天问一号都发回自拍了,你啥时候上火星?

renwen 提交于 周一, 2023/03/27 - 10:33
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科普中国中央厨房 2021-06-10

  近日,天问一号探测器发回了在火星着陆区的第一张高清“自拍”,火星表面看来一片荒凉。那么,是什么吸引我们去探索这些荒凉星球?

  

  天问一号传回的火星着陆区域高清图。左图为着陆前,右图为着陆后,可以看到天问一号的着陆平台和“祝融号”火星车。|国家航天局

  来源 | 科普中国-未来耀科学

  月球是地球唯一的天然卫星,是人类登陆过的第一个地外星球。红色的火星,位于太阳系的宜居带,与地球很像,前后也有数十个航天器探索过。

  我们为什么要探测月球和火星?50多年前美国登月是真的吗?今天人类的探月和探火计划进展到了哪一步?以目前的证据,火星上有生命么?我们能改造火星让它更宜居吗?

  在4月27日的科普中国-未来耀科学“空间探索”特别直播中,国家空间科学中心的研究员刘勇、孔令高和周炳红,为我们揭开了地球这两位“近邻”的神秘面纱。

  为什么要探测荒凉月球?

  地球有大气层和磁场,保护我们人类安全生活在上面,月球大气则非常稀薄、接近真空,磁场更是不到地球的百分之一,非常微弱。这使得月球难以阻挡小天体撞击,也不能屏蔽宇宙辐射,表面一片荒凉,并不适合人类生存。那么,人类为何对探月如此神往呢?

  孔令高介绍,人类可以通过肉眼观察到月亮阴晴圆缺的变化,这自然而然会激发人的好奇心,驱使我们去探索月球。

  另一个重要因素是,地球人口急剧增长,人类要想可持续发展,就需要将活动范围向外扩展,所以就想去月球上看有没有可利用的资源。比如,氦-3是一种非常清洁高效的核聚变燃料,100吨的氦-3发电,可以供地球使用一年;月球由于没有大气层和磁场保护,太阳风可以直接打到月球表面,使氦-3在月壤和矿石中富集,储量目前估算有一百万吨左右。

  周炳红介绍,我们探测月球还有一个原因,那就是月球比地球小很多,表面的重力只有地球的1/6左右,从月面起飞比较容易。因此,月球可以作为人类未来探索深空的中转站。

  

  月球虽然荒凉,却蕴藏有丰富的资源,还可以作为探测深空的中转站。|SETI.org

  人类探月进展到了哪一步?

  月球距离我们如此之近,但迄今为止,登上月球的只有12名美国宇航员,有人甚至对此表示怀疑。美国登月是真的吗?人类探月如今进展到了哪一步?

  周炳红认为,从系统工程的角度来看,美国登月是真是假,或许不是特别重要。更重要的是,美国当时为了登月,发展了庞大的月球探测计划——阿波罗计划,进行了绕月飞行等一系列试验,就像今天我们的嫦娥工程一样。另外,后来有证据表明,月球上有宇航员的脚印、排泄物,由于没有地球上的风化作用,这些痕迹还在那儿。

  刘勇介绍,美国在登月之前其实做了大量的准备工作。比如,先驱者计划为了探测月球,接连很多次都以失败告终。一个计划失败这么多次,花了这么多钱,从大的层面来说,它应该是真的。在航天上人们经常讲,失败其实是差一点点成功,成功其实是差一点点就失败,这个探索的过程很重要。

  

  1969年,人类第一次踏上月球。左图为阿波罗11号宇航宇阿姆斯特朗拍摄的奥尔德林。右图为阿波罗15号宇航员在使用月球车。

  月球是我们探索宇宙深空,走向星辰大海的前哨站,我们什么时候才能建立月球基地呢?

  周炳红介绍,探月工程分几步,首先是掌握一些关键技术,例如采样返回技术,确定要去哪儿去寻找资源、找水;现在目标也很明确,各个国家都聚焦在月球南极找水。第二步是建立月球科研站,验证这些关键技术,为建设月球基地作准备。第三步就是建设月球基地了。所有大工程都会有一个从不成熟到成熟的过程,按照这个脉络,我们大概需要十年时间完成前两个步骤。

  为什么要探测火星?

  在太阳系的行星中,金星距离地球更近,我们为什么不去探索金星,而对火星情有独钟?

  孔令高介绍,人类探索火星,很重要的原因是,火星和地球很像,自转周期与地球接近,大概是24小时,也有白天黑夜,和四季交替。有说法认为,火星上可能存在生命,甚至地球上的生命可能来自火星。

  例如,有研究发现,地球产生生命的时期,环境其实非常恶劣,不断有小行星撞击,到处都是火山熔岩,温度非常高,反而那个时候的火星,气候温暖湿润,有大量江河湖泊,特别适合孕育生命。所以人们据此推测,有可能生命是在火星上诞生,然后有小天体撞击火星,撞出的碎片携带着生命物质,经过漫长的旅途,把生命的种子带到了地球。

  

  火星表面遍布赤铁矿,在夜空中呈现橙红色。它和地球有着相近的自转周期,和相似的四季交替。|Earth: NASA/Apollo 17 crew; Mars: ESA/MPS/UPD/LAM/IAA/RSSD/INTA/UPM/DASP/IDA

  至于为什么不去探测金星,刘勇介绍,金星离地球更近,但金星表面有浓密的大气,主要都是二氧化碳,这些温室气体使金星表面温度高达400多度,再加上大气压,可以想象那就是一个高压锅。苏联曾向金星发射过一个探测器,着陆后不到一分钟就挂了,可见金星环境非常恶劣。

  

  金星表面有着极端的气候环境。(艺术构想图)|NASA

  周炳红则从航天技术角度,比较了探测月球、火星和金星的难度差异。他介绍,从飞行难度上看,去金星比火星和月球难得多,因为金星离太阳更近,去那儿需要的火箭速度增量其实要更高。相对而言,去火星和月球在火箭飞行方面难度其实差不多,只不过月球距离地球大约40万公里,火星最近大约5500万公里、最远大概4亿公里,去火星要飞行更长时间,比如天问一号用了大半年时间,飞行4.5亿公里,才到达火星。

  但是,在火星表面着陆和起飞要比月球上难很多。这是因为,月球比火星小很多,引力也小,因此在月球表面刹车很容易,在火星刹车更难;同样地,要摆脱引力束缚,从火星上起飞也更难,需要的火箭更大,所以人类至今还没有从火星上取一块样品回来。现在,美国和欧洲有一个计划要从火星取样,需要先发射一个火箭收集火星样品,然后用另一个火箭把样品送到火星轨道上,接着再用一个火箭把样品从火星轨道返回地球,像接力一样来完成。

  火星上有生命吗?

  直到现在,并没有明确证据表明,火星上有生命。可是,我们要探测到什么,才算在火星上找到生命物质呢?

  孔令高认为,如果探测到有机大分子,那肯定表明火星上存在生命,但是目前还没有看到。另外,科学家观测到火星上甲烷浓度的变化,我们知道,很多生命活动都与甲烷息息相关,比如消化过程、生物腐烂、古菌活动,都会产生甲烷气体,所以这也可能是生命存在的一个证据。…