为什么要探索火星

文 潘永信

“天问一号”

人类在20世纪60年代就开启了探测火星之旅。进入21世纪以后，人类又掀起了火星探测的高潮，探测的主要目标是火星上有没有水、有没有生命，它的环境是否宜居。在2020年，我国的“天问一号”也奔赴火星，踏上“探火之旅”。

“天问一号”探测器由两部分构成，下面是环绕器，主要完成“奔火飞行”、环绕探测和中继通信任务，上面是着陆巡视器，主要完成着陆任务，它里面搭载了我国第一辆火星车“祝融号”，可以在火星表面展开巡视探测。

作为我国首次火星探测任务，发射“天问一号”的科学目标是对火星的表面形貌、土壤特性、物质成分、水冰、大气、电离层、磁场等进行探测。“祝融号”着陆火星的过程很成功。在进入火星后，“祝融号”先后经历气动减速、伞降减速和动力减速，最后通过一个悬停避障，软着陆在火星的表面。这个过程是极具挑战性的，这时的探测器已经距离地球有3亿多公里之远，所有的过程都要通过预先设置的自主控制程序完成。

“祝融号”的车速可达每小时200米，爬坡角度可以达到30度。它在行驶火星表面时特意留下了不少“中”字形的车辙，代表着中国印记。“祝融号”降落地在火星北部的乌托邦平原，它是火星表面一个巨大的撞击坑，“祝融号”对这个地区的地质地貌、物质成分、环境、地下结构，以及气象状况等进行了探测。

“祝融号”采取边走边探的探测方式，它搭载了很多探测工具，比如多光谱相机、地形相机、次表层的雷达、磁场探测仪和气象测量仪。光谱分析就像给火星上的岩石做一次全面体检。而“祝融号”上的多光谱相机，能针对某一个目标拍摄8张图片，我们根据每张图片不同的光谱波段，可以判断火星表面物质的成分，研究火星地质演化和气候环境变化过程，寻找可能存在的水资源等。火星表面成分探测仪，则像一个微型的自动实验室，它首先发射一束高能激光打在岩石上，局部的高温足以把岩石从固体变成气体，并在冷却过程中产生等离子体，通过光谱分析，科学家们就能确定岩石的化学成分。这有助于我们揭示火星过去的水文环境、火山活动，以及生命存在的线索。科学家们还特地为“天问一号”量身打造了一套“超级天线”，用于将收集到的数据传回数亿公里之远的地球。

截至2023年1月，“祝融号”已行驶1900多米，获得了大量宝贵的第一手科学探测数据，包括地形、地貌、物质成分、雷达地球物理信息，以及磁场信息等，这为我国开展火星科学探测积累了宝贵的科学数据。

火星水痕

19世纪末，意大利天文学家斯基帕雷利在通过望远镜观测火星时，发现它表面存在着一系列纵横交错的直线状网络，他由此绘制了一幅火星地图，上面记录了整整40条河道，当他的观测报告被翻译成英文时，河道被翻译成了一个带有强烈人工色彩的词——运河。于是，有人怀疑火星上也有像我们一样的智慧生命，他们建造了纵横交错的运河系统。直到航天时代到来，火星上的真实影像和探测数据不断传回地球，人们对火星运河的认识才发生了颠覆性变化。1965年，美国的“水手4号”成为人类第一个飞越火星的探测器，它传回了第一张火星表面的照片，这张遍布陨石坑、毫无生机、一片死寂的照片震惊了科学界。后续的探测任务发现了更多证据，彻底打消了人们关于火星有“运河”的猜测。火星上虽然没有“运河”，但有很多流水的痕迹，像冲沟、跟水流有关的河道、三角洲、冲积扇等。除此之外，火星表面也分布着大量与水作用相关的一些矿物，比如蓝色的层状硅酸盐、粉色的二氧化硅和黄色的氯化物，还有绿色的碳酸盐和硫酸盐，这些矿物都是在有水活动的情况下形成的。

现今火星上究竟有没有水？美国的火星勘测轨道器——MRO通过拍摄同一个地区不同季节的图像发现，温暖季节时就会出现一些流痕，寒冷季节时流痕就会消失，说明在这些地区有过液态水的流动，也许是水，也许是别的液体的流动。

美国的“凤凰号”在着陆火星北半球高纬度地区过程中发现，着陆区的下方有冰的图像，在着陆区的支架上还看到了液珠的出现。火星上的气温是极低的，平均气温在零下60多摄氏度，还能出现液态，这是能够出现的吗？科学家发现在高氯酸盐浓度达到30%以上时，在零下70摄氏度也可以形成液珠，所以在这些地区可能存在着高盐的一些卤水。

“祝融号”在着陆的地方也取得了一系列的重要发现。“祝融号”在巡视时，在沙丘表面上看到一些水活动的痕迹，包括看到一些结壳、裂缝、龟裂、团粒化、带状水活动的痕迹，就像有液态水的局部活动之后又消失的一些产物。经过分析，这是一些与水活动相关的盐类矿物和蛋白石，就是二氧化硅和铁氧化物胶结形成的砂粒，在盐的作用下结壳，最后形成的地貌。

同时，“祝融号”上的短波红外光谱也发现了海水矿物的存在。比如一些蒸发盐、黏土矿物和硫酸盐，这都是在有水的条件下才能形成的，这些结壳形成的过程，就是地下水蒸腾、凝结形成一些薄壳，最后剥蚀出露在地表。这都表明“祝融号”的着陆区在近期有过液态水活动的痕迹。

火星地下有没有水？“祝融号”通过它所携带的次表层探测雷达，在地下的结构图像中发现，地下70米范围之内，出现过粒序的变化，意味着这些地区曾经有过古代的洪水。地下有没有水冰层的存在？有理论预测，在火星北部30度左右的地方，可能存在一些地下的水冰。但在“祝融号”着陆区我们没有看到，雷达的信号也没有看到非常明显的水冰层的存在。是不是还有一些卤水或者盐冰充填在颗粒中呢？这种可能性是存在的。

虽然我们在乌托邦平原没有看到地下水冰，但火星的极地是存在水冰的。因为在火星的南极、北极都存在着永久性的极冠，它主要是二氧化碳冰和一部分的水冰，呈螺旋状结构。这就说明存在一些消融和生长的过程，特别是在冬天它的厚度会增加，到夏天它的厚度会减小。因此极冠地区的一些层状结构也是我们研究火星古气候、古环境非常重要的对象。

在美国“毅力号”着陆的耶泽罗盆地，也曾看到过一个巨大的三角洲，这里曾经是一个巨大的湖泊。既然火星早期有大量广泛分布的液态水的活动，那这些水都到哪里去了，是什么原因让这些水消失的？

根据科学家的研究，它的去处现在有两种说法：第一个就是这些液态水通过和矿物、岩石的作用进入了火星地下；第二个就是火星的液态水逃向了茫茫的太空，因为火星上没有磁场的保护。

火星生命遗迹

寻找地外生命一直是人类探索深空的目标。火星表面干涸的水系、湖泊和海洋地貌告诉我们，火星存在过液态水，可能也曾是一颗蓝色的星球，或许也孕育出过丰富多彩的生命。尽管今天的火星已经变成了一副荒芜苍凉的模样，沙尘暴频发、平均温度低至零下60摄氏度左右，大气中大约96%都是二氧化碳，但我们能否在这茫茫荒原之上，找到生命的遗迹呢？

20世纪70年代，美国发射的“海盗一号”“海盗二号”两颗探测器的任务之一便是探测火星有没有生命活动，经过探测和实验，没有发现支持生命存在的明确证据。

还有一些证据，主要是通过探测器到达火星、逼近火星、踏上火星进行原位探测时发现的。美国“好奇号”曾在盖尔盆地探测到在古老的岩石里有细粒的富含有机质的泥岩，还发现一些噻吩类的、芳香族的有机质分子。但是有机物可能来自生命，也可能来自一些有机物的化学合成过程，而不是直接生物的一些产物。“好奇号”也发现了甲烷的季节性波动，但说到甲烷活动，其实现在非生物过程也完全可以形成，所以这有待做进一步研究。

火星上究竟有没有生命，一直都是悬而未决的问题。可见，未来在火星探测方面的竞争制高点或者一个热点，就是火星的采样返回。采集火星土壤并带回难度很大、很复杂，我国计划在2030年前后分两次发射，通过两个探测器组合互相配合，实现火星采样返回。目前，我国工程技术人员正在针对一系列关键技术进行先期攻关，对样品的科学分析将来可能会极大地拓展人类对火星现有的认知。