苗千

11月26日，美國航空航天局工作人員在等待“洞察號”無人探測器在火星著陸

“洞察號”的創(chuàng)新

美東時間2018年11月26日下午2點52分，美國航空航天局（NASA）的“洞察任務(wù)”（InSight Mission，全稱為運用地震調(diào)查、測地學(xué)和熱量傳送進行內(nèi)部探索[Interior Exploration using Seismic Investigations，Geodesy and Heat Transport]）通過與之同行的兩顆迷你“衛(wèi)星火星立方一號”（MarCO A，MarCO B）進行中轉(zhuǎn)，向位于美國加州的噴氣動力實驗室發(fā)來消息，“洞察號”火星探測器已經(jīng)順利著陸，它即將開展一段為期兩個地球年時間的科學(xué)探索。

雖然人們時常能聽到來自火星探測器的消息，實際上，讓人類制造的探測器在火星表面進行著陸，是一項極其困難的工作。至今為止，人類發(fā)射的所有火星探測器，只有大約40%順利完成了著陸?！岸床焯枴笔敲绹娇蘸教炀衷诨鹦潜砻娉晒嵤┸浿懙牡诎藗€探測器，也是繼2012年到達火星的“好奇號”（Curiosity Rover）之后，六年來第一個抵達火星的人類探測器。

探測器在火星進行著陸，其中最為重要且驚險的部分就在于進入火星大氣層，急劇減速并順利降落在火星表面的短短幾分鐘。在這個過程中，“洞察號”需要把速度從每小時1.98萬公里驟降為每小時8公里，并且展開三條支撐腿，還要防止在與火星大氣層的摩擦過程中溫度過高而被損壞。這個過程被“洞察號”的設(shè)計師們稱為“恐怖七分鐘”，而迷你衛(wèi)星發(fā)回的數(shù)據(jù)顯示，降落過程實際上只花費了六分半鐘，其間順利完成了十多項既定動作，整個程序堪稱完美，已經(jīng)按照人們的設(shè)計降落在了火星赤道附近的埃律西昂平原（Elysium Planitia）。

隨后，由飛臨“洞察號”上方的“人造衛(wèi)星火星奧德賽號”（Odyssey Spacecraft）繼續(xù)向地球發(fā)回消息，稱“洞察號”在順利著陸火星表面的16分鐘之后，又花費了16分鐘完全展開了它攜帶的兩個2.2米寬的太陽能面板。相比于地球，火星距離太陽更遠，能夠收集到的太陽能也相對更少，但“洞察號”自身并不需要太多的能量。在晴朗的火星天氣里，這兩塊太陽能面板的功率可以達到600到700瓦特，即使是在火星常見的沙塵天氣里，它的功率也可以達到200到300瓦特，其轉(zhuǎn)化的能量足以保障“洞察號”的正常運行。

由洛克希德·馬丁公司制造的“洞察號”探測器，在設(shè)計上沿用了2008年登陸火星的“鳳凰號”探測器，因此登陸過程相似。但“洞察號”與意在探測火星北極地區(qū)的“鳳凰號”，以及之前其他所有火星探測器的目標(biāo)都有所不同。它著陸與進行工作的埃律西昂平原由熔巖形成，看上去平坦無奇，遠不及火星的峽谷、火山口等地區(qū)吸引科學(xué)家們的興趣。之所以選擇這個區(qū)域，是因為“洞察號”的目標(biāo)并不在于表面，而是在于火星的內(nèi)心。

人類只有通過傾聽火星的地震波，才有可能了解火星的內(nèi)部構(gòu)造，并與地球的構(gòu)造相比較，進而理解兩顆行星的境遇為何如此不同。作為價值將近10億美元的人類第一個火星地質(zhì)實驗室，“洞察號”攜帶了各種比前幾個探測器更先進的科學(xué)儀器。其中一款主要由法國國家太空中心設(shè)計制造的西瓜大小的高精度地震儀（SEIS Instrument），其精度足以探測到一個原子大小的幅度的震動——這堪稱人類制造出的最靈敏的地震儀，此前也正是因為在制造這款地震儀過程中的一次技術(shù)失誤，讓發(fā)射推遲了兩年多的時間。在一切的工作準(zhǔn)備就緒之后，“洞察號”會把這個地震儀放置在埃律西昂平原的地面上進行工作，再在上面放置一個半圓形的保護罩，使之不受火星大氣活動的干擾。

11月26日，“ 洞 察 號 ”無人探測器登陸火星后傳回的照片

“洞察號”成功登陸火星，它隨身攜帶存有逾200萬 名 太空粉絲姓名的微芯片

德國航天中心為“洞察號”設(shè)計制造的“熱傳感物理特性箱”（HP3）則會史無前例地利用自身所攜帶的探頭從火星地表向下鉆探5米的深度，探測火星內(nèi)部溫度的變化，以此推斷火星內(nèi)部由巖漿和放射性物質(zhì)所產(chǎn)生的熱量，以及熱量向外流失的速度。此外，“洞察號”還攜帶了一個“自傳和內(nèi)部結(jié)構(gòu)實驗室”（RISE），探測火星在其自轉(zhuǎn)軸上的擺動，以此來判斷火星內(nèi)核的狀態(tài)。

除了“洞察號”自身所攜帶的科學(xué)儀器開創(chuàng)了諸多先河，與“洞察號”一同升空，隨后又自行趕路，與“洞察號”一同到達火星軌道的兩顆迷你衛(wèi)星——MarCO A與MarCO B——同樣也是一個史無前例的創(chuàng)新。這種只有鞋盒大小的迷你衛(wèi)星由噴氣動力實驗室的年輕科學(xué)家們設(shè)計制造，造價相對低廉，卻有大用處。由電影《機器人總動員》得來靈感，科學(xué)家們給它們起了外號“Wall-E”和“EVE”。有了這兩個隨“洞察號”一同到達的迷你衛(wèi)星作為中繼，就不用等待在火星軌道上運轉(zhuǎn)的衛(wèi)星飛臨，能夠在第一時間把“洞察號”的著陸過程發(fā)回給地球，其間地球只滯后了電磁波從火星抵達地球所需的8分鐘時間。即使“洞察號”的降落沒有成功，這兩顆迷你衛(wèi)星仍可以把這個過程實時發(fā)送回地球供科學(xué)家們進行分析。

雖然沒有攜帶科學(xué)儀器，但是在火星大氣層的邊緣，這兩顆迷你衛(wèi)星仍然通過自身攜帶的相機拍攝了幾張火星的照片發(fā)回地球。另外，它們向地球發(fā)射的電磁信號會經(jīng)過火星大氣層的邊緣。地球的科學(xué)家們通過分析火星大氣層對信號的干擾，就有可能理解火星大氣層的密度和成分。除了這些作用之外，作為人類首次發(fā)射的專門用于檢測探測器著陸過程的行星際衛(wèi)星，這兩顆迷你衛(wèi)星也開創(chuàng)了地外探測器自身攜帶通信設(shè)備的先例，這為人類以后探測其他天體提供了一個全新的思路。

火星的謎團

火星表面在何時曾經(jīng)擁有液態(tài)水，后來又發(fā)生了什么導(dǎo)致了液態(tài)水的流失？在火星上是否曾經(jīng)存在過生命？“洞察號”來到火星，傾聽火星的地震波，鉆研火星的地表，實際上都是為了回答這幾個困擾人類已久的問題。

通過各種火星探測器和人造衛(wèi)星，人類收集了越來越多的關(guān)于火星的信息，但是近年來，在火星研究領(lǐng)域，科學(xué)家們卻并不算樂觀。有科學(xué)家認為，人類對于火星的研究可謂是有觀察、無理解，近年來沒有突破性的進展。盡管人類收集到的關(guān)于火星的數(shù)據(jù)越來越多，卻有如隔靴搔癢，沒法解決一些根本性的問題，比如火星在形成的早期階段，為什么會擁有溫暖濕潤的環(huán)境？促使火星環(huán)境發(fā)生徹底性轉(zhuǎn)變的原因又是什么？

想要回答這些關(guān)于火星的根本性問題，就非要探明火星的內(nèi)部構(gòu)造不可。地質(zhì)學(xué)家們研究地球的結(jié)構(gòu)，需要在地球的不同位置探測地震波，以此計算地球內(nèi)部能量的傳播方式，進而理解地球的內(nèi)部構(gòu)造。想要理解火星的內(nèi)部構(gòu)造，方法也與此類似，需要探測來自火星內(nèi)部的地震波。

上一次探測火星地震波的嘗試并不成功。在1975年，美國航空航天局發(fā)射了維京1號（Viking 1）和維京2號（Viking 2）火星探測器，結(jié)果因為機械故障，維京1號沒能夠順利卸載設(shè)備，而維京2號所攜帶的探測器在收集了2100個小時的火星地震波資料之后，科學(xué)家們才意識到，因為維京2號所攜帶的地震儀甚至沒有與火星的地面直接接觸，而是位于探測器的上方，其收集到的地震波信號也有可能來自火星大氣的干擾，因此意義不大。

40多年過去了，帶著更先進的儀器和人們的希望，此次“洞察號”探測火星地震波的計劃不容有失。為了能夠盡量不受干擾，并且能獲得足夠的光照，“洞察號”需要找到一個相對平坦、溫暖和明亮的區(qū)域?？茖W(xué)家們最初考慮了22個著陸點，后來候選者縮減到埃律西昂平原、伊希地平原和水手號谷三個，最終才確定了在赤道附近的130公里長、27公里寬的埃律西昂平原。

在成功著陸之后，雖然“洞察號”已經(jīng)開始收集科學(xué)數(shù)據(jù)，但接下來它最重要的工作是部署科學(xué)儀器，這個過程就要花費兩到三個月的時間。

“洞察號”不需要像具有核動力的“好奇號”一樣到處游走，在著陸之后它需要就近選擇一個合適的工作地點安定下來。它會伸出1.8米長的機械臂對周圍環(huán)境進行拍照，把照片發(fā)回地球，再由地球上的科學(xué)家為它選擇一個合適的探測地點進行鉆孔和地震波探測。而現(xiàn)在人們對于“洞察號”最大的好奇在于，在一個火星年外加40個火星日的計劃工作時間里，它究竟能夠探測到多少次火星地震波。

科學(xué)家們估算火星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和冷卻過程，估計它的地質(zhì)活動可能介于地球和月球之間，它的地震次數(shù)可能會少于地球但多于月球。因此“洞察號”所探測到的地震信號可能會在2.7級到4.2級之間，當(dāng)然它也有可能通過高精度的地震儀探測到更遠處強度更大的地震信號?？茖W(xué)家們希望在兩年多的時間里能夠至少探測到30次地震波數(shù)據(jù)，地震波的強度越大，就越有利于人們理解火星的內(nèi)部構(gòu)造，因為強烈的地震波會貫穿火星的核心，傳送出關(guān)于火星內(nèi)部的信息。

地球與火星兩顆行星在早年都有著溫暖濕潤的環(huán)境和厚實的大氣層，但之后幾十億年的時間里兩者的境遇大有不同，科學(xué)家們猜測，這與兩顆行星的板塊構(gòu)造以及內(nèi)部熱量的流動方式有關(guān)，“洞察號”所攜帶的科學(xué)設(shè)備主要就會在這幾個方面進行探測。地球的核心部分充滿沸騰的巖漿，其中蘊含了巨大的能量。這些能量一部分來自于行星形成初期的擠壓，一部分來自于放射性物質(zhì)。行星中心的能量會逐漸向外擴散，它需要尋找出路釋放出來，巨大的能量會融化巖層，損毀地殼，形成火山和熱泉，噴發(fā)出巖漿和大量揮發(fā)性的液體，為大氣層帶來了熱量，這個過程可能對于生命的形成和發(fā)展至關(guān)重要。另外，地球內(nèi)部存儲的巨大能量也讓地核一直保持著液態(tài)，其中金屬元素的流動會產(chǎn)生出一個全球性的磁場，這相當(dāng)于為整個行星的生物都提供了一個保護罩，使之免受宇宙射線的攻擊。

除了核心區(qū)域之外，地球的板塊構(gòu)造可能也對于生命的出現(xiàn)和發(fā)展有重要意義。地殼的不同板塊之間會相互移動、碰撞，這也為整個行星的循環(huán)帶來了活力，讓地球環(huán)境一直處于變化之中。地球的不同板塊相互碰撞時，會把地殼的一部分撞入地球內(nèi)部，而當(dāng)不同的板塊分離時，又會讓新的板塊浮現(xiàn)出來，在這個過程中會釋放出水分、二氧化碳、甲烷等物質(zhì)。這樣的循環(huán)過程有可能保持了整個地球生態(tài)系統(tǒng)的活力。

地球與火星在這些細微之處的區(qū)別，是否決定了兩顆行星的不同命運？火星并沒有類似于地球的板塊構(gòu)造，這是否決定了它無法維持自身物質(zhì)的循環(huán)系統(tǒng)？火星在形成初期也具有強大的磁場?；鹦且粋€古老的地殼區(qū)域被強烈地磁化就是其磁場曾經(jīng)存在的證據(jù)，但是在其后幾十億年的時間里，火星的磁場消失了，這是否導(dǎo)致了其環(huán)境的惡化？在火星內(nèi)部的巖漿是否具有與地球相似的活力，還是已經(jīng)隨著時間的流逝而冷卻凝固？科學(xué)家們希望能夠通過探測火星的地震波和在自轉(zhuǎn)軸上的擺動方式，判斷出火星內(nèi)部的巖漿是處于液態(tài)還是固態(tài)，或是兩者的混合狀態(tài)。

“洞察號”的工作才剛剛開始。如果順利的話，在未來兩年的時間里，它將會向地球源源不斷地發(fā)回關(guān)于火星內(nèi)部構(gòu)造的各種數(shù)據(jù)，這或許將使人類對于火星的理解大大加深，也有助于人類在未來將宇航員送上火星。對于地球來說，火星又如同一個實驗室。它告訴人類，一顆行星的構(gòu)造和環(huán)境稍加改變，命運就可能完全不同，理解火星的形成和發(fā)展過程，其實也能讓人類更深刻地理解地球，理解生命的產(chǎn)生和發(fā)展所依賴的環(huán)境。對于人類來說，火星是他者，也是我們自身生存和發(fā)展的一個參照。

（本文寫作參考了《自然》雜志和美國航空航天局的相關(guān)報道）