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瞄向火星之秘,“探火”究竟探什么?
时间:2020-07-24   来源:科技日报

科技日报 于紫月

目前,执行我国首次火星探测任务“天问一号”的长征五号遥四运载火箭,在中国文昌航天发射场完成技术区总装测试工作后,已垂直转运至发射区,整装待发!

“天问一号”是我国迈向比月球更远的深空探测的第一步,举国关注。那么,“天问一号”究竟问什么?

未知 人类探索永恒话题

除了实现火星制动捕获、探测器进入/下降/着陆/巡视、远距离测控通信等工程目标外,“天问一号”还肩负着很多科学任务。

7月13日,中国科学院国家空间科学中心王赤院士等人在《自然·天文学》期刊上发表的文章《中国首次火星探测任务》详细介绍了这五大科学目标,分别是研究火星形貌与地质构造特征、表面土壤特征与水冰分布、表面物质组成、大气电离层及表面气候与环境特征、物理场与内部结构。

“好奇心是驱使人类探索的不竭动力。‘天问一号’想要探究的这些科学目标基本涵盖了学界长期以来对火星感兴趣的方面。”中国地质大学(武汉)行星科学研究所教授肖龙在接受科技日报记者采访时表示,虽然国际上曾多次探测火星,传回了许多宝贵数据,但是火星还有很多未知之处、未解之谜,需要我们一步步探索。

“人类探索火星最关心的问题长期聚焦于水和生命。”中国科学院空天信息创新研究院遥感科学国家重点实验室研究员邸凯昌告诉科技日报记者,火星的水环境演化是多年来核心的科学探测目标之一。

邸凯昌指出,以往火星形貌、矿物等相关研究显示,火星历史上是存在大量液态水的,甚至可能存在过广阔的海洋,但现在火星为何变成了干枯的“沙漠星球”,以前的水如何形成,后来又如何消失?火星作为太阳系中与地球最相似的行星,火星的今天是否将预示着地球的明天?这些重大的科学问题都有待解答。

“为了进一步探索火星是否存在或满足生命的生存代谢条件和需求,国际上几乎每一个探索火星的发射窗口,都安排了一个或多个探测任务,来探索这些未知。”中国科学院国家天文台研究员平劲松表示,火星可能存在生命的环境状态,除了有机低分子外,是否存在局部丰富的有机大分子,在哪里可以碰巧发现火星低端生命的化石甚至真实的存在?

他还指出,火星的内部构造是否可以确保存在热源,以及内部热源是否足够稳定并满足火星表面能量平衡的需求,没有磁层的火星大气是否足够抵挡太阳风和高能宇宙线对环境的破坏?甚至是,有AI技术或者人类直接在火星表面开展探测的计划,也被提上了议事日程。

值得强调的是,“有些方面,如火星形貌等研究,虽然以往也积累了较多数据,但再次探测仍有重要意义。原因在于火星本身是个活跃星球,以前‘看’到的景象现在可能已经发生变化,如陨石坑斜坡上的季节性复现条纹、新的风蚀和流水地貌等。”肖龙表示,这并非是以往探测的单纯重复行为,而是可能挖掘出更多有关火星动态变化的信息。

突破 瞄向“探火”未竟之地

如何实现这些探索目标?科学家为火星探测器打造了诸多“利器”。

中国科学院院士、中国航天科技集团有限公司科技委主任包为民曾在接受媒体采访时表示,火星探测器搭载了13种有效载荷,其中环绕器上7种、巡视器(火星车)上6种。《中国首次火星探测任务》一文中提及,这些有效载荷包括相机、次表层探测雷达、矿物光谱探测仪、磁强计、离子与中性粒子分析仪、表面成分探测仪,气象测量仪等。这些科学仪器将为我国火星探测任务在火星形貌、物质组成、地质构造、磁场、大气环境等多个方面的探测奠定坚实基础。

“成功实现绕、落、巡‘三合一’工程目标,并获取大量的科学探测数据,就为实现科学目标奠定了基础。充分分析这些数据,挖掘数据中蕴含的信息,进行多学科的深入研究,才能真正实现最初设立的五大科学目标。”邸凯昌指出,数据分析和研究有多种方法,不同学科领域各有特色。以火星形貌研究为例,往往通过遥感数据解译分析、数值模拟或物理模拟实验、火星与地球类似形貌对比研究等多手段、多角度“还原”火星形貌特征和形成过程。

“数据分析和研究过程中还需要多学科、多团队的密切合作,如此才能较为系统地认识火星的真实面貌。” 邸凯昌说。

这次探测任务有可能在哪些方面取得突破?相信很多人都会有此疑问。

在平劲松看来,我国完全自主开展的绕、落、巡火星探测任务,是一个伟大的壮举。然而历史上火星探测的成功概率大约在一半左右,如何顺利抵达火星以及顺利降落到火星表面,为后续火星和其他行星探测工程计划积累丰富经验,将是最大的期望。

平劲松表示,以往十多年的月球探测和空间科学探测过程中,我国工程师和科学家在行星与地球遥感、空间物理、月球与行星地质、行星大气和行星物理等领域,积累了丰富的探测技术手段,培养了高层次的科学研究队伍,这次火星探测预期有机会在上述方面取得令世人瞩目的进展。“特别是在火星火山探测、火星表面水及其存在状态、火星物理场方面,有机会取得崭新的成就。”

在科学探索方面,“预期借助星地链路,有可能在火星水分布季节性迁移变化导致的火星重力场变化、火星大气及其与沙尘暴的耦合状态探测方面,取得意外的成果。”平劲松补充,我们长期主张并推进借助行星探测器与地面的通信链路,来感知行星空间环境与物理场。我国的深空测控站和甚长基线干涉测量(VLBI)射电天文台站,目前对独立或单一深空探测器的链路测量能力水平与国际深空测控站相当,已经在月球重力场探测、金星/火星大气探测、土星大气探测、冥王星质量探测等方面取得了丰硕的成果。

“以前国际上成功登陆的火星车上都没有车载雷达,如今我们的火星车搭载了次表层探测雷达,希望能够对以往较少研究的火星土壤、水冰分布等地质结构研究领域提供更多助力。”肖龙说。

邸凯昌告诉记者,据现有公开资料显示,我国探测器的着陆区设计在相对平坦、地貌类型比较丰富、科学研究价值很大的地区,该区域是一块其他国家尚未到过的“处女地”,我国火星车在着陆区首次获得高分辨率、高精度、多载荷数据,将会支撑形貌与地质构造、矿物、次表层结构与水冰分布、表面气象特征等多方面科学研究取得突破。

肖龙认为,“天问一号”的成功实施,还将极大地激发更多年轻人投入深空探测和行星科学研究的热情,加速我国在相关领域科研团队的壮大,为后续天问系列探测计划的实施奠定基础。

(备注:《自然·天文学》期刊文章链接《China’s first mission to Mars》https://www.nature.com/articles/s41550-020-1148-6)


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