荧惑探寻四千年

编者按

    火星，这颗夜空中飘忽不定的火红色行星，自古以来就牵动着人们的好奇心。进入空间探索时代，人类向火星发射了多枚探测器，有些失败了，也有些获得了宝贵的经验和知识。2019年11月，中国行星探测任务首次公开亮相，命名为“天问系列”，并宣布中国首次火星探测任务“天问一号”计划于2020年7月至8月间择机实施。同时，国际上也有多颗火星探测器计划将于这个窗口期择机发射。

从古至今的探寻

    火星，由于其火红的颜色以及不断变化的亮度和位置，中国古代将其称之为“荧惑”，一度被视为战星、凶星，素有“莹莹之火，离离乱惑”之意，甚至“荧惑守心”（火星在心宿中发生运行方向的变易）在古代常被视为大凶的天象。

    西方也将火星的颜色同鲜血和战斗联系起来，无论是古希腊的称呼Ares（音：阿瑞斯，为希腊神话中天神宙斯之子战神的名字），还是古罗马的Mars（音：马尔斯，源于罗马神话战神之名，火星的这一名称沿用至今）。

    然而现代天文观测告诉我们，火星的橘红色不过是来源于其表面广泛分布的氧化铁，比起“凶星”，火星其实更符合“锈星”的称呼。

    最早的火星观测记录可以追溯到公元前2000年左右的古埃及时期，而中国在公元前1300年左右的甲骨文中就有关于行星和彗星的记载。最初人们在天空中只是看到这颗橘红色圆球，而现代天文观测告诉我们，在太阳系的行星中，火星是其中的第四颗，质量和体积排行老二，仅比水星大一些，却是轨道同地球轨道最近的行星。

    从古至今，天文学家始终对这颗红色行星倍加关注，一方面，是由于其鲜艳的色彩，另一方面，是因为火星同地球一样，位于太阳系的宜居带内。

    然而宜居带内的行星却并不一定能够孕育生命——火星地表布满沙丘和砾石，没有稳定的液态水，虽然也存在四季变化，但是沙尘暴却极其频繁和猛烈。火星并非完全干旱，它的南北极都有以水冰为主要成分的极冠，水冰上方覆盖的干冰（固体二氧化碳）盖甚至会随火星上的季节变化消长。

    由于轨道比地球轨道靠外，火星能够接收到的太阳辐射平均只有地球的一半，不过好在火星大气中充满二氧化碳等温室气体，使得其表面平均温度在零下55摄氏度左右。火星的大气层十分稀薄，大气密度只有地球的大约1%，这是因为火星的重量只有地球的大约十分之一，体积也不过是地球的15%，自身的引力很难束缚住原有的大气层。同时，火星没有像地球一样的全球磁场保护，因此，在漫长的演化过程中，火星大气大多被太阳风吹散到宇宙空间中去了。

    缺乏磁场和大气使得火星表面暴露在高能宇宙辐射环境当中，同时因为轨道靠近小行星带，火星遭遇小行星撞击的概率也比地球要大得多，加上水和氮的缺乏，火星实在是很难孕育高等生命。不过，科学家认为，或许在地下的液态水湖中，仍旧存在一些简单的生命体或者复杂有机物。这些，都要依靠后续的火星探测任务才能告诉我们答案。

    4000年来，从地面到宇宙空间，人类对于这颗迷人的红色行星的探索从未止步。

大气层内的火星探索

    1610年伽利略第一次用望远镜观测了火星，这一举动也开创了火星探测的新纪元，虽然伽利略本人受到望远镜能力的限制，只是在目镜中看到一颗稍大些的橘红色星球。惠更斯在1655年11月留下了第一份火星表面手绘图，他甚至计算出了火星的自转周期略大于24小时——这一结论在10年后被卡西尼确认。卡西尼还通过观测火星掩星现象，即火星从其他恒星前方掠过的情况，得到了火星存在大气层的结论。

    奥雷诺·弗洛热尔格在1809年发现了火星表面的“黄色云”，这是人类第一次观测到火星上的沙尘暴，他在1813年观测到了火星春季期间极地冰冠明显缩小的现象，因此错误地推测火星的气候比地球温暖——显然那个时候的天文学家还没有意识到，火星两极冰冠的主要成分其实是干冰。

    19世纪30年代，火星被描绘为同地球十分相似的行星，自转周期几乎相同，公转会带来四季，同时还具有大气层和两极冰盖（那时还被认为全部都是水冰），所有的这些线索都指向一个结论——火星上肯定具有某种形式的生命。以至于后来的诸多观测结果都会被人们不自觉地向“火星人”这一事实去靠拢。

    工作于米兰布雷拉天文台的意大利天文学家斯基帕雷利重新绘制出版了一份更加详细的火星地图，他在火星上明亮的区域中发现了一些细长的线条，斯基帕雷利认为它们应该是自然形成的“渠道”，而地外生命的狂热信徒法国天文学家弗拉马利翁则推测，这些线条可能是高等生命建造的全球灌溉系统的运河。

    在很长一段时间内，火星上的暗区都被认为是海洋或者植被，但是1892年天文学家威廉·亨利却在这些暗区中发现了一条微弱的线条，这意味着这些暗区显然不是海洋。

    天文学家们对火星上的“运河”和“海洋”的存在争论了很长之间，直到1909年火星大冲（火星和地球、太阳位于同一直线时成为“冲”，如果火星恰好在近日点附近则称为“大冲”，此时火星的亮度会显著增加），天文学家坎贝尔通过光谱分析证明了火星大气是干枯的。同年，安东尼亚迪利用巴黎的83厘米口径望远镜发现，之前观测到的连续的“运河”其实是由大量的节点、暗条纹和斑点组成。对于大部分天文学家而言，1909年标志着火星存在智慧生命这一假设的结束，但实际上，暗区是植被的说法直到人类进入太空时代之前都没有受到怀疑。

    对于火星的卫星，天文学家也早已预见到其存在。开普勒曾成功预测出火星具有两颗卫星——虽然是通过错误的数据和逻辑得出的结论。他认为既然木星具有4颗卫星（在当时只观测到4颗，这一数字如今已经变成了79颗），地球具有一颗月球，那么轨道处于两者之间的火星就应当具有两颗卫星。

    虽然这一计算方法在今天看来十分滑稽，但是却巧合得到了正确的结论。直到1877年火星大冲，美国海军天文台的霍尔才先后观测到两颗火卫，并将它们命名为德莫斯和福布斯。

太空时代的火星探索

    1957年10月4日，苏联的第一颗人造卫星“斯普特尼克1号”发射升空，标志着人类太空时代的来临。自打进入太空时代，火星便成了航天探测器的主要目标之一。

    虽然火星轨道同地球是如此相近，但却算不上是一个容易达到的地方。由于火星和地球公转轨道周期不同，平均每26个月才能迎来一次交汇，届时将有为时几周的窗口期可以供探测器切入火星轨道。截至2020年6月，世界各国总共进行了57次直接或间接火星空间探测任务，其中只有31次成功或者部分成功。

    在1960年到1975年间，美苏两国掀起了第一轮火星探测热潮，苏联在这期间连续发射了16颗火星探测卫星，然而除了“火星-X”系列的7颗卫星，其他全部发射失败。而成功的卫星中，“火星2号”在轨航天器在八个多月的时间内持续传回了大量观测数据，“火星3号”则在1971年12月2日首次实现了火星表面的软着陆，遗憾的是密封舱着陆仅传回20秒的数据后就失去了联系。

    美国的火星探测虽然起步晚于苏联，但却更早取得了成功。1964年至1970年美国发射了“水手”系列人造卫星，其中“水手4号”是第一个成功飞越火星的探测器，而“水手9号”则在1971年11月13日进入火星环绕轨道，成为火星的第一颗人造卫星。美国在1976年实现了“海盗”系列探测器在火星表面软着陆，其中“海盗1号”一直工作到1985年寿命结束，而“海盗2号”也工作至1980年。

    苏联的火星任务失败率奇高不是没有原因的。人类开展空间探索初期，火箭的运输能力、入轨精度以及零部件的可靠性都很难满足需求，而其时美苏两个超级大国处于冷战时期的空间竞赛，苏联的火星任务仓促上马，准备不足，才导致前10次任务尽数失败，其中7次都没能完成发射阶段的任务。甚至直到20世纪70年代之后，由于运载火箭事故导致的任务失败仍旧层出不穷。

    苏联直到1988年7月才恢复了火星探测任务，但均未获得成功。2011年，俄罗斯发射“福布斯-土壤”探测器时同步搭载了中国的首个火星探测器“萤火1号”，然而发射后因为无法变轨进入地火转移轨道而宣告任务失败。

    在“海盗”任务之后，美国也迎来了火星探测的低谷，直至20世纪90年代才重启火星探索的征程，并在1992年9月25日发射了“火星观察者”，然而这枚探测器在即将进入火星轨道时与地球失联了。经过了四年的技术改进，美国又在1996年11月6日和12月4日相继发射了“火星全球勘探者”和“火星探路者”两枚探测器，其中“火星探路者”再次成功着陆火星表面。美国在之后的十余年间陆续发射了14枚探测器，其中“火星探测轨道器”，“好奇号”火星漫游车等探测器仍旧工作于火星轨道或者火星表面。

    虽然比美苏两国慢了几拍，但其他国家在火星探索上也很快迎头追上。欧洲空间局在2003年6月发射的“火星快车”顺利进入火星轨道，并继续工作至今天。不过其携带的“猎犬兔2号”着陆器却没能成功登陆火星。2016年3月欧空局和俄罗斯联合发射的“外火星气体追踪轨道器”至今仍停留在工作岗位上。

    日本在1998年曾发射过一枚轨道探测器“希望”，但是却在到达火星轨道前耗尽了燃料宣告失败。而印度在2013年11月成功发射了首个火星探测器“曼加利安号”，并于2014年9月成功进入火星环绕轨道。

    中国在2016年1月11日正式立项了中国行星探测任务，探测器被命名为“天问”系列。“天问一号”火星探测器将携带火星车“赤兔号”，一步实现火星轨道器环绕探测、火星软着陆和火星车巡视任务，预计将于2020年7月发射升空。

    “天问1号”预计将在7月至8月之间择机搭载于长征5号系列火箭发射升空，然后进入火星轨道，如果一切顺利，“天问一号”携带的“赤兔号”将在明年4月23日前后在火星乌托邦平原（暂定）着陆，逐步开展科研任务。

    在2020年的火星登录窗口期期间，原本美国航空航天局、阿联酋空间站、欧空局和俄罗斯航天局都有火星探测器发射任务，然而受到新冠肺炎疫情影响，欧空局和俄航局的合作项目已经推迟至2022年8月之后。

    过去的4000年来，我们对火星的了解，从一颗橘红色的亮点，到一枚可以被开发利用的宜居带行星，火星也从最初的遥不可及，到几乎遍布人类的探测器，甚至火星探测的任务次数已经超过了同期的月球探测项目。作为人类走出地球系统的第一站，火星势必将会成为人类深空探索的最重要目标之一，相信在不远的将来我们就能登上火星的土地，建立第一个人类太空居留地，将火星逐渐开发成为第二颗地球。

    （作者：刘孜铭，系中国科学院国家天文台硕士；黄京一，系中国科学院国家天文台工程师）