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人类对火星的热情,为何在今年爆发?

36氪的朋友们 · 2020-11-18
火星太空竞赛开始拉开帷幕。

编者按:本文来自微信公众号“明白知识”(ID:mingbaizhishi),作者:明白知识er,36氪经授权发布。

2020年,是航空航天领域的丰收年。

北京时间11月16日8点27分左右,SpaceX首次正式载人商业飞行(Crew-1)在肯尼迪航天中心发射升空。

这次发射搭载了四名宇航员,并实现了「全程逃逸」,也就是在飞船飞行的任何阶段都可以逃生。

SpaceX Crew-1的四名船员,从左到右分别是任务专员香农·沃克(Shannon Walker)、飞行员维克多·格罗弗(Victor Glover)、航天器指挥官迈克尔·霍普金斯(Michael S. Hopkins)和任务专员野口幸一(Soichi Noguchi)。此次飞行是马斯克龙飞船首次实现人工操作飞行

这是特斯拉公司CEO伊隆·马斯克(Elon Musk)创建的SpaceX公司自2020年5月30日首次载人航天任务后的又一项壮举。

发射火箭超乎想象,而商业公司在航空航天上领先国家机构更是让人惊叹。

对于马斯克来说,不论是载人航天、火箭回收还是全程逃逸,都只是开始,他的终极目标其实是「火星殖民」。

2020年,可以说是火星最「火」的一年,马斯克并不孤单。

2020年7月23日,中国的火星探测器「天问一号」随着长征五号遥四运载火箭从海南文昌航天发射场发生升空,并成功送入预定轨道。

「天问一号」得名于屈原的《天问》,让人不禁想起屈子「日月安属?列星安陈?」的追问。这次探测的目的是几乎一次性做完目前全部可做的火星探测项目,包括环绕、着陆、巡视三个主要步骤。

「天问一号」发射场景

图片来源:Wikipedia

中国探测火星的雄心,不言而喻。

但中国不是今年唯一一个对火星感兴趣的国家。

就在中国发射「天问一号」不久,美国NASA(美国国家航空航天局)发射了「毅力号」(Perseverance),携带七种科学仪器及23个摄像头前往火星耶泽洛撞击坑附近探测。

NASA官网中对「毅力号」数据的实时报道

图片来源:NASA

中国和美国,两个科技大国的探测器都将在2021年初抵达火星,开始探测。不出意外的话,两国的计划都将为人类对宇宙的探索添砖加瓦。

除了两个大国,还有一个意想不到的国家也在今年悄然开始对火星的探索,它就是阿拉伯联合酋长国。

早在2020年7月19日,阿联酋就发射了「希望号」(Hope probe)火星探测器。

阿联酋的探测器搭载了日本的H-IIA火箭,从日本鹿儿岛县种子岛宇宙中心成功发射。这次不起眼的搭载发射,对于阿联酋是一件大事:它是阿联酋历史上第一次太空探索,也是整个阿拉伯世界的第一次,意义非同小可。

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为什么这几个国家都争先恐后地在同一月份发射火星探测器?

2020年对火星研究有什么意义?

它们会成功吗?

还有,为什么是火星?

01 火星探测的「窗口期」

人类对地球以外其他星体的探索,目前主要是月球和火星。不过,探测火星的难度远远大于月球。

相比火星,月球距离地球足够近,只有40万公里左右,只是地球周长的10倍;而且月球围绕地球转动,平均27天多一点绕地球一圈。

而火星距离地球最远的时候有4亿公里,最近的时候也有5500多万公里,平均下来是月地距离的150倍。

更不用说火星和地球都绕太阳转,两者之间有复杂的位置关系和复杂的速度变化。火星和地球放在太空中,就像两颗飞奔的子弹,想从一颗子弹上发射一个探测器到另一颗子弹上,谈何容易。

因此,找准时间对于火星探测至关重要。

地球大约每365天围绕太阳公转一周,火星大约每687天围绕太阳公转一周。由于火星和地球的相对距离有近有远,平均每26个月,火星会接近地球一次,这段时间就被称为「窗口期」。

探测火星需要在「窗口期」内。

火星发射窗口期示意图。

图片来源:researchgate.net

2020年被称为火星年,正是因为有两年一遇的「窗口期」。

今年7月中旬到8月中旬,是2020年的「窗口季」。因此,在7月中下旬,三个国家相继发射了自己的探测器。

值得一提的是,2020年10月14日出现了「火星冲日」的天文现象。这一现象是指火星、地球和太阳所处的轨道位置形成了一条直线,火星和地球的距离也将最近,因此适合高效完成火星探测任务。

「火星冲日」的侧视图,虽然太阳、地球和火星在平面上是一条线,实际上有高低错落。

图片来源:NASA

因为需要考虑到地球与火星的距离以及地球和火星绕太阳公转的速度,最佳的发射时间是「火星冲日」之前两个月左右,这也解释了为什么必须在7月中旬到8月中旬之间发射探测器。

2020年是火星探测的重要年份,下一次就要等到2022年,这是各国关注火星的直接原因。

不过,人类对火星的兴趣并不是突然升温,而是由来已久。

02 对火星的「热情」

在太阳系中,火星是距离太阳第四近的一颗类地行星,表面积大小只有地球的1/4左右,约为木星表面积的1/600,是太阳行星中的小个子。

在欧美语境中,火星因在夜空中呈现暗红色而被称为「红色星球」。欧洲人以罗马神话中的战神玛尔斯(Mars,在希腊神话中称为阿瑞斯)命名它;

古代人们在观看天象的时候,由于火星离地球较近,是比较重要的参照。在中国古代文化传统中,火星属于「七曜」之一的「荧惑」;

在其他文化中,火星始终占有重要位置。

不过,在人类大多数时间中,这些兴趣只是依据火星的位置来发展玄学(欧洲称神秘学),建构一套神秘深奥的天象来解释人世间的旦夕祸福。

真正把火星当做研究对象、关注它作为一颗行星的存在意义的人,是开普勒、第谷和伽利略这些近代科学家。伽利略是第一批观测到火星的人;而惠更斯则是第一个算出火星自转周期的人。

不过,人类对火星真正的「狂热」要到了19世纪。

1877年,意大利天文学家乔凡尼·斯基亚帕雷利(Giovanni Virginio Schiaparelli)开始近乎「疯狂」地观测火星,并开始为火星上发现的区域命名。

斯基亚帕雷利画像,1900年,贝尔特拉(Achille Beltrame)绘制。

图片来源:Wikipedia

他把整个后半生的时间都花在了火星身上,并认为火星上存在生命。他制作了一系列火星地图,将那些观测到的阴影命名为「海」或「运河」,引起后人的无限遐想。

斯基亚帕雷利在1888年绘制的火星地图,其中标注了火星上他认为存在的海洋和河流。

图片来源:Wikipedia

斯基亚帕雷利之后,各种关于火星人、火星生物、火星历史的传说开始出现。

很多人开始痴迷于想象如何和火星人打交道,身边的人是否来自于火星,或者如何移民火星......

这种想象一直延续至今,马斯克的种种设想便是源于这种探索热情。

1963年风靡一时的电影《我的火星叔叔马丁》(My Favorite Martian)剧照。

图片来源:Wikipedia

1965年,处于冷战初期的美国发射了一颗水手4号探测器(Mariner 4),第一次掠过火星并发射探测数据。

之后的1971年,美国再次发射探测器,这一次是环绕火星。苏联也不甘落后,也在同一年发射了自己的探测器,直接完成火星着陆。

美苏科技上的竞争由此进入一个高潮,同时也让当时的人们对火星更加着迷。

1975年,美国再次扳回一局,不仅着陆火星,还给它拍了一系列照片。不过,这些照片打破了很多人对火星的想象,也打破了斯基亚帕雷利的「运河说」——火星并没有明显的河流。

美国1975年海盗号(Viking 1)拍摄的第一张火星彩色照片。

图片来源:Wikipedia

继美苏之后,第三个环绕火星的是印度。2013年,印度的曼加里安号(Mangalyaan,梵语中「火星飞船」的意思)发射,次年完成探测任务。

中国则是第四个加入火星探测队伍的国家。

2011年,中国「萤火一号」首次探索火星,当时搭乘俄罗斯火箭,结果由于无法变轨,在大气层焚毁,宣告失败。

如果2020年发射的三个火星探测器都能成功,探测火星成功的国家将增加为五个(不算欧洲空间局)。

前文提到,想要从地球上发射探测器到火星,难度极大。即使考虑到抓住「窗口期」,这仍是一件难事。

从1965年至今,美国、苏联、欧洲、印度、日本都发射过数次探测器,十有八九都遭遇了失败。这些国家无疑都倾注了巨大的人力、物力、财力,聚集了世界上最顶尖的科学家,却常常前功尽弃。

主要原因是由于探测火星的步骤太多,是多个难点的叠加。地球、火星和探测器三者都是在运动中的,三者的位置时时刻刻在变化,这就需要极强的数学运算,保证轨道不会偏离,这还只是发射过程中的难点。从发射到环绕,再到着陆并在火星上巡视,每一步都有重重难点。

这么难的一件事,却争先恐后地去做,必须具有极大的好处。

可是,火星能给人类带来什么好处呢?它真的那么值得探索吗?

03 火星探测的「好处」

火星现在虽被证明没有外星生物,也没有水和大气层,却仍有很多价值,甚至可以作为地球的「备胎」和「跳板」。

首先,火星的直径大约是地球的一半左右,公转周期为1.88地球年(大约687地球日)。一个火星日大约为25小时,和地球日相似。与此同时,火星目前拥有和地球相近的自转轴倾角,为25.19°。

从理论上来说,火星也应该拥有「四季」,但由于大气层稀薄,一切都变成了一片「红沙」。

其次,火星在太阳系的中间靠前位置,向阳面有充足的光照,这使得向阳面温度适宜,不会出现极端温度。

根据美国的「海盗号」红外探测器探测出的数据,火星白天的地表温度一般在28℃左右,和地球春秋季温度相仿。

可以说,火星是目前太阳系类地行星中最像地球的。

但是,因为火星受到过剧烈撞击,火星的内部热能溢出,这让火星的转动速度变慢,磁场变得虚弱,无法保存星球的大气层,使火星大气层稀薄,不能像毛毯一样,把白天的温度留在星球表面。所以,火星表面温度会在夜晚骤降至-132℃,在冬季的时候甚至会达到恐怖的-142℃。

目前,火星的确是最适合人类移民的星球,一旦地球变得无法居住,火星势必是首当其冲的「备胎」。但前提是必须了解它和改造它。

如果人类可以改善火星的居住条件,就可以进一步探究移居火星的方法和改造其他类地行星的方式了。

近期对火星的研究表明,火星很可能曾经有过水。2015年,美国分析了2011年发射的「好奇号」(Curiosity)探测数据。科学家发现,火星的土壤中含有丰富的水分,这使得火星话题再一次「火」起来。

同一年,美国上映了电影《火星救援》(The Martian),片中主人公在火星生活了一段时间,甚至还在火星种植了土豆。

电影《火星救援》中男主人公在温室中培育土豆

图片来源:douban

2001年,马斯克开始构想「火星绿洲计划」(Mars Oasis),试图在火星上建造一个不大的温室,模拟地球。

在访谈中,马斯克也经常谈到他的「火星计划」,他声称要在2040年之前在火星建造一个拥有8万人口的殖民地,一时引以为笑谈。

但马斯克没有只停留在口头上。

2020年5月30日,马斯克的「龙飞船2号」载人飞船成功发射,轰动全球。这是航空航天历史上首次由商业机构执行的载人航天任务,而11月16日的载人飞船则是首次有人操作的商业飞行。

马斯克龙飞船的独特性不仅在于其商业性,更在于对以往技术的超越,这使人们开始相信马斯克计划的可能性。

在马斯克的CRS-8任务中,猎鹰9号运载火箭第一级首次成功降落在海上无人驾驶着陆船上,回收火箭的实现,使得发射火箭的成本大大降低,使得马斯克设想的未来在星球之间建设「客运」具有了可能性。

图片来源:Wikipedia

人类对火星的执迷,从科技探索上来说是值得的。

我们生存的地球并不像想象的那么安全,地球不仅在未来可能面临气候变化、资源枯竭、环境污染、臭氧层破坏、大地震、超级火山喷发等灾难,还可能因小行星撞击、磁极翻转和太阳风暴等外在影响而直接遭受灭顶之灾。

在这种情况下,火星作为另一个可能的生存空间就显得尤为必要。

而对火星的探索,也将影响人类对宇宙的进一步了解,将火星作为一个「跳板」,人类才可能走向宇宙的更深处。

另一个方面,大国对火星的研究也是对自身国力的彰显。这也是为什么印度要赶在中国之前飞越火星,以及中国要尽量一次性完成所有可能探测任务的原因。

大国的急切心情在于显示自己的力量,并赢得更大的国际空间和更高的国际地位。对火星的探索,也是一项政治任务。

除此之外,探测火星还可能带来意外之喜。

不管是政治上的比拼,科学上的探索,还是经济的利益,对宇宙的探索看似与生活无关,却在各方面深刻影响着我们的生活。美苏冷战期间,由于军事和科技上的比拼,意外为人类带来了一次技术革命。

由于航空航天所需要高精尖的技术,当这些技术被实现后,一部分会转为民用技术,使得全人类获益。

我们现在常常使用的物件,小到微波炉、真空包装、纸尿裤、圆珠笔,大到通讯设备、计算机、定位系统,都与冷战时的太空探索息息相关。

因此,在这个意义上,火星探索也是另一种造福人类的方式。

对茫茫宇宙,从屈原式的追问,到今天的行动,都在定义着人类的好奇心、勇气与智慧。

2020年,是探索宇宙的关键一年,却也只是漫漫征途中的一个片段。

参考资料

China’s first mission to Mars. Nature, 2020.

Mars 2020 ready for launch, Space news, 2020.

Watch Live: NASA Is About to Launch Its Mars 2020 Mission, Science alert, 2020.

NASA launches new rover, Perseverance, to look for ancient life on Red Planet, NBC news, 2020.

NASA Launches Perseverance Rover, Capping Summer of Missions to Mars, The New York Times, 2020.

China’s Mars Mission, Tianwen-1, Begins Its Monthslong Journey, The New York Times, 2020.

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