通過火星認識地球

南方周末記者　王江濤

天問一號探測器拍攝到的高清火星影像圖。視覺中國　?圖

★對火星大氣、地質以及各種物理數據的分析，為科學家理解地球未來環(huán)境的變化趨勢提供了重要的借鑒意義，同時也為中國行星科學的發(fā)展提供了重大機遇。

根據中國國家航天局獲取的遙測數據，2021年5月22日，祝融號火星車已安全駛離著陸平臺，開始在火星表面進行巡視探測。而在這7天前的5月15日7時18分，搭載著祝融號火星車的天問一號探測器在火星烏托邦平原南部著陸，標志著中國首次火星探測任務著陸火星取得成功。

“大概有一半的火星著陸計劃都已經以失敗告終了?！甭槭±砉W院行星科學教授本杰明·韋斯（Benjamin Weiss）告訴南方周末記者，“所以，中國還附帶了將軌道器放在火星軌道的這第一次著陸嘗試的成功，確實令人印象深刻?！?/p>

而環(huán)繞和降落之后，隨著祝融號開始在火星表面進行巡視探測，更多關于火星的科學秘密有望揭開。

認知火星的新高度

2020年7月23日，天問一號探測器在海南文昌由長征五號運載火箭發(fā)射升空。就在這之前的7月13日，《自然·天文學》（Nature As-tronomy）發(fā)表了原中國火星探測計劃首席科學家、中國科學院地質與地球物理研究所研究員萬衛(wèi)星和中國科學院國家空間科學中心主任、研究員王赤等人的文章，介紹了中國首次火星探測任務的基本情況，在工程方面順利實現環(huán)繞、著陸和巡視的基礎上，還計劃對火星開展五項詳細的科學調查。

這些任務包括了繪制火星形態(tài)和地質結構圖、調查表面的土壤特征和水冰分布、分析表面的物質成分、測量火星表面的氣候和環(huán)境特征以及電離層，并理解火星的電磁場和引力情況等以及其內部結構。王赤向南方周末記者解釋，天問一號是首次同時發(fā)射軌道器和巡視器對火星進行聯合探測的任務，軌道器可以對火星開展大范圍的全球觀測，巡視器可以在火星表面對巡視區(qū)開展精細的探測，二者相互配合，能從大氣到表面，從表面到內部，將人類對火星的認知提高到一個新高度。

“天問一號的這五個科學目標是相互關聯的。通過形貌分析得到的是過去的地質歷史記錄，而探測到的氣候和大氣數據是現在的，通過對比就可以了解到火星歷史中的氣候變化情況?！敝袊刭|大學（武漢）行星科學研究所教授肖龍告訴南方周末記者，作為行星地質研究的科學家，他特別希望能夠在土壤中水冰的分布、古海洋存在的證據、疑似泥火山的組成和形成機制等方面取得新的發(fā)現，其中一處疑似泥火山距離著陸點有約3公里，希望祝融號火星車能夠到達并實現對它的探測。

而要實現這些對形貌和地下結構的探測任務，離不開相機、光譜儀和探地雷達等儀器來采集數據。為實現這五項科學調查任務，天問一號共攜帶了13件儀器，其中軌道器上有7件，巡視器上有6件，火星磁強計和磁場探測議就包括在內。2021年5月25日，天問一號搭載的火星磁強計在軌道上伸展開，準備開始對火星空間磁場開展探測。而巡視器搭載的磁場探測議預計將對火星表面的磁場進行測量。

“天問一號的巡視器是火星上第一個包含了磁場探測儀器的巡視器。而表面磁場的測量對理解行星磁場的演化是很寶貴的?！睂ｉT對比過空間探測任務科學貢獻的法國圖盧茲大學天體物理和行星研究所科學家伊安尼斯·丹杜拉斯（Iannis-Dandouras）向南方周末記者解釋，“我們知道，今天的火星只有‘化石磁場，這是從其歷史早期更強的磁場中遺留下來的產物。通過與太陽風的相互作用，磁場在如何保護或者不保護大氣逃逸到外太空問題上，究竟扮演著怎樣的角色，這些對磁場的研究是至關重要的?！?/p>

“因為火星磁場的歷史可能已經深刻地影響了過去的氣候，這些測量將告訴我們火星可能從什么時候已經變得宜居，以及它是怎么轉變成現在又冷又干的不宜居的狀態(tài)的?！北窘苊鳌ろf斯也很關注巡視中將對火星上磁場所開展的首次測量。而這些待解的問題此前在未登陸火星的情況下，在地球上很難回答。

認識火星，也是認識地球

但也并非什么也做不了。2021年5月17日，就在祝融火星探測器在火星烏托邦平原南部著陸后不久，中國科學院地質與地球物理研究所研究員戎昭金受邀在青海冷湖火星小鎮(zhèn)開展了一次關于火星科普的直播活動。他穿著“航天服”站在空曠的土地上介紹火星，遠處是成片的風蝕土丘。

“這邊的地質地貌非常像火星，火星上也是這樣一個景象——由風沙長時間吹出來的雅丹地貌?！比终呀鹣蚰戏街苣┯浾邔Ρ让枋隽说厍蚝突鹦堑漠愅?。他原本從事地球太空環(huán)境的研究，后來在博士后導師萬衛(wèi)星院士的建議下，在做博士后研究時就開始從事一些將地球和其他行星進行比較研究的科研工作。

而冷湖所處的柴達木盆地正是人在地球的科學家們研究火星的其中一個重要的地點。肖龍就專門研究過柴達木盆地與火星地貌的異同。他分析柴達木這個由儲水盆地演變成的以沙漠為主的山間盆地，水體蒸發(fā)和風的地質作用造就了包括雅丹、沙丘、干鹽灘等在內的多種地貌類型，而這些在火星上都可以找到對應的地貌現象。

“因為火星尚無法進行現場勘察，很多現象都只有影像數據和部分光譜數據，那么對這些地質地貌的成因解釋，我們首先考慮的就是地球上有沒有類似的。這為認識火星提供一種基本的方法途徑。例如，我們可以對火星上的雅丹形貌進行分析，與地球上的雅丹進行對比，找出其異同?！毙堈f，“通過對比可以確認的是，火星表面部分區(qū)域，也經歷了由湖泊到沙漠的演變，火星上的雅丹體和多邊形地貌很可能也是由早期湖泊沉積物演變而來，這些支持了火星從早期溫暖潮濕，后來轉變得干旱寒冷的歷史。而原來的水部分被封存在地下，部分已經逃離火星。”

2020年3月，肖龍參與的一項對柴達木盆地湖泊沉積物的研究報告稱，用探地雷達在多邊形地形下發(fā)現了水，這項火星類比研究據此認為多邊形地形可能是火星應該探測取樣的位置，這項研究發(fā)表在《伊卡洛斯》(Icarus)。

“基于類火星地貌研究其形成機制，關鍵性約束條件可以用來反演火星地貌形成的環(huán)境尤其是火星過去的氣候變遷，這對于地球未來的環(huán)境變化趨勢有很重要的啟示?！卑拈T科技大學月球與行星科學國家重點實驗室科學家徐懿也有從事柴達木盆地與火星典型地貌的對比研究，她告訴南方周末記者，柴達木盆地和火星都曾經歷過一個大氣候變遷的過程，但是火星和地球上重力、大氣、溫度等環(huán)境都存在不同，所以基于地球地貌反演火星環(huán)境時仍需考慮這些不一樣的因素。

而隨著天問一號登陸后對火星地質地貌等情況進行精準探測，科學家也有可能對地球演化趨勢有更多的認識。在這些眾多的疑問中，火星生命體的生存變化情況最為人們所關注，這背后關系著一些地球人移民火星的夢想：比如當地球變得不再宜居時，火星成為拯救生命的諾亞方舟。

探索地外生命

“火星上生命形成的時間最有可能是在38億至40億年前，那個時候，火星比現在要更宜居。有很多證據顯示那個時候火星表面有水，有比現在更厚的大氣層，并且還有火山作用提供的循環(huán)，是與現在非常不同的一個環(huán)境。同一時期，地球上的生命也在形成，并且可能是相似的條件?！眰惗卮髮W學院穆拉德空間科學實驗室教授安德魯·科特斯（Andrew Coates）向南方周末記者分析，“我們現在正在做的就是尋找過去的生物標記和生命的跡象，來幫助理解我們在宇宙中的位置，以及為什么地球如此特殊。我認為我們將在未來幾年內查明火星上是否曾經有生命?！?/p>

安德魯·科特斯正參與羅莎琳德·富蘭克林火星探測任務(Exo-Mars 2022)巡視器的研發(fā)工作，這是歐洲空間局與俄羅斯航天局合作開展的一項致力于探索火星生命的探測項目，預計將在2022年發(fā)射升空。巡視器的特點之一就是攜帶了可在火星地下鉆2米的鉆機。這一深度低于紫外線、氧化劑和輻射等所能穿透的地方，安德魯·科特斯認為，這使得探測結果能避開這些關鍵效應，包括美國毅力號、阿聯酋希望號火星探測器和中國的天問一號等在內的火星探測任務，相關科學發(fā)現可以相互補充，最終幫助人類發(fā)現自己在宇宙中是不是孤獨的。

“在火星上尋找生命的證據，無論滅絕與否，都將對我們如何看待自己以及我們在宇宙中的位置和角色產生深遠的影響，這只能與開辟了通往現代科學和社會道路的哥白尼革命相提并論。我希望這樣的發(fā)現將由全人類共同取得，而不是掛著某一個國家的旗幟。而按我們理解，液態(tài)水就是生命的一個關鍵物質?！币獯罄麌姨祗w物理研究所科學家羅伯托·奧羅西（Roberto Orosei）告訴南方周末記者，他希望天問一號能發(fā)現火星南極冰蓋底部現在被識別為水體的區(qū)域的關鍵信息。

2018年，《科學》雜志（Science）曾發(fā)表一項關于火星探測的重要報告，雷達數據顯示，火星南極東經193度周圍20公里寬的區(qū)域有明顯異常發(fā)亮的地下反射,推斷其應該是火星上一個穩(wěn)定的液態(tài)水域。這項研究的第一作者正是羅伯托·奧羅西。2020年，羅伯托·奧羅西還與羅馬第三大學地球和行星物理學家埃琳娜·佩蒂內利（Elena Pettinelli）和南昆士蘭大學理學院的科學家格拉齊耶拉·卡普拉雷利（Graziella Cap-rarelli）等人合作在《自然·天文學》上繼續(xù)對相關數據進行分析，進一步強化了火星南極有液態(tài)水的論斷，并且還發(fā)現附近有濕潤地區(qū)存在。

天問一號成功著陸后，埃琳娜·佩蒂內利對相關科學和工程任務所取得的成績表示祝賀。她向南方周末解釋此次著陸的烏托邦平原，其表面覆蓋有30億至34億年歷史的巖石，潛在還有覆蓋被風搬運過的沙和土等松軟的沉積物。這樣的表面特征顯示那里可能有冰川和冰川下的活動，通常意味著存在地下水冰沉積物。因此，繼續(xù)從表面和地下探索水冰的證據是極為重要的。然而，天問一號的著陸點在赤道以北約25度，這比以往發(fā)現表面或地下冰的地方要更靠南，由于地下水冰的深度在離赤道更近的地方會增加，這就更顯示出祝融號裝備了探地雷達的重要性了，這樣就可以獲得地下100米深的數據，有望搞清楚地下冰可以存在火星多靠南、多深的地方。

盡早設立行星科學專業(yè)

除了探索到地外生命的可能性外，天問一號探測器的火星著陸，還使中國成為第二個成功著陸火星的國家。為國際合作探測火星提供了更多的可能。

在羅伯托·奧羅西看來，在一些地方取樣分析的火星任務超出了當前的技術能力范圍，無論如何都是耗費巨大的事業(yè)，為此，國際合作看起來是最明智的方式，“不可否認的是盡管在過去，太空探索成為了世界強國之間為了聲望和技術優(yōu)勢的競爭，盡管每個國家去實現自己的雄心壯志都是合理的，但是國際合作是將火星巖石樣本帶回地球進行分析的計劃的核心，這是這十年火星探索的主要科學目標?！?/p>

在天問一號任務中，中國國家航天局就與歐洲空間局和法國、阿根廷、奧地利等國航天機構開展了一定項目合作。而與國際相比，中國迄今沒有在國家層面設立行星科學專業(yè)。

戎昭金說，“美國和歐洲都有很成熟的行星科學學科教學體系，而我國在這方面起步比較晚。雖然目前我國引進了不少高水平行星科學海外人才，但未來我國的行星科學人才不可能全指望從國外引進，我國需盡早設立專門的行星科學學科，讓后續(xù)青年行星科技人才不斷涌現，逐步形成老中青這樣一個學科傳承，才能不為國外卡脖子，才能為國家深空探測更好地獻計獻策。”

中國科學院國家空間科學中心主任王赤也認為應該設立行星科學專業(yè)，“作為航天強國，美國很多著名高校早就設立了行星科學專業(yè)，中國正從航天大國邁向航天強國，科學牽引、學科支撐中國月球和深空探測活動是當務之急。”

肖龍向南方周末記者介紹，不久前，二十多個高校共同論證了設立行星科學一級學科的重要性和必要性，未來預計會有更多高校設立行星科學專業(yè)，“行星科學的特點是多學科的高度交叉，我國的行星科學是從地球科學生長出來的。但跳出地球研究地球，是地球科學發(fā)展的必然趨勢?！?/p>

2021年6月18日至21日，中國地球物理學會行星物理專業(yè)委員會將在蘇州舉辦首屆全國行星科學大會，主題之一就是要探索未來行星科學一級學科建設道路，促進中國未來行星科學人才的培養(yǎng)。

“像天問一號這樣成功的探測任務，能激發(fā)想象力，對鼓勵兒童和年輕人從事科學和技術研究特別有用。”地球和行星物理學家埃琳娜·佩蒂內利覺得，“最終，即便太陽系探索任務不會帶來任何直接的物質利益，但它們也必然能為新技術開辟途徑使之轉而用在地球上，從而直接造福人類。也能激勵子孫后代努力工作和學習，從而實現人類的進步?！?/p>

而即便如此，移民火星仍還未因首次登陸成功變得更現實。因為基于現在有限的證據，火星的宜居性仍顯得不夠，正如行星科學教授本杰明·韋斯受訪時所說，“如果我們甚至無法在一個我們自然進化和適應的行星環(huán)境中保持行星的宜居性，那么我看不出我們如何能夠成功地改造一個像火星這樣不適合居住的星球?！?/p>