通过火星认识地球

南方周末记者　王江涛

天问一号探测器拍摄到的高清火星影像图。视觉中国　❘图

★对火星大气、地质以及各种物理数据的分析，为科学家理解地球未来环境的变化趋势提供了重要的借鉴意义，同时也为中国行星科学的发展提供了重大机遇。

根据中国国家航天局获取的遥测数据，2021年5月22日，祝融号火星车已安全驶离着陆平台，开始在火星表面进行巡视探测。而在这7天前的5月15日7时18分，搭载着祝融号火星车的天问一号探测器在火星乌托邦平原南部着陆，标志着中国首次火星探测任务着陆火星取得成功。

“大概有一半的火星着陆计划都已经以失败告终了。”麻省理工学院行星科学教授本杰明·韦斯（Benjamin Weiss）告诉南方周末记者，“所以，中国还附带了将轨道器放在火星轨道的这第一次着陆尝试的成功，确实令人印象深刻。”

而环绕和降落之后，随着祝融号开始在火星表面进行巡视探测，更多关于火星的科学秘密有望揭开。

认知火星的新高度

2020年7月23日，天问一号探测器在海南文昌由长征五号运载火箭发射升空。就在这之前的7月13日，《自然·天文学》（Nature As-tronomy）发表了原中国火星探测计划首席科学家、中国科学院地质与地球物理研究所研究员万卫星和中国科学院国家空间科学中心主任、研究员王赤等人的文章，介绍了中国首次火星探测任务的基本情况，在工程方面顺利实现环绕、着陆和巡视的基础上，还计划对火星开展五项详细的科学调查。

这些任务包括了绘制火星形态和地质结构图、调查表面的土壤特征和水冰分布、分析表面的物质成分、测量火星表面的气候和环境特征以及电离层，并理解火星的电磁场和引力情况等以及其内部结构。王赤向南方周末记者解释，天问一号是首次同时发射轨道器和巡视器对火星进行联合探测的任务，轨道器可以对火星开展大范围的全球观测，巡视器可以在火星表面对巡视区开展精细的探测，二者相互配合，能从大气到表面，从表面到内部，将人类对火星的认知提高到一个新高度。

“天问一号的这五个科学目标是相互关联的。通过形貌分析得到的是过去的地质历史记录，而探测到的气候和大气数据是现在的，通过对比就可以了解到火星历史中的气候变化情况。”中国地质大学（武汉）行星科学研究所教授肖龙告诉南方周末记者，作为行星地质研究的科学家，他特别希望能够在土壤中水冰的分布、古海洋存在的证据、疑似泥火山的组成和形成机制等方面取得新的发现，其中一处疑似泥火山距离着陆点有约3公里，希望祝融号火星车能够到达并实现对它的探测。

而要实现这些对形貌和地下结构的探测任务，离不开相机、光谱仪和探地雷达等仪器来采集数据。为实现这五项科学调查任务，天问一号共携带了13件仪器，其中轨道器上有7件，巡视器上有6件，火星磁强计和磁场探测议就包括在内。2021年5月25日，天问一号搭载的火星磁强计在轨道上伸展开，准备开始对火星空间磁场开展探测。而巡视器搭载的磁场探测议预计将对火星表面的磁场进行测量。

“天问一号的巡视器是火星上第一个包含了磁场探测仪器的巡视器。而表面磁场的测量对理解行星磁场的演化是很宝贵的。”专门对比过空间探测任务科学贡献的法国图卢兹大学天体物理和行星研究所科学家伊安尼斯·丹杜拉斯（Iannis-Dandouras）向南方周末记者解释，“我们知道，今天的火星只有‘化石磁场，这是从其历史早期更强的磁场中遗留下来的产物。通过与太阳风的相互作用，磁场在如何保护或者不保护大气逃逸到外太空问题上，究竟扮演着怎样的角色，这些对磁场的研究是至关重要的。”

“因为火星磁场的历史可能已经深刻地影响了过去的气候，这些测量将告诉我们火星可能从什么时候已经变得宜居，以及它是怎么转变成现在又冷又干的不宜居的状态的。”本杰明·韦斯也很关注巡视中将对火星上磁场所开展的首次测量。而这些待解的问题此前在未登陆火星的情况下，在地球上很难回答。

认识火星，也是认识地球

但也并非什么也做不了。2021年5月17日，就在祝融火星探测器在火星乌托邦平原南部着陆后不久，中国科学院地质与地球物理研究所研究员戎昭金受邀在青海冷湖火星小镇开展了一次关于火星科普的直播活动。他穿着“航天服”站在空旷的土地上介绍火星，远处是成片的风蚀土丘。

“这边的地质地貌非常像火星，火星上也是这样一个景象——由风沙长时间吹出来的雅丹地貌。”戎昭金向南方周末记者对比描述了地球和火星的异同。他原本从事地球太空环境的研究，后来在博士后导师万卫星院士的建议下，在做博士后研究时就开始从事一些将地球和其他行星进行比较研究的科研工作。

而冷湖所处的柴达木盆地正是人在地球的科学家们研究火星的其中一个重要的地点。肖龙就专门研究过柴达木盆地与火星地貌的异同。他分析柴达木这个由储水盆地演变成的以沙漠为主的山间盆地，水体蒸发和风的地质作用造就了包括雅丹、沙丘、干盐滩等在内的多种地貌类型，而这些在火星上都可以找到对应的地貌现象。

“因为火星尚无法进行现场勘察，很多现象都只有影像数据和部分光谱数据，那么对这些地质地貌的成因解释，我们首先考虑的就是地球上有没有类似的。这为认识火星提供一种基本的方法途径。例如，我们可以对火星上的雅丹形貌进行分析，与地球上的雅丹进行对比，找出其异同。”肖龙说，“通过对比可以确认的是，火星表面部分区域，也经历了由湖泊到沙漠的演变，火星上的雅丹体和多边形地貌很可能也是由早期湖泊沉积物演变而来，这些支持了火星从早期温暖潮湿，后来转变得干旱寒冷的历史。而原来的水部分被封存在地下，部分已经逃离火星。”

2020年3月，肖龙参与的一项对柴达木盆地湖泊沉积物的研究报告称，用探地雷达在多边形地形下发现了水，这项火星类比研究据此认为多边形地形可能是火星应该探测取样的位置，这项研究发表在《伊卡洛斯》(Icarus)。

“基于类火星地貌研究其形成机制，关键性约束条件可以用来反演火星地貌形成的环境尤其是火星过去的气候变迁，这对于地球未来的环境变化趋势有很重要的启示。”澳门科技大学月球与行星科学国家重点实验室科学家徐懿也有从事柴达木盆地与火星典型地貌的对比研究，她告诉南方周末记者，柴达木盆地和火星都曾经历过一个大气候变迁的过程，但是火星和地球上重力、大气、温度等环境都存在不同，所以基于地球地貌反演火星环境时仍需考虑这些不一样的因素。

而随着天问一号登陆后对火星地质地貌等情况进行精准探测，科学家也有可能对地球演化趋势有更多的认识。在这些众多的疑问中，火星生命体的生存变化情况最为人们所关注，这背后关系着一些地球人移民火星的梦想：比如当地球变得不再宜居时，火星成为拯救生命的诺亚方舟。

探索地外生命

“火星上生命形成的时间最有可能是在38亿至40亿年前，那个时候，火星比现在要更宜居。有很多证据显示那个时候火星表面有水，有比现在更厚的大气层，并且还有火山作用提供的循环，是与现在非常不同的一个环境。同一时期，地球上的生命也在形成，并且可能是相似的条件。”伦敦大学学院穆拉德空间科学实验室教授安德鲁·科特斯（Andrew Coates）向南方周末记者分析，“我们现在正在做的就是寻找过去的生物标记和生命的迹象，来帮助理解我们在宇宙中的位置，以及为什么地球如此特殊。我认为我们将在未来几年内查明火星上是否曾经有生命。”

安德鲁·科特斯正参与罗莎琳德·富兰克林火星探测任务(Exo-Mars 2022)巡视器的研发工作，这是欧洲空间局与俄罗斯航天局合作开展的一项致力于探索火星生命的探测项目，预计将在2022年发射升空。巡视器的特点之一就是携带了可在火星地下钻2米的钻机。这一深度低于紫外线、氧化剂和辐射等所能穿透的地方，安德鲁·科特斯认为，这使得探测结果能避开这些关键效应，包括美国毅力号、阿联酋希望号火星探测器和中国的天问一号等在内的火星探测任务，相关科学发现可以相互补充，最终帮助人类发现自己在宇宙中是不是孤独的。

“在火星上寻找生命的证据，无论灭绝与否，都将对我们如何看待自己以及我们在宇宙中的位置和角色产生深远的影响，这只能与开辟了通往现代科学和社会道路的哥白尼革命相提并论。我希望这样的发现将由全人类共同取得，而不是挂着某一个国家的旗帜。而按我们理解，液态水就是生命的一个关键物质。”意大利国家天体物理研究所科学家罗伯托·奥罗西（Roberto Orosei）告诉南方周末记者，他希望天问一号能发现火星南极冰盖底部现在被识别为水体的区域的关键信息。

2018年，《科学》杂志（Science）曾发表一项关于火星探测的重要报告，雷达数据显示，火星南极东经193度周围20公里宽的区域有明显异常发亮的地下反射,推断其应该是火星上一个稳定的液态水域。这项研究的第一作者正是罗伯托·奥罗西。2020年，罗伯托·奥罗西还与罗马第三大学地球和行星物理学家埃琳娜·佩蒂内利（Elena Pettinelli）和南昆士兰大学理学院的科学家格拉齐耶拉·卡普拉雷利（Graziella Cap-rarelli）等人合作在《自然·天文学》上继续对相关数据进行分析，进一步强化了火星南极有液态水的论断，并且还发现附近有湿润地区存在。

天问一号成功着陆后，埃琳娜·佩蒂内利对相关科学和工程任务所取得的成绩表示祝贺。她向南方周末解释此次着陆的乌托邦平原，其表面覆盖有30亿至34亿年历史的岩石，潜在还有覆盖被风搬运过的沙和土等松软的沉积物。这样的表面特征显示那里可能有冰川和冰川下的活动，通常意味着存在地下水冰沉积物。因此，继续从表面和地下探索水冰的证据是极为重要的。然而，天问一号的着陆点在赤道以北约25度，这比以往发现表面或地下冰的地方要更靠南，由于地下水冰的深度在离赤道更近的地方会增加，这就更显示出祝融号装备了探地雷达的重要性了，这样就可以获得地下100米深的数据，有望搞清楚地下冰可以存在火星多靠南、多深的地方。

尽早设立行星科学专业

除了探索到地外生命的可能性外，天问一号探测器的火星着陆，还使中国成为第二个成功着陆火星的国家。为国际合作探测火星提供了更多的可能。

在罗伯托·奥罗西看来，在一些地方取样分析的火星任务超出了当前的技术能力范围，无论如何都是耗费巨大的事业，为此，国际合作看起来是最明智的方式，“不可否认的是尽管在过去，太空探索成为了世界强国之间为了声望和技术优势的竞争，尽管每个国家去实现自己的雄心壮志都是合理的，但是国际合作是将火星岩石样本带回地球进行分析的计划的核心，这是这十年火星探索的主要科学目标。”

在天问一号任务中，中国国家航天局就与欧洲空间局和法国、阿根廷、奥地利等国航天机构开展了一定项目合作。而与国际相比，中国迄今没有在国家层面设立行星科学专业。

戎昭金说，“美国和欧洲都有很成熟的行星科学学科教学体系，而我国在这方面起步比较晚。虽然目前我国引进了不少高水平行星科学海外人才，但未来我国的行星科学人才不可能全指望从国外引进，我国需尽早设立专门的行星科学学科，让后续青年行星科技人才不断涌现，逐步形成老中青这样一个学科传承，才能不为国外卡脖子，才能为国家深空探测更好地献计献策。”

中国科学院国家空间科学中心主任王赤也认为应该设立行星科学专业，“作为航天强国，美国很多著名高校早就设立了行星科学专业，中国正从航天大国迈向航天强国，科学牵引、学科支撑中国月球和深空探测活动是当务之急。”

肖龙向南方周末记者介绍，不久前，二十多个高校共同论证了设立行星科学一级学科的重要性和必要性，未来预计会有更多高校设立行星科学专业，“行星科学的特点是多学科的高度交叉，我国的行星科学是从地球科学生长出来的。但跳出地球研究地球，是地球科学发展的必然趋势。”

2021年6月18日至21日，中国地球物理学会行星物理专业委员会将在苏州举办首届全国行星科学大会，主题之一就是要探索未来行星科学一级学科建设道路，促进中国未来行星科学人才的培养。

“像天问一号这样成功的探测任务，能激发想象力，对鼓励儿童和年轻人从事科学和技术研究特别有用。”地球和行星物理学家埃琳娜·佩蒂内利觉得，“最终，即便太阳系探索任务不会带来任何直接的物质利益，但它们也必然能为新技术开辟途径使之转而用在地球上，从而直接造福人类。也能激励子孙后代努力工作和学习，从而实现人类的进步。”

而即便如此，移民火星仍还未因首次登陆成功变得更现实。因为基于现在有限的证据，火星的宜居性仍显得不够，正如行星科学教授本杰明·韦斯受访时所说，“如果我们甚至无法在一个我们自然进化和适应的行星环境中保持行星的宜居性，那么我看不出我们如何能够成功地改造一个像火星这样不适合居住的星球。”