2021年5月15日我國發(fā)射的“天問一號”探測器的著陸巡視器成功著陸于火星烏托邦平原南部預選著陸區(qū)，實現(xiàn)了我國首次地外行星著陸?；鹦亲鳛榈厍虻慕彛涮綔y的科學價值十分突出。研究顯示，火星歷史上曾存在大量液態(tài)水，甚至可能是汪洋大海，但現(xiàn)在為何變成了一顆荒蕪的“沙漠星球”？人類未來能否移居火星？

火星——地球的孿生兄弟

火星是在太陽系內側的第四顆行星，和地球是一對“孿生兄弟”。藍色的地球生機盎然，紅色的火星滿目荒涼，沒有任何生命的跡象。在體積上，火星只是地球的六分之一，質量是地球的十分之一，重力大約是地球的三分之一。火星成分主要是以二氧化碳為主，占到96%，基本上沒有氧氣，和地球差別很大?；鹦呛偷厍蛞泊嬖谥芏嘞嗨浦帲际撬募痉置?，每一天的長度差不多，也存在著稀薄的大氣。

一眼望去，火星是一個荒蕪、蒼涼、干涸的紅色星球。我們中國人自古以來就對火星充滿了憧憬和幻想。中國古人認為它熒熒像火，飄忽不定，令人迷惑，有“熒熒火光，離離亂惑”之意，稱它為“熒惑”。

為什么火星看上去是紅色的？這是因為火星上存在大量的赤鐵礦，使得火星顯示出紅色。火星上的赤鐵礦又來自哪里呢？火星上鐵的含量很高，這些含鐵的礦物在火星氧化的環(huán)境下，經(jīng)過30多億年非常漫長的過程，形成大量的赤鐵礦。

火星表面有很多奇特的景觀，太陽系最高的山峰——奧林匹斯山就位于火星，它的高度為21公里，寬度可達600公里，是一個巨大火山形成的高山。為什么在地球上沒有出現(xiàn)這么高的山呢？因為地球上有板塊構造，陸地板塊都在活動，一些陸地會消失到大陸下面，這些運動就使得地球的火山不可能在長時間里面形成一個連續(xù)的噴發(fā)，而火星基本上是一個死寂的、沒有板塊構造運動的星球。這是地球和火星非常大的區(qū)別?；鹦巧线€有太陽系最大的峽谷，長度超過4000公里，寬度可達200公里以上，最深處有七八公里，目前還沒有搞清楚它的成因。

實際上，火星也被認為是和地球最相似的一顆行星。通過對比我國柴達木盆地和火星的地形地貌的研究，我們可以發(fā)現(xiàn)在相同的地質作用下形成的相同地貌特征。基于此，我們可以通過地球來分析火星上這些地形地貌的成因。反過來，我們也可以通過火星上的一些現(xiàn)象來認識和保護地球。

“天問一號”

有人說火星的現(xiàn)在，有可能是我們地球的明天，這會不會成為現(xiàn)實，還需要科學來回答。人類在20世紀60年代就開啟了探測火星之旅，在進入21世紀以后，人類對于火星又掀起了探測的高潮，探測的主要目標是火星上有沒有水，有沒有生命，它的環(huán)境是否宜居。在2020年，我國的“天問一號”也奔赴火星，踏上“探火之旅”。

“天問一號”探測器由兩部分構成，下面是環(huán)繞器，主要完成“奔火飛行”、環(huán)繞探測和中繼通信任務，上面是著陸巡視器，主要完成著陸任務，它里面搭載了我國第一輛火星車“祝融號”，可以在火星表面展開巡視探測。祝融在中國傳統(tǒng)文化中被尊為火神，寓意著點燃中國星際探測的火種，指引我們對浩瀚星空和宇宙未知接續(xù)探索，不斷超越。

作為我國首次火星探測任務，發(fā)射“天問一號”的科學目標是對火星的表面形貌、土壤特性、物質成分、水冰、大氣、電離層、磁場等進行探測。“祝融號”著陸火星的過程很成功。在進入火星后，“祝融號”先后經(jīng)歷氣動減速、傘降減速和動力減速，最后通過一個懸停避障，軟著陸在火星的表面。這個過程是極具挑戰(zhàn)性的，這時的探測器已經(jīng)距離地球有3億多公里之遠，所有的過程都要通過預先設置的自主控制程序完成。

“祝融號”的車速可達每小時200米，爬坡角度可以達到30度。它在行駛火星表面時特意留下了不少“中”字形的車轍，代表著中國印記。“祝融號”降落地在火星北部的烏托邦平原，它是火星表面一個巨大的撞擊坑，“祝融號”對這個地區(qū)的地質地貌、物質成分、環(huán)境、地下結構以及氣象狀況等進行了探測。

“祝融號”采取邊走邊探的探測方式，它搭載了很多探測工具，比如多光譜相機、地形相機、次表層的雷達、磁場探測儀和氣象測量儀。光譜分析就像給火星上的巖石做一次全面體檢。而“祝融號”上的多光譜相機，能針對某一個目標拍攝8張圖片，我們根據(jù)每張圖片不同的光譜波段，可以判斷火星表面物質的成分，研究火星地質演化和氣候環(huán)境變化過程，尋找可能存在的水資源等?；鹦潜砻娉煞痔綔y儀，則像一個微型的自動實驗室，它首先發(fā)射一束高能激光打在巖石上，局部的高溫足以把巖石從固體變成氣體，并在冷卻過程中產(chǎn)生等離子體，通過光譜分析，科學家們就能確定巖石的化學成分。這有助于我們揭示火星過去的水文環(huán)境、火山活動，以及生命存在的線索。科學家們還特地為“天問一號”量身打造了一套“超級天線”，用于將收集到的數(shù)據(jù)傳回數(shù)億公里之遠的地球。

截至2023年1月，“祝融號”已行駛1900多米，獲得了大量寶貴的第一手科學探測數(shù)據(jù)，包括地形、地貌、物質成分、雷達地球物理信息，以及磁場信息等等，這為我國開展火星科學探測積累了寶貴的科學數(shù)據(jù)。

火星水痕

19世紀末，意大利天文學家斯基帕雷利在通過望遠鏡觀測火星時，發(fā)現(xiàn)它表面存在著一系列縱橫交錯的直線狀網(wǎng)絡，他由此繪制了一幅火星地圖，上面記錄了整整40條河道，當他的觀測報告被翻譯成英文時，河道被翻譯成了一個帶有強烈人工色彩的詞——運河。于是，有人懷疑火星上也有像我們一樣的智慧生命，他們建造了縱橫交錯的運河系統(tǒng)。直到航天時代到來，火星上的真實影像和探測數(shù)據(jù)不斷傳回地球，人們對火星運河的認識才發(fā)生了顛覆性變化。1965年，美國的“水手4號”成為人類第一個飛越火星的探測器，它傳回了第一張火星表面的照片。這張遍布隕石坑、毫無生機、一片死寂的照片，震驚了科學界。后續(xù)的探測任務發(fā)現(xiàn)了更多證據(jù)，徹底打消了人們關于火星有“運河”的猜測?；鹦巧想m然沒有“運河”，但有很多流水的痕跡，像沖溝、跟水流有關的河道、三角洲、沖積扇等等。除此之外，火星表面也分布著大量與水作用相關的一些礦物，比如藍色的層狀硅酸鹽、粉色的二氧化硅和黃色的氯化物，還有綠色的碳酸鹽和硫酸鹽，這些礦物都是在有水活動的情況下形成的。

現(xiàn)今火星上究竟有沒有水？美國的火星勘測軌道器——MRO通過拍攝同一個地區(qū)不同季節(jié)的圖像發(fā)現(xiàn)，溫暖季節(jié)時就會出現(xiàn)一些流痕，寒冷季節(jié)時流痕就會消失，說明在這些地區(qū)有過液態(tài)水的流動，也許是水，也許是別的液體的流動。

美國的“鳳凰號”在著陸火星北半球高緯度地區(qū)過程中發(fā)現(xiàn)，著陸區(qū)的下方有冰的圖像，在著陸區(qū)的支架上還看到了液珠的出現(xiàn)?；鹦巧系臍鉁厥菢O低的，平均氣溫在零下60多度，還能出現(xiàn)液態(tài)，這是能夠出現(xiàn)的嗎？科學家發(fā)現(xiàn)在高氯酸鹽濃度達到30%以上時，在零下70度也可以形成液珠，所以在這些地區(qū)可能存在著高鹽的一些鹵水。

“祝融號”在著陸的地方也取得了一系列的重要發(fā)現(xiàn)。“祝融號”在巡視時，在沙丘表面上看到一些水活動的痕跡，包括看到一些結殼、裂縫、龜裂、團?；?、一些帶狀水活動的痕跡，就像有液態(tài)水的局部活動之后又消失的一些產(chǎn)物。經(jīng)過分析，這是一些與水活動相關的鹽類礦物和一些蛋白石，就是二氧化硅和鐵氧化物膠結形成的沙粒，在鹽的作用下結殼，最后形成的地貌。

同時，“祝融號”上的短波紅外光譜也發(fā)現(xiàn)了海水礦物的存在。比如一些蒸發(fā)鹽、粘土礦物和硫酸鹽，這都是在有水的條件下才能形成的，這些結殼形成的過程，就是地下水蒸騰、凝結形成一些薄殼，最后剝蝕出露在地表。這都表明“祝融號”的著陸區(qū)在近期有過液態(tài)水活動的痕跡。

火星地下有沒有水？“祝融號”通過它所攜帶的次表層探測雷達，在地下的結構圖像中發(fā)現(xiàn)，地下70米范圍之內，出現(xiàn)過粒序的變化，意味著這些地區(qū)曾經(jīng)有過古代的洪水。地下有沒有水冰層的存在？有理論預測，在火星北部30度左右的地方，可能存在一些地下的水冰。但在“祝融號”著陸區(qū)我們沒有看到，雷達的信號也沒有看到非常明顯的水冰層的存在。是不是還有一些鹵水或者鹽冰充填在顆粒中呢？這種可能性是存在的。

雖然我們在烏托邦平原沒有看到地下水冰，但火星的極地是存在水冰的，因為在火星的南極、北極都存在著永久性的極冠，它主要是二氧化碳冰和一部分的水冰，呈螺旋狀結構，這就說明存在一些消融和生長的過程，特別是在冬天它的厚度會增加，到夏天它的厚度會減小，因此極冠地區(qū)的一些層狀結構也是我們研究火星古氣候、古環(huán)境非常重要的對象。

美國“毅力號”著陸的耶澤羅盆地，也曾看到過一個巨大的三角洲，這里曾經(jīng)是一個巨大的湖泊。既然火星早期有大量廣泛分布的液態(tài)水的活動，那這些水都到哪里去了，是什么原因讓這些水消失的。

根據(jù)科學家的研究，它的去處現(xiàn)在有兩種說法：第一個就是這些液態(tài)水通過和礦物、巖石的作用進入了火星地下；第二個就是火星的液態(tài)水逃向了茫茫的太空，因為火星上沒有磁場的保護。

神秘的火星磁場

火星磁場的形成和消失，是一個極其復雜的科學問題。科學家們認為，火星在最初形成的5到10億年時間，其內核處會產(chǎn)生強磁場，然后就像地球磁場一樣，磁極按照一定周期交替輪換。但火星內核冷卻下來之后，它的“磁發(fā)動機”就慢慢停止運作了，目前只剩下局部地區(qū)還保留著微弱的磁場。失去磁場后，太陽風中的高能帶電粒子長驅直入，導致火星環(huán)境全面惡化，大氣減少，水資源流失，宇宙輻射增強，從而變成了如今荒蕪的模樣。

幸運的是，我們的地球磁場有持續(xù)到現(xiàn)在的地球的、生命的演化過程，這些都是在地球磁場的保護之下進行的。

火星生命遺跡

尋找地外生命一直是人類探索深空的目標。火星表面干涸的水系、湖泊和海洋地貌告訴我們，火星存在過液態(tài)水，可能也曾是一顆藍色的星球，或許也孕育出過豐富多彩的生命。盡管今天的火星已經(jīng)變成了一副荒蕪蒼涼的模樣，沙塵暴頻發(fā)、平均溫度低至零下60攝氏度左右，大氣中大約96%都是二氧化碳，但我們能否在這茫?；脑?，找到生命的遺跡呢？

20世紀70年代，美國發(fā)射的“海盜一號”“海盜二號”兩顆探測器的任務之一便是探測火星有沒有生命活動，經(jīng)過探測和實驗，沒有發(fā)現(xiàn)支持生命存在的明確證據(jù)。

還有一些證據(jù)，主要是通過探測器到達火星、逼近火星、踏上火星進行原位探測時發(fā)現(xiàn)的。美國“好奇號”曾在蓋爾盆地探測到在古老的巖石里有細粒的富含有機質的泥巖，還發(fā)現(xiàn)一些噻吩類的、芳香族的有機質分子。但是有機物可能來自生命，也可能來自一些有機物的化學合成過程，而不是直接生物的一些產(chǎn)物。“好奇號”也發(fā)現(xiàn)了甲烷的季節(jié)性波動，但說到甲烷活動，其實現(xiàn)在非生物過程也完全可以形成，所以這有待做進一步研究。

火星上究竟有沒有生命，一直都是懸而未決的問題。可見，未來在火星探測方面的競爭制高點或者一個熱點，就是火星的采樣返回。采集火壤并帶回難度很大、很復雜，我國計劃在2030年前后分兩次發(fā)射，通過兩個探測器組合互相配合，實現(xiàn)火星采樣返回。目前，我國工程技術人員正在針對一系列關鍵技術進行先期攻關，對樣品的科學分析將來可能會極大地拓展人類對火星現(xiàn)有的認知。

【作者簡介】

潘永信，中國科學院院士，中國科學院地質與地球物理研究所研究員，“天問一號”首次火星探測任務首席科學家。他長期從事地球和行星物理前沿研究，帶領團隊利用“天問一號”獲得的第一手科學數(shù)據(jù)，在火星地形地貌、地下結構、物質成分、磁場等領域取得了一批高水平的科研成果，提升了我國在火星科學研究領域的國際影響力。