峡谷（图片来源：NASA）

与美国一样，苏联也尝试进行了多次火星探测，但可能是运气不好，他们在这段时间内发射的多个探测器均未能成功抵达火星。不死心的苏联人在1971年又接连发射了两个探测器——火星2号和火星3号，希望能一次性完成火星探测器的环绕及着陆任务。不巧的是，就在着陆时，它们遇上了火星沙尘暴。在沙尘暴之下，火星2号一头栽进了海拉斯盆地，与地球失去了联系，但它仍然成为第一个抵达火星表面的人造天体。五天之后，首个成功着陆火星的探测器——火星3号也因为同一场沙尘暴，在工作了仅仅20秒后就与地球失联，甚至都没来得及传回一丝讯息。

早期的这些探测器帮助科学家们初步了解了火星的地表环境以及大气状况，使人们认识到火星上基本不可能存在智慧生命的事实，也为后来设计更有针对性的探测任务奠定了基础。

在火星寻找地外生命

在火星上寻找地外生命，即使看起来希望渺茫，但科学家们却从未放弃。说到这里，你可能会好奇科学家们判断地外生命的标准是什么？

大家脑海中的外星人形象，无论是四只眼睛还是八条腿，其实都是以地球上已有的生命为样本，再经过人类大脑的“加工”产生的。科学家们寻找地外生命时也一样，主要寻找的就是和地球生命类似的生命形式，即碳基生命。因为即使我们假设宇宙中真的存在另一种生命形式，例如硅基生命，但其实科学家们很难判断另一颗行星上裸露的岩石会不会也是一种生命。这样一来，宇宙中任何一处都有可能存在不同形式的生命，搜寻难度就会变得极大，而且这项工作也会失去意义。因此，搜寻和地球生命类似的生命形式，从已知出发，就是目前最谨慎也是最可能有所收获的一种方法。

为了更好地搜寻地外生命，NASA在1961年邀请生命与环境专家詹姆斯·拉夫洛克参与了美国的空间计划，重新定义了寻找地外生命的方式。詹姆斯认为，应该摆脱“地球中心论”，抛弃以往直接搜寻生命体和辨认生命体内DNA等物理结构的方法，转而利用基于细胞的生物反应来搜寻地外生命。他提出可以把搜集来的火星样本浇上水，以检测微生物生长的痕迹。詹姆斯的想法直接定义了海盗号探测器（以下简称海盗号）的生命探测实验思路。

由于火星大气的主要成分是二氧化碳，只有少量水蒸气，于是科学家们想到可以在地球上的类似环境中对海盗号进行测试。他们在南极洲的干谷、智利的阿塔卡玛沙漠相继开展了测试实验，并且成功寻找到样本中的生命迹象。这一结果使科学家们备受鼓舞，他们又重新燃起对火星生命的期待。

海盗1号拍摄的第一张火星彩照（图片来源：NASA）

在这些研究基础上，1976年，海盗1号和海盗2号成功着陆于火星表面。除了搭载了用于测量火星温度、磁场、风速等数据的仪器外，它们还携带了用于搜寻生命的生物学实验设备。它们发回的全彩图片揭示了一个与地球完全不同的世界，人们首次了解到火星上的天空是锈红色的，而不是类似于地球的蓝色。海盗号项目经理对这一历史性的登陆评价道：“我们创造了历史！火星从一个词语、一个抽象的概念，变成了一个实实在在的地方！”

成功着陆后的海盗1号迅速开展了生命搜寻实验。它挖了一个深约5厘米的土坑，并将获得的土壤样本放入探测仪器中进行分析。但分析结果令人困惑，土壤样本确确实实出现与地球上的光合作用相吻合的读数，也被发现可能是微生物造成的氧气和二氧化碳释放的痕迹，但探测器携带的有机物分析仪器却检测不到生命迹象。科学家们认为此次探测到的诸多现象更像是化学反应而非生物反應。虽然海盗号并没有在火星上发现确凿无疑的生命迹象，但它启发我们深入思考生命的定义，开启了“我们是否采用了正确方法寻找生命”的讨论。

卡尔·萨根与海盗号着陆器模型（图片来源：NASA）

通过海盗号的探测，科学家们发现人类对地球上的生命还没有足够的了解，所以想在其他行星上搜寻生命一定会困难重重。讨论之后，科学家们决定放弃寻找火星上存在生命的证据，转而在火星环境中寻找生命存在所必需的物质或元素，以证明火星上存在生命的可能性。因此，太阳系生命搜寻工作的重点转向了寻找液态水或它曾经存在过的证据。

火星全球勘探者号拍摄的径流（图片来源：NASA）

探寻生命存在的可能性

在海盗号之后，由于经济和技术原因，火星探测陷入一段低谷期。直到20世纪结束，苏联、美国、俄罗斯和日本共发射近十个火星探测器，但除了美国的火星全球勘探者号探测器（以下简称火星全球勘探者号）和火星探路者号探测器（以下简称火星探路者号）外，其他探测器不是发射失败就是未获得有用发现。

1996年发射的火星全球勘探者号在火星轨道上总共工作了九年，被认为是极成功的火星探测器。它的任务是拍摄火星全球地表的高分辨率图像，探究火星的气候和磁场，帮助科学家们更深入地了解火星上的水和沙尘。通过火星全球勘探者号发回的高清图像，科学家们发现火星上存在着沟壑与泥石流，甚至从图像对比中发现了看起来像是由水流冲刷而成的新沟壑。科学家们由此猜测，火星表面可能不仅曾经存在过液态水，甚至现在还有液态水径流存在。

同年发射的火星探路者号携带了旅居者号火星车（又名索杰纳，以下简称旅居者号），这是人类送往火星的第一台火星车。旅居者号的气囊辅助着陆技术也为后来的火星车研发奠定了基础。而在旅居者號对它的着陆地（一个由古代洪水冲刷形成的488平方米的小岛）做了详尽的观测后，传回的照片展示了一片很可能是被水流冲击过的圆形岩石区域。科学家们由此推测火星的山谷平原可能暴发过多次洪水，当时洪水可能有数百千米宽，水流量约为每秒100万立方米。虽然在火星上寻找智慧生命的希望已经完全破灭，但这些发现却从侧面证明了火星地表在过去可能也拥有温暖湿润、适合生命生存的环境。

火星全球勘探者号拍摄的径流（图片来源：NASA）

火星探测活跃期

2001年，NASA在沉寂数年后发射奥德赛号探测器（以下简称奥德赛号），重返火星。环绕火星飞行的奥德赛号对火星化学元素和矿藏分布进行了测绘，它对氢元素的测绘帮助科学家们预测出火星地表下存在的大量水冰的位置。后来，2007年发射的凤凰号探测器专门前往火星北极点附近一个宽约50千米的浅滩寻找地下水冰，验证了奥德赛号的探测结果，这也是人类首次通过探测器在地球之外获得水冰样本。奥德赛号后来成为NASA的一个通信中继站，帮助后续探测器与地球保持联系，至今仍在兢兢业业地工作着。

旅居者号的着陆地（图片来源：NASA）

2003年，欧洲航天局（以下简称ESA）也加入火星探测的行列，它的第一个火星探测器——火星快车号成功升空，标志着人类进入火星探测的活跃期。火星快车号包含一颗卫星和一个着陆器。当年达尔文乘坐英国海军的“小猎犬号”帆船进行了环球考察，为后来提出进化论奠定了基础，因此科学家们希望着陆器也能帮助他们解答火星生命的相关问题，就把它命名为“小猎犬2号”。虽然“小猎犬2号”着陆器在降落时失踪，火星快车号携带的卫星却取得了巨大的收获，它在火星大气层中辨认出甲烷，一些科学家认为这就是火星地底微生物进行生物反应的产物。

同年，NASA开展了“火星探索巡视器双生子计划”，发射了著名的勇气号和机遇号火星车。原本这两个小家伙的设计寿命只有三个月，但它们却在火星上顽强地生存了数年，创造了无数个奇迹。勇气号在它的着陆地——古谢夫环形山处对附近的岩石进行了钻孔采样，通过分析其中的矿物成分，从侧面验证了火星上曾经存在过液态水的结论。勇气号在陷入一片松软的沙土地时，为了脱困，轮子在向下深挖时碰巧挖出了一种盐。在地球上，这种盐可以在温泉与火山岩相互作用后形成，这也证明了火星曾拥有温暖湿润的地表。2011年，右前轮故障、深陷软土两年的勇气号，因获取不到足够的太阳能而长眠于火星。

凤凰号挖出的水冰（图片来源：NASA）

与历尽艰险的勇气号相比，机遇号就幸运得多了。在着陆于鹰环形山时，一落地它就发现了一种蓝色小球。这种岩石是一种赤铁矿，被认为是在以前富有水的土壤中形成的。在行驶到奋进撞击坑坑口时，机遇号还发现了地下水流过的白色石膏纹路和在水中形成的黏土，有力地证明了火星曾经拥有湿热环境。

2019年2月14日，NASA最后一次与机遇号联系失败后，宣布结束机遇号的使命。在15个春秋中，它走过了45.16千米，最后因为遭遇巨大沙尘暴，电能耗尽而在火星上永久沉睡。

勇气号与机遇号都经历过无数次的险情，每次遇险，团队成员都做好了与它们告别的准备，但幸运的是几乎每次它们都能化险为夷。勇气号和机遇号不仅给人类展现了火星的高山深渊、日出日落美景，也寻找到了火星曾经存在液态水的有力证据，为寻找火星生命甚至为未来人类移居打下了坚实的基础。

勇气号拍摄的火星蓝色落日（图片来源：NASA）

2013年，美国发射了第四台火星车——好奇号，这也是世界上第一台采用核动力驱动的火星车。好奇号比之前的火星车大了不少，携带的精密仪器也更多，是NASA专门为天体生物实验打造的火星实验室。它在火星上除了通过对矿物的分析找到了古河床和湖泊遗迹外，还探测到火星土壤的水含量。好奇号利用其携带的样本分析仪，将获得的火星土壤样本加热到835℃，获得了一定量的水。研究人员说：“现在我们知道火星上应该有丰富的、可轻易获得的水。”这或许也意味着火星上有足够的水供未来移居火星的人类使用。

好奇号在行驶过程中发现火星上某地甲烷含量突然飙升，但这些甲烷究竟来自微生物还是化学反应现在仍未有定论。好奇号至今仍在火星上工作，它扩大了人类对火星的探索领域，除了搜集液态水存在的证据外，它还将对火星气候及地质情况进行评估，为人类探索甚至移居火星做好准备。

机遇号火星车（图片来源：NASA）

除了美国，其他国家也在积极开展火星探测。2013年，印度首个火星探测器曼加里安号成功发射升空，使印度成为全世界继美国、苏联和欧洲航天局后，第四个成功完成火星探测的国家或组织。中国、俄罗斯、阿联酋也将相继发射多个火星探测器，为人类探测火星做出新的贡献。

2020年，我国首个火星探测器“天问一号”将“搭乘”长征五号运载火箭奔赴火星，这项火星探测任务将成为我国火星探测任务和行星探测任务的起点。天问一号探测器（以下简称天问一号）所携带的环绕器、着陆器和巡视器，将会帮助它在探测火星的过程中一次性完成“绕”“落”“巡”三大任务。在天问一号抵达火星轨道后，着陆器预计将降落在火星的赤道地区，它可以在降落时缓冲、保护其中的巡视器。安全着陆后的巡视器，将会与留在火星轨道上提供中继和遥感探测服务的环绕器一起，对火星的地形地貌、表面物质、地下水冰等情况进行勘测。未来可以预见的是，火星依旧是地外生命学和天体生物学的主要研究对象，而且数十年内火星探测的主题也依旧是“液态水”。

中国的天问一号

回看人类探测火星的历程，一路坎坷，发射探测器的成功率只有50%左右。但无论如何，只要人类的好奇心不死、勇气不灭，就一定能等来叩开真理大门的机遇。