入侵火星50年

星球研究所 世界遗产地理 2018-06-04

新媒体编辑 | 李雨欣  

 

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2018年5月5日

美国加州范登堡空军基地

宇宙神5号火箭搭载着一艘飞船冲出云层

怒火点燃了黑夜

光芒划破了长空

飞船代表地球人启程

入侵火星

(图片源自@Cory Huston/NASA)

205个地球日之后

即2018年11月26日

它的核心船员

一位全副武装的地质学家”

将在火星地表登陆

并把一根长长的探针刺入地下

火星内部隐藏的秘密将被人类一一洞悉

这位地质学家也因此得名

洞察号(InSight)

一个来自地球的机器人

(洞察号在火星表面的想象图,探针为热流仪,另一个重要仪器为图中左下方圆形的地震仪,图片源自@NASA)

洞察号并非孤军作战

更多的机器人入侵者早已登陆多时

最早的一位于1971年到达火星地表

距今已近


50年


只不过

这些机器人有的已经粉身碎骨

有的则深陷沙地、绝望求生

仍在“坚持战斗”的少数也是饱经风霜

即便如此

它们仍是现今人类在地外行星上

最强大的“机器人军团

海盗1号、海盗2号、火星探路者

凤凰号、勇气号、机遇号、好奇号

无一不是战绩斐然、声名赫赫

(火星上的着陆器和火星车分布图,制图@张靖/星球研究所)

如果再加上数量众多的

飞掠和环绕火星运行的航天器

火星已是“人声鼎沸”

(火星航天器家族,制图@Jason Davis/The Planetary Society)

如此多的机器人

前仆后继、集聚火星

它们是在筹划一件大事吗?


火星的秘密


火星是离太阳第四近的行星

位于地球与木星之间

(火星在太阳系中的位置示意图,图片源自@NASA

在肉眼观星的时代

火星在地球的夜空中

呈现出比周围星辰更加显著的红色

中国古人称其“荧荧如火”

(中间偏上的红色亮星为火星,中间偏下的蓝色亮星为角宿一,摄影师@P-M Hedén)

火星的目视亮度

经常发生变化、忽明忽暗

更为诡异的是

它还会在夜空中突然逆行(Retrograde)

令人难以捉摸

火星也因此得名“荧惑”

如果逆行发生在心宿(天蝎座)

占星术士们称之为“荧惑守心”

意味着皇帝驾崩或者宰相失位

为大凶之兆

(2003年6月-10月发生的火星逆行轨迹,摄影师@Tunc Tezel

当天文学步入望远镜时代

1877年

意大利天文学家

斯基亚帕雷利(Giovanni Schiaparelli)

发现火星地表有许多线条状的地貌

他称这些线条为“沟渠”

但是狂热的大众更愿意相信

这些线条是外星智慧生命开凿出的运河

延续100余年的“火星人”幻想

就此拉开帷幕

(1996年蒂姆·波顿执导的电影《火星人玩转地球》剧照

到了航天时代

从1960年起

人类的探测器开始在数千或上万千米处抵近观察

一个更加真实的火星被呈现出来

它拥有太阳系最大最长的峡谷之一

水手峡谷(Valles Marineris)

长约4000千米、深达7千米

横跨大半个火星

如同被上帝之剑砍削而成

(海盗1号拍摄的水手峡谷,图片源自@NASA)

它拥有太阳系最高的山峰

奥林帕斯火山(Olympus Mons)

高度超过2万米

是珠峰海拔的2.5倍

(奥林帕斯火山,由火星环球勘测者号测绘的假色地形图,火星没有海拔的概念,山峰高度根据人为设定的基准面计算;图片源自@NASA)

更令人兴奋的是

它还拥有宽阔蜿蜒的河床

流水曾在此奔腾而去

(火星环球勘测者号拍摄的河道,图片源自@NASA)

这意味着

看似荒芜的火星

曾经有过湿润的时光

人们禁不住好奇

这些水流是否也曾经孕育出

欣欣向荣的生命呢?

(海盗1号拍摄的形似人脸的火星丘陵,曾被误传为火星人的形象,实际是光影造成的错视,图片源自@NASA)

地球上的科学家也开始忙碌起来

他们在南极洲发现了一块火星陨石

编号为ALH84001

其上有类似细菌状的化石结构

极有可能是36亿年前火星上的生命遗存

(ALH84001陨石上的结构,图片源自@NASA

科学界沸腾了

总统激动地在白宫南草坪发表演

(1996年美国总统克林顿关于发现火星陨石的声明,引自@NASA)

“如果此次发现被证实,它将是科学所揭示的最令人惊叹的认知之一”

“If this discovery is confirmed, it will surely be one of the most stunning insights into our universe that science has ever uncovered”


火星是太阳系中最近似地球的天体

直径约为地球的一半

自转轴倾角、自转周期则与地球相当

有着与地球类似的四季交替

一个火星日几乎和地球日一样长

如果太阳系存在地外生命

火星一定是最有可能的那个

(地球与火星大小比较,制图@张靖/星球研究所

但是

想要发现外星生命

仅仅在地球上大海捞针捡拾陨石

或者远远地围绕着火星拍照

都是不够的

我们必须拿到最直接的证据

最好的办法就是

派人到火星上找



出发


1969年7月20日

宇航员阿姆斯特朗迈出了他的一小步

人类仅仅用了4天时间

便从地球登上了40万千米外的月球

然而火星远比月球更加遥远

因为公转轨道的不同

火星与地球的最近端相距5600万千米

是地月距离的140倍

最远端更是高达4亿千米

是地月距离的1000倍

(地球、火星公转及距离关系示意图,黄色为太阳、蓝色为地球、红色为火星,图片源自@NASA)

如此巨大的距离变化

造成地球夜空中火星亮度差异显著

距离近则又大又亮

距离远则又小又暗

(地球与火星距离与火星视觉大小变化示意,图片源自@NASA)

同样也是因为这种距离变化

才会让火星“看起来”突然逆行

(太阳系其它行星也会产生逆行,火星的逆行最明显,图片源自@NASA)

另一方面

在实际航行中

人类还没有任何一个推进系统可以强大到

让飞船沿着火星与地球的最短距离行驶

我们必须沿着一条椭圆形的轨道

借助地球的公转速度

将飞船“甩”到火星


轨道的一端与地球轨道相切

另一端与火星轨道相切

这便是著名的霍曼转移轨道

1925年由德国数学家

沃尔特·霍曼(Walter Hohmann)

发现并命名

悲剧的是这条轨道长达4亿千米

与火星到地球的最远距离相当

(地球到火星的霍曼转移轨道,图片源自@NASA)

通过霍曼转移轨道去往火星

仅单程就需要


6个月


比登月的4天长太多了

以20世纪人类尚显稚嫩的航天技术

苏联和美国都不约而同地选择了


机器人


1971年5月19日、28日

苏联接连发射两艘去往火星的飞船

分别携带

火星2号(Mars 2)火星3号(Mars 3)着陆器

(火星3号,上方为着陆器,图片源自@NASA)

以及两辆只有4.5千克的机器人

Prop-M火星车

它的双腿由两个滑板构成

可以由无线电信号在地球上远程操控

正前方的金属条可以探测障碍物

如果登陆成功

Prop-M将成为漫游火星的第一“人”

(Prop-M火星车,图片源自@NASA)

1971年11月27日

在经历半年多的星际航行后

火星2号进入火星轨道

但此时的火星上

一场行星级的沙尘暴正在肆虐

风速高达26米/秒

尘埃在大气中弥漫不散长达1个月


火星2号着陆器以每秒6千米的速度

一头扎入风暴中

还没有来得及向地球传回数据

便和Prop-M火星车一同消失得无影无踪

它是第一个到达火星地表的人造物

虽然是以粉身碎骨的方式

(2001年一场全球性的火星沙尘暴前后对比,整个星球都被蒙上一层“沙雾”,由哈勃望远镜拍摄,图片源自@NASA)

火星3号的情况也不乐观

1971年12月2日

它成功在火星实现软着陆

十几秒后

沙尘暴便摧毁了它的通讯系统

从此与地球失去联系


然而就在这十几秒中

它向地球传回了来自火星地表的第一张照片

照片中似乎是火星的地表与天空

但没有任何东西可以清楚辨认

(图片源自@Soviet Academy of Sciences)

科学的高峰

有时是擦干眼泪后才攀登上去的

人类早期探索火星的任务

大约2/3都失败了

但火星始终有一种特殊的吸引力

1975年8月20日、9月9日

美国的两艘飞船

海盗1号(Viking 1)海盗2号(Viking 2)

满载着各种仪器向火星再次进发

(海盗号,上方为着陆器,图片源自@NASA)

11个月后

海盗1号着陆器开始进入火星大气层

地球上的NASA喷气推进实验室一片焦灼

没有人知道它的命运如何

20多分钟后

一张高清照片被传至科学家面前

海盗1号“恶作剧”般地对着自己的脚垫区域

来了一张局部“自拍”

自拍显示它已经安全抵达

且成像系统工作良好

(有裁剪,原图为宽幅,图片源自@NASA)

随后

越来越多的图像数据以光速飞向地球

伴随着地球人的兴奋、喜悦、惊讶

火星地表的真实面貌被展现出来

这是一个空旷、贫瘠、乱石遍布的世界

富含铁元素的土壤因为氧化而显得一片橙红

连天空也被浮尘渲染

这就是地球人仰望了成千上万年的红色星球

火星

(火星地表的第一张彩色照片,海盗1号拍摄,图片源自@NASA)

着陆后的第8个火星日

海盗1号开始分析火星的土壤

3份样品、3次实验

都检测到了强烈的气体释放

这是生命存在的信号

第23个火星日

新的分析又表明

火星土壤中没有任何有机物

矛盾

太矛盾了


与此同时

6400千米外业已安全着陆的海盗2号

也在进行着类似的实验

结果同样矛盾

对火星生命的勘察陷入困局

(海盗1号采样后在土壤中留下的沟槽,图片源自@NASA)

之后的海盗1号、2号着陆器

继续其他方面的研究

它们使用核能作为电力来源

直到1980年4月11日

2号着陆器才因电池故障失联

1982年11月13日

一次软件更新错误地覆盖了天线指向软件

1号着陆器也陷入了沉寂

此时它已经工作超过六年

在很一段时间内

它都是火星地表存活最久的机器人

这一纪录直到近30年后才被一位新秀打破

(海盗1号着陆器拍摄的火星日落,图片源自@NASA/Roe van der Hoorn)



更酷、更帅、更好奇


1997年7月4日

一艘全新的飞船登陆火星

火星探路者号(MESUR Pathfinder)

这是一次新技术的全面预演

大型安全气囊被应用于着陆过程

(之后勇气号与机遇号也采用了相同的着陆方式,影片《Roving Mars》模拟了全过程,以下同)

气囊以14米/秒的速度撞击火星地表

第一次反弹高达15.7米

持续弹跳至少15次

(图片源自@《Roving Mars》)

当弹跳停止

安全气囊排出气体

图片源自@《Roving Mars》

再像莲花瓣一样打开

着陆器跃然而出

整个过程在数分钟内一气呵成

完美

图片源自@《Roving Mars》

苏联人未能完成部署的火星车机器人

也在此次登陆中首次成功释放

旅居者号(Sojourner)

拥有自主式导航系统

能灵活爬过岩石

前后轮独立操控、可以就地转弯

虽然个头不大,体重只有11.5千克

但相比于之前固定不动的着陆器

却更像是一个活蹦乱跳的地质学家

可以四处漫游寻找有价值的圆卵石和砾岩

后两者都与水源密切相关

(正在勘测岩石的旅居者号,图片源自@NASA)

探路者号工作了83个火星日

之后通讯中断

旅居者号也失去联系

如果它没有损坏

想必还在执行人类提前预设的巡游任务

东看西逛

(正在勘测岩石的旅居者号,图片源自@NASA)

探路者号、旅居者号的成功

更强更大的火星车铺平了道路

2004年1月3日、25日

人类的火星入侵史上

最著名的机器人双雄出场了

勇气号(Spirit)、机遇号(Opportunity)

在大型安全气囊的保护下

相继成功登陆火星

模拟图,图片源自@《Roving Mars》)

这是两部双胞胎火星车

每辆重达180千克

高1.5米、长1.6米、宽2.3米

携带全景相机、导航相机

以及用于分析岩石、土壤的各种仪器

依靠太阳能电力

火星车可以每小时180米的速度行驶

(勇气号/机遇号在火星上的想象图,图片源自@NASA)

着陆之后

它们立即展开搜寻

从巨石表层研磨粉末

仔细检查土壤的微观细节

2004年3月科学家宣布

机遇号在岩石中发现液态水存在的证据

数天后

勇气号发现了盐层

极有可能是一条古湖岸线的遗迹

(勇气号的研究对象之一,火星上的著名岩石阿迪朗达克Adirondack,图片源自@NASA)

两辆火星车的设计任务时间

都是90个火星日

而实际上

它们的工作时长超过6年

它们曾拍摄下辽阔的火星地表全景

(请将手机横屏观看,机遇号拍摄的火星毅力谷全景,最右侧可见火星车的车迹,图片源自@NASA)

曾目睹火星“月亮”的升落交替

(勇气号拍摄的火星卫星运动,左为火卫二,右为火卫一,图片源自@NASA)

也曾回望地球

(勇气号拍摄的火星星空中的地球,这是从月球以外的行星表面拍摄的第一幅地球图像,图片源自@NASA)

2009年5月

奔波了5年多的勇气号

陷沙地、无法移动

但它仍然通过对车轮搅出的泥土的分析

再次发现火星上曾存在水的证据

2010年3月

顽强的勇气号用尽了最后的能量

终结了自己的一生

(勇气号陷入沙地的想象图,图片源自@《Death of a Mars Rover》)

它的双胞胎兄弟机遇号

却依然活力四射

一场风暴恰好吹净了

太阳能电池板上沾满的尘土

它焕然一新、电力充沛

(被尘土覆盖的勇气号太阳能电池板,机遇号的情况类似,图片源自@NASA)

它下深坑、爬高山、越沙丘、穿平原

四处敲敲打打

截至2018年5月8日

行驶总里程已达45.16千米

创造了地球外无人探测车的最高移动里程

从少年英姿到老骥伏枥

机遇号还打破了海盗1号的纪录

在火星上存活了14年

堪称全宇宙最坚忍的地质学家

(请将手机横屏观看,NASA 2015年发布的机遇号跑完“马拉松”的海报,图片源自@NASA)

一代新人胜旧人

人类对火星的探索从不止步

2008年5月25日

凤凰号着陆器(Phoenix)登陆火星

并接连发现水冰、火星降雪

(凤凰号着陆过程最后一步的想象图,当着陆器距离地面570米时,推进器启动,避免与地面相撞,图片源自@NASA)

2012年8月5日

历史上耗资最贵的火星探测项目

火星科学实验室(Mars Science Laboratory)

将一辆巨大的火星车

好奇号(Curiosity)

送上了火星

(三代火星车大小比较,左为勇气号/机遇号,下为旅居者号,右为好奇号,图片源自@NASA)

因为体型过大

安全气囊无法承载

好奇号的着陆方式再次革新

一架天空起重机(Sky Crane Maneuver)

将它悬吊起来、缓缓下降

(模拟图,图片源自@NASA)

好奇号甫一落地

夹钳即剪断系绳

天空起重机随即飞走

(模拟图,图片源自@NASA)

现在

辽阔的火星荒原

都交给了人类蓬勃跳动的好奇心

图片源自@NASA)

它不需要食物

不需要水

也从不感到孤单

甚至非常善于自拍

(好奇号自拍照,有意思的是,NASA在发布这张照片时把它的“自拍杆”PS掉了,图片源自@NASA)

2013年9月26日

好奇号发现火星土壤中的水分高达1.5-3%

完全可以满足未来人类移民的需要

2014年12月16日

NASA宣布好奇号在火星岩石中

发现了有机物

这些都让许多人相信

我们正在接近火星生命的真相

(好奇号在岩石上取样后留下的洞,图片源自@NASA)



人类上场


近50年的火星地表探索

机器人战功卓著

现在

该人类上场了


NASA宣布

将在2030年代把人类宇航员送上火星

SpaceX的埃隆·马斯克

更是大胆提出最早在2024年就会实现这一目标

中国几乎可以肯定

也一定会实施载人登陆火星的计划

(人类宇航员在未来拜访海盗2号着陆器的场景,图片源自@NASA)

未来并不遥远

以现今的宇航员首次进入太空时

40岁的平均年龄计算

第一代火星人已经诞生

我们有生之年

将亲眼见证

人类成为跨星球物种

(图片源自@NASA)


P.S. 本文主要参考文献:弗朗西斯·罗卡尔等著《火星》、罗伯特·祖布林《赶往火星》、欧阳自远/肖福根《火星探测的主要科学问题》、马克·考夫曼《火星零距离》


一群国家地理控,专注于探索极致风光




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