有生之年,我们能否成为火星人?

2018-05-18 17:22

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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!

有生之年,我们能否成为火星人?

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)

有生之年,我们能否成为火星人?

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)

有生之年,我们能否成为火星人?

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”。

有生之年,我们能否成为火星人?

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?

Ⅰ 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)

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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)

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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)

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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正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)

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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)

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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)

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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)

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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)

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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)

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科学界沸腾了!总统激动地在白宫南草坪发表演说:“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)

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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!

Ⅱ 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约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)

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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)

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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)

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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)

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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,以及两辆只有4.5千克的机器人。

(火星3号,上方为着陆器,图片源自@NASA)

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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)

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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)

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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)

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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)

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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)

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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)

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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)

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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,在很长一段时间内,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)

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Ⅲ 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)

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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》)

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当弹跳停止,安全气囊排出气体,

(图片源自@《Roving Mars》)

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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》)

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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)

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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)

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探路者号、旅居者号的成功为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》)

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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)

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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)

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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)

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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)

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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)

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2009年5月,奔波了5年多的勇气号,深陷沙地、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》)

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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)

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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)

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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)

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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)

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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)

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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)

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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)

有生之年,我们能否成为火星人?

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)

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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)

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Ⅳ 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,而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)

有生之年,我们能否成为火星人?

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)

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