火星探测六十年 | 一切过往,皆成序章
发布时间:2021-06-07  

欧冠足彩-来源:中国科普博览  火星,有可能是日月之外人类最先注意到的天体之一,火红色的整体外观堪称让这颗行星十分惹人注目。古埃及人就曾必要称之为火星为“红色的那颗”。古埃及人看火星的假想图。

来源:NASA/Mars in a Minute  红色星象  在许多文化里,红色的火星都和“战争、不祥”创建了联系。  中国古人称之为火星为“星象”,早于在春秋战国时期,诸子百家的著作中就大量经常出现了对“星象”的记述。“星象守心”这一地球和火星角速率有所不同导致的“急弯转弯”视觉现象,被中国古人视作大凶之兆。

星象守心,指火星在心宿附近再次发生由逆行改以顺行/由顺行改以逆行的过程中逗留了一段时间的现象。来源:《武英殿二十四史·史记·宋微子世家》影印版  英文的火星“Mars”则是罗马神话中战神“玛尔斯”的名字,连带着两颗小小的卫星都被命名为Phobos和Deimos,这是希腊神话中战神两个儿子的名字,意为“惧怕”、“可怕”。

火星、火卫一和火卫二。来源:NASA  刻画火星  十七世纪,望远镜问世,但在此后的三百多年里,人类主要利用火星冲(日地火近似于呈圆形一条直线)这样的“大自然窗口”才能更加确切地看见火星表面形貌。在每26个月一次的火星冲附近,火星可以超过离地球最近的方位,许多火星表面地图,都是天文学家们基于火星冲时期的观测绘制的。

实际地火最近不会再次发生在火星冲附近而不一定是恰好重合,因为地火轨道都不是极致的圆而是椭圆的。动图是2016年火星冲的例子,这次地火最近(closest approach)比火星冲(opposition)晚了8天。

来源:NASA‘s Scientific Visualization Studio  1840年,德国天文学家约翰·海因里希·冯·马德勒和威廉·比尔公布了第一张原始的火星地图,这也是第一张用经纬度标示地球以外行星的地图:火星的0度经线被定义在小型撞击坑艾利-0所在之处。尔在1840年公布的首张火星全球地图;(右)直径约500米的艾利-0撞击坑,坐落于直径40千米的艾利撞击坑内部。

来源:MGS MOC [3]  此后三十年间,也有各种版本的火星地图相继问世,后用各自的命名方式给火星地貌命名,但最后一统江湖的,还是时任意大利布雷拉天文台台长的乔凡尼·斯基亚帕雷利用1877年火星大冲时期的观测绘制的火星地图。地图中用于的诸多火星典型地貌命名被后人普遍接纳,沿用至今。  乔凡尼·斯基亚帕雷利绘制的火星全球地图和地图中沿用至今的火星地名(红圈),此图比起于原图做到了经度表明范围的调整,留意纬度表明是不均匀分布的,而且范围只在北纬50°-南纬80°之间。改动自:斯基亚帕雷利1877火星地图  或许一切都在向着更加好的方向发展,彼时的人类虽然装备受限,但仍然在一点一点促进对火星的理解。

只是,谁也不告诉为啥这路回头着回头着就走歪了。  运河根源  从彼时的权威人士乔凡尼·斯基亚帕雷利开始,一些天文学家指出自己通过望远镜在火星表面看见了更加多“线性沟槽”。在此后的将近百年里,人们开始坚信火星表面显然“阡陌交通、沟壑纵横”,这些“沟槽”是火星人为灌溉而修建的“运河”。到了20世纪初的火星地图中,火星地图早已出了这样。

留意,早期的火星地图和如今的火星地图多为南北镜像翻转的,这张也必须南北旋转一下才能获得和右图完全一致的方位。来源:罗威尔1896-97地图,公开发表于1905年罗威尔天文台的年志中  于是,这些压根不不存在的“火星沟槽”又让人们与火星表面的现实形貌渐行渐远,也让“火星运河”和“火星人”的错误观念一度深入人心。有机会再行和大家进行聊聊这段“火星运河荒谬史”。

  直到探测器时代的到来,这些迷雾才再一被无可争议的观测事实所拨开。而我们的故事,就就是指这里开始的。

  惊鸿一瞥  如果说望远镜的发明者“升级”了人类的肉眼,那探测器的登场则为人类的凡胎插上了翅膀。  和“想近距离看清楚火星”的望远镜时代相近,想“近距离观测火星”,仍然要等候每26个月一次的“窗口期”,只不过,这次的窗口期从“火星冲”这样“距离上的最近”(观测窗口),变成了让探测器最节省燃料的“能量上的最近”(升空窗口)。

每当火星相对于太阳的方位领先于地球44度角左右的时候,从地球升空的探测器经过一个椭圆轨道(也就是“地火移往轨道”)后恰好不会在几个月后与火星大自然遇见,这样的时机每26个月经常出现一次。留意,这样的升空时机并不对应于火星距离地球最近的时刻。

改编自:NASA  在1964年的火星升空窗口里,NASA一口气先后升空了孪生机水手3号和4号。11月5日升空的水手3号,在升空阶段就遇上了一箩筐问题:探测器没有能几乎由头锥中弹出有、太阳能板未能进行、电池消耗…最后升空告终。孪生机水手3号和4号的外形。

来源:NASA  但正是这些问题的找到为弟弟水手4号南北人生巅峰铺平了道路。意味着在23天后的11月28日,修缮了所有未知问题的水手4号成功升空,又在8个月后沦为了人类第一个卡西尼号火星并传到火星照片的探测器。

  水手4号共计摄制并传到了22张火星南半球的照片,让人类第一次近距离看见了火星表面的样子,还对火星大气、磁场和空间环境做到了可行性观测。水手4号的观测结果基本超越了人类对“火星人”的幻想:比起于地球,火星大气平流层,表面像月球那样撞击坑遍及。这里荒芜而沉寂,没找到任何反对火星人这样的简单智慧生命不存在的证据。

1965年7月15日,水手4号卡西尼号火星时摄制的火星表面照片。来源:NASA  生死时速  卡西尼号火星看见的一点惊鸿掠影当然无法让人类符合,环绕着火星进行长年观测才能将全球每个角落收益眼底。1971年升空窗口,美国和苏联步入了白热化的“火星争夺战赛”。

  在短短21天里,美苏陆续升空了5颗火星环绕着器。最后,NASA水手9号天秤座先至,首度于1971年11月14日转入的环火星轨道,沦为人类第一个火星环绕着器。

自此,人类再一可以待命在火星附近长年观测了。 “生死时速”——1971火星争夺战赛。制图:haibaraemily  水手9号、火星2号和火星3号到达火星时,好巧正要正赶上火星全球性的沙尘暴。

但水手9号很快调整了状态,坚决到了沙尘暴平息,最后取得了近高于火星2号和3号观测成果。仅有就照片这一项,水手9号就摄制了并传到了7329张火星表面照片(相比之下火星2号和3号共计传到了60张照片),覆盖面积了火星表面85%的区域,乘势多达了之前所有火星探测器的摄制总和。用于水手9号数据绘制的火星地图。

图片表明火星运河并不不存在。来源:USGS  极大的火山、深长的峡谷、简单的渠道、熔岩的遗迹、甚至火卫一和火卫二的表面——在水手9号的协助之下,火星和两颗火卫的大部分面目,再一一一曝露在了地球人的视野之下。

火星最壮丽的水手峡谷,就是以水手9号命名的。水手9号摄制的火星表面和火卫一。来源:NASA  走上火星  环绕着观测固然能为我们获取火星几近全球的整体信息,但实地考察的重要性也不能替代。

没什么比确实走上火星表面,近距离观测火星更加让人类心驰神往。  1975年火星升空窗口里,NASA先后升空了孪生机海盗1号和海盗2号(Viking)。每艘海盗号都由环绕着器和着陆器构成,环绕着器转入的环火星轨道飞行中了一段时间后才择机获释着陆器。

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海盗号着陆器使用了特立独行传统的降落伞+后坐火箭的降落方式,和后来的凤凰号、洞察号如出一辙。海盗号1号/2号轨道器和着陆器。来源:NASA  1976年7月20日和9月3日,短短一个半月间隔里,海盗1号和2号的着陆器陆续走上火星遥遥相对的两片土地:克律塞平原和乌托比亚平原。

海盗号1号/2号轨道器和着陆器。来源:NASA  它们不仅是美国第1、2个顺利降落火星的探测器,也是人类头两个顺利降落火星并顺利开展工作的探测器。

第一张在火星表面摄制的照片。1976年7月20日,海盗1号在降落几分钟后摄制然后传到。

来源:NASA/JPL-Caltech第一张火星表面摄制的彩色照片。1976年7月21日,海盗1号着陆器摄制,红色的表面有可能是褐铁矿(水合氧化铁),这种矿物在地球上是水和水解性大气环境下的产物。来源:NASA/JPL-Caltech/PIA00563  尽管严格来说,苏联的火星3号才是第一个顺利软着陆火星表面的探测器,但十分失望的是它在降落仅有20秒后就很快失联,没有能顺利开展观测工作,连摄制的第一张照片都未能传全乎。

火星3号着陆器传到的唯一一张“照片”。来源:苏联  没有人告诉火星3号着陆器装载的火星车否顺利获释,否在火星上踏上过几步。有一说道一,这个命运不由此可知的火星车动起来还是酋魂魄的:火星车(×)火星狗(√)。

来源:SpaceLin  海盗号的两艘环绕着器也各自精彩。它们在任务期间摄制了大量火星以及两颗火卫表面的高清照片,质量不亚于于之前的水手9号任务,覆盖率堪称低约火星表面积的97%,再行一次创下了人们对火星表面的了解。由海盗1号环绕着器摄制的102张照片拼凑而出,中间可见明晰的水手号峡谷,左边缘可见火星知名地标“三颗纽扣”——塔尔西斯盾状火山群。

编号:MG07S078-334SP  海盗号的顺利标志着美国在太空竞赛火星赛场上的压倒性胜利,此后,美苏都陷于了长时间的沉寂。  全盛序幕  1996年底,NASA火星全球探勘者号(MGS)环绕着器发射成功,次年转入的环火星轨道。在长达9年的火星岁月里,这颗探测器获得了诸多令人惊叹的科学成就。 火星全球探勘者号工作的艺术想象。

来源:NASA/JPL  它用激光高度计提供了迄今为止分辨率最低的火星全球地形数据(MOLA),至今仍是各种科学观测和研究的最重要参照。火星全球勘探者号提供的火星地形图,就越白越高,就越绿就越较低。来源:NASA/MOLA  通过这些地形数据,科学家们让火星北半球较低地中许多被挖出的古老撞击坑和盆地“重见天日”,这意味著火星看起来平缓的北部较低地只不过远比撞击坑遍及的南部高地年长,反而更为古老。

火星全球勘探者号(MGS)MOLA地形数据说明了的“隐蔽”撞击坑。  它找到了数百处流水构成的冲沟,这意味著火星表面有可能在旋即的过去还有过液态水流动。火星全球勘探者号MOC照相机摄制的火星表面的冲沟。

来源:NASA/MOC  火星全球探勘者号月打开了这后三十年火星观测的全盛时代。  火星“狂”车  1997年,火星探路者号着陆器带着人类第一辆火星车旅居者号顺利攀上火星表面。作为NASA第二届“找到级”项目“成员,“更加慢、更佳、更加低廉”是它们的己任之本。正在被拉链“包的火星探路者号着陆器和旅居者号火星车。

 来源:NASA/JPL  更加重、更加小的火星探路者号首次用于气囊来已完成降落伞之后的缓冲器滑行,然后类似于我国的嫦娥三号/四号,在降落顺利之后获释火星车旅居者号。 被塞进气囊之中的火星探路者号和旅居者号,在降落火星的最后阶段利用气囊多次跳跃来构建缓冲器,最后安全性逗留在火星表面。来源:NASA/JPL  尽管两个降落任务意味着工作了三个月(但已多达设计寿命),火星车仅有总计移动了大约100米,但火星探路者号和旅居者号作为探寻火星的“先头部队”,为先前NASA的火星降落任务检验了技术、修筑了道路。

石头左边的那个小家伙就是旅居者号,仅有轻10.5公斤。来源:NASA/JPL  寻水而来  二十一世纪悄悄到来。2001升空窗口里,NASA将环绕着器火星奥德赛号送到火星。

火星奥德赛号工作示意图。来源:NASA/JPL  火星奥德赛号的重大成就之一是它配备的伽马射线谱仪(GRS)首次在火星上观测到了氢的不存在,间接证实了火星地下所含水冰。

火星奥德赛号的伽马光谱仪测量的火星全球超强热中子量产于,就越白越高,就越绿就越较低。因为超强热中子被氢原子慢化的效率最低,所以观测到的超强热中子量就越较低就代表氢的富含度(水冰含量)越高,白线划界的区域被指出地表80厘米以下有平稳不存在的水冰。

  这艘探测器至今仍在展开科学观测以及为火星上的降落任务获取通讯中继,是目前为止所有的火星探测器里最超长待机的一个。火星奥德赛号为降落任务获取通讯中继示意图。来源:NASA/JPL  2003升空窗口,欧空局发动了对火星的首次尝试,将环绕着器火星快车号和着陆器小猎犬2号送到火星。

火星快车号(三根天线是测量地雷约)和小猎犬2号艺术想象。来源:ESA  火星快车号意味著算是首战崭露头角,虽然小猎犬2号降落后失联了,但丝毫不阻碍火星快车号一路开挂的科学找到。

  火星快车号配备的红外线与红外线矿物光谱仪OMEGA在火星表面多处检测出有了粘土(也就是水合层状硅酸盐)等水合矿物,指出火星表面在很久以前很有可能有大量液态水流到。OMEGA观测到的火星水合矿物产于。© ESA/CNES/CNRS/IAS/Université Paris-Sud, Orsay; NASA/JPL/JHUAPL; 底图:NASA MOLA  火星快车号的测地雷约MARSIS堪称首次在火星地下找到了疑为液态水湖。

疑为冰下湖的方位(对应着高反射强度,图中蓝色区域)。来源:ESA火星快车号眼中冰封世界,宛若仙境。水冰覆盖面积的科罗廖夫撞击坑,由火星快车号的HRSC照相机影像和数字高程模型联合分解。来源:ESA/DLR/FU Berlin  NASA在这个赛季也某种程度巅峰:孪生机勇气号、机遇号火星车陆续顺利升空,并在2004年1月陆续降落在火星遥遥相对的古谢夫撞击坑和子午平原,它们的目标是探索火星上的水。

勇气号和机遇号火星车。来源:NASA/JPL  由于不能通过太阳能板供电,勇气号和机遇号原本的设计寿命只有90天。然而,谁也没想起,原本被视作灾害的火星尘卷风却偶尔老大它们清理了太阳能板上的灰尘,让它们需要活力宛如地之后工作了好多年。

勇气号和机遇号的观测结果更进一步证明火星曾多次有过寒冷湿润的环境,那时候的火星也许是适合生命不存在的。机遇号找到的“蓝莓”(赤铁矿结核)和石膏脉(水合硫酸钙矿物),皆是火星曾有过寒冷湿润环境的证据。来源:NASA/JPL  2007年,NASA凤凰号着陆器升空升空,次年迫降在火星北极一带,是目前人类最北的火星降落任务。

凤凰号和后来的洞察号着陆器使用的都是传统的后坐火箭降落方式,而且两者在外形上也有必要的承继。过分相近。jpg 来源:NASA/JPL  挖土小能手凤凰号不负众望,迅速就在着陆区一带的土壤下埋了高纯度水冰,可谓“火星有水”的一记实锤。

 (左)凤凰号工作假想图;(右)凤凰号埋的水冰,留意左下角新的埋的水冰4个火星日后溶解消失了。来源:NASA/JPL  火眼金睛  2005年,NASA的另一个大杀器火星勘测轨道飞行器(MRO)升空升空。它装载的高分辨率照相机(HiRISE)为地球人带给了火星局部最低平均0.3米/像素的照片,甚至比许多地球卫星摄制的我们地球上的照片都确切。MRO工作示意图。

来源:NASA  海量的高清照片不仅让地球人大开眼界,也让诸多更加细致的火星地质研究沦为有可能,一圈一圈环绕着火星持续摄制的高清照片,更加让行星科学家们需要仔细观察到火星表面各种随时间变化的奇特地貌——四时之景有所不同,而乐亦无穷。  火星,以一种淋漓尽致明晰的面貌呈现出在人类眼前,甚至让科学和艺术都模糊不清了边界。HiRISE照相机摄制的火星高清细节。

© NASA/JPL/UArizona  HiRISE照相机在火星上找到的季节性斜坡纹线(RSL),堪称让人们猜测火星表面直到近期都还有小规模的含盐液态水季节性捕食。牛顿撞击坑中找到的季节性斜坡纹线,不过季节性斜坡纹线是否是液态水所致至今仍有争议。来源:NASA/JPL-Caltech/UArizona  生命确有  早在1976年,NASA的海盗号任务就致力于观测火星生命。

支撑着来自地球人对火星生命的迫切盼望,两艘着陆器都装载了生物实验装置,用作分析火星的气体样品和通过远程取样臂铲取火星的土壤样品。海盗1号和2号着陆器用作观测火星生命的远程取样臂和生物实验装置。

改编自:NASA  令人沮丧的是,尽管部分观测结果显示出有一些疑为生命产物的痕迹,但都没被科学界普遍说法——海盗号没获得火星否不存在(过)生命的具体证据。  将近三十年,NASA的奇怪号火星车接过了火炬。2012年8月,奇怪号顺利降落于火星赤道一带的盖尔撞击坑中,目标探寻远古火星有可能的水和生命痕迹。  它是当时人类最便宜、最先进设备、也最轻的火星车,光是重达900公斤这一项,竟然NASA被迫首次落成空中吊车这种降落火星的“白科技”。

自此,后坐火箭、气囊和空中吊车沦为火星降落三大法宝。来源:NASA/JPL  它不仅可以通过照片等遥测方式远程观测火星表面的形貌成分,还能在火星上钻孔,必要取样分析火星样本的成分。2019年2月3日(第2309个火星日),奇怪号摄制的火星表面。来源:NASA/JPL-Caltech/MSSS/PIA23139奇怪号的“激光笔”,化学照相机ChemCam工作示意图。

来源:NASA/JPL-Caltech奇怪号钻孔,直径约1.6厘米,下面那个深6.4厘米。来源:NASA/JPL-Caltech  尽管自拍狂魔·钻孔小能手·激光笔约人·行驶的化学实验室·火星地质学家·奇怪号至今仍并未找到火星生命的实锤,但它早已在火星上找到了更加多非常丰富的简单有机物和曾多次适合生命生息的环境——这仍然给了我们无限期望。2018年,奇怪号在火星样品的热分解产物中找到有多种噻吩(C4H4S)类和其他芳香族、脂肪族简单有机物。

来源:NASA/JPL-Caltech/MSSS  看著于外  2013和2016年升空窗口,NASA的MAVEN任务和欧空局&俄宇航合作的痕量气体轨道器(TGO)陆续前往火星,它们的目标都是观测火星大气。来源:Lockheed Martin 和 ESA–D。 Ducros  不过,前者的重点在于探寻丧失磁场的火星是如何渐渐丧失大气层的;后者则想要更进一步理解火星大气中的甲烷等痕量气体,协助我们从另一个角度了解火星上的有机物甚至有可能的生命。

来源:NASA/GSFC来源:ESA/ATG medialab  洞察于内  早在1976年,两艘海盗号着陆器就装载了火震仪,期望借以观测火星的内部结构。但失望的是,两个火震仪均没能按计划工作。而这份失望,直到四十年多年后的洞察号才再一获得填补。

  2018年,NASA的洞察号着陆器赶赴火星。洞察号装载起火震仪和热流检测仪等仪器,目标是探寻火星的内部结构、热状态、角速度变化等地球物理性质,它再一出了火星上第一位地球物理学家。洞察号工作示意图。

来源:NASA/JPL-Caltech  尽管热流检测仪的加装遇上了一些艰难,但火震仪早已观测到数百次有所不同震级的火星震动。洞察号在接下来的时光里,还不会之后开朗地倾听火星的跳动,感觉火星的体温。  乘风破浪  车站在2020年这个时点远眺这颗红色星球,这有可能是人类有史以来火星探寻最巅峰和兴盛的时期。

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  尽管人类仍然急功近利地堆升空数量和频率,但质量优于、分工更加具体、也更加超长待机的探测器们让今天的火星沦为地球以外现役探测器最少的天体,妥妥的C位没之一。  火星奥德赛、火星勘测轨道飞行器(MRO)、火星快车、曼加里安号、MAVEN、痕量气体轨道器(TGO)、奇怪号、洞察号,这么多火星探测器至今仍在工作中,为我们带给源源不断的惊艳。

至今仍在火星上“乘风破浪”的6+2天地人组。来源:NASA、ESA、ISRO  在诸多观测数据的累积之下,如今的我们对火星的了解早就今非昔比。从火星的大气层、表面、到内部结构,从火星过去、进化、到现在——过去这六十年里人类火星观测所取得的新知,早就远超过去数千年来人类对火星了解的全部。火星全球地质图。

有所不同色块回应有所不同的地质单元。来源:USGS火星全球重力场产于。

就越白回应越高,就越绿回应就越较低。来源:MIT/UMBC-CRESST/GSFC  明日巅峰  这份巅峰和兴盛还相比之下没完结。  2020年7月,新的火星赛季再度打开。除了ExoMars二期任务阵前退赛之外,阿联酋的期望号月底7月20号首度抵达,中国的天问一号、NASA的毅力号和机智号都将应允启航。

早已在火星深耕良久的6+2天地人组又将步入新的伙伴重新加入。2020火星赛季的运动员们。来源:CNSA、ESA、NASA、MBRSC  在火星“寻水”的征途早已寻找了答案之后,人类或许又重燃了四十多年前年前对两艘海盗号的盼望:火星曾多次有过生命吗?火星现在还有生命么?  甚至很远的,人类何时能收集火星的样品带回地球研究?何时能在火星创建或短期或持久的火星基地?SpaceX火星基地假想图。

来源:SpaceX  也许这一天早已不远处了。  在这条人类前往火星的路上,有过急功近利,有过稳扎稳打,有过高歌猛进,有过黯然离场,有过意料之外的惊艳,也有过幻想幻灭的重生…从1960年到2020年,六十年,对一个人类的寿命来说早已充足漫长,但在历史长河中又是如此一段时间,不过弹指一手。

  也许千百年后,我们的后代回忆起这段“刀耕火种”的蛮荒探寻史时,不会犹如看著原始人拼死划着木桶想横越大西洋,但这份“幼稚战列舰”,却正如火星任务的名字们:勇气、机遇、奇怪、洞察、毅力、机智那样,印证着人类这个种族向着星辰大海会合时留给的自强和壮烈的足迹。  雄心勃勃、迎难而上、结实执著、不恐告终、总有一天探寻。  这,就是地球人。来源:电影《流浪地球》。

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