天問一號都發回自拍了,你啥時候上火星?

  來源:科普中國-未來耀科學  

  近日,天問一號探測器發回了在火星著陸區的第一張高清「自拍」,火星表面看來一片荒涼。那麼,是什麼吸引我們去探索這些荒涼星球?

天問一號傳回的火星著陸區域高清圖。左圖為著陸前,右圖為著陸后,可以看到天問一號的著陸平台和「祝融號」火星車。|國家航天局天問一號傳回的火星著陸區域高清圖。左圖為著陸前,右圖為著陸后,可以看到天問一號的著陸平台和「祝融號」火星車。|國家航天局

  月球是地球唯一的天然衛星,是人類登陸過的第一個地外星球。紅色的火星,位於太陽系的宜居帶,與地球很像,前後也有數十個航天器探索過。

  我們為什麼要探測月球和火星?50多年前美國登月是真的嗎?今天人類的探月和探火計劃進展到了哪一步?以目前的證據,火星上有生命么?我們能改造火星讓它更宜居嗎?

  在4月27日的科普中國-未來耀科學「空間探索」特別直播中,國家空間科學中心的研究員劉勇、孔令高和周炳紅,為我們揭開了地球這兩位「近鄰」的神秘面紗。

   為什麼要探測荒涼月球?

  地球有大氣層和磁場,保護我們人類安全生活在上面,月球大氣則非常稀薄、接近真空,磁場更是不到地球的百分之一,非常微弱。這使得月球難以阻擋小天體撞擊,也不能屏蔽宇宙輻射,表面一片荒涼,並不適合人類生存。那麼,人類為何對探月如此神往呢?

  孔令高介紹,人類可以通過肉眼觀察到月亮陰晴圓缺的變化,這自然而然會激發人的好奇心,驅使我們去探索月球。

  另一個重要因素是,地球人口急劇增長,人類要想可持續發展,就需要將活動範圍向外擴展,所以就想去月球上看有沒有 可利用的資源。比如,氦-3是一種非常清潔高效的核聚變燃料,100噸的氦-3發電,可以供地球使用一年;月球由於沒有大氣層和磁場保護,太陽風可以直接打到月球表面,使氦-3在月壤和礦石中富集,儲量目前估算有一百萬噸左右。

  周炳紅介紹,我們探測月球還有一個原因,那就是月球比地球小很多,表面的重力只有地球的1/6左右,從月面起飛比較容易。因此,月球可以作為人類未來 探索深空的中轉站。

月球雖然荒涼,卻蘊藏有豐富的資源,還可以作為探測深空的中轉站。|SETI.org月球雖然荒涼,卻蘊藏有豐富的資源,還可以作為探測深空的中轉站。|SETI.org

   人類探月進展到了哪一步?

  月球距離我們如此之近,但迄今為止,登上月球的只有12名美國宇航員,有人甚至對此表示懷疑。美國登月是真的嗎?人類探月如今進展到了哪一步?

  周炳紅認為,從系統工程的角度來看,美國登月是真是假,或許不是特別重要。更重要的是,美國當時為了登月,發展了龐大的月球探測計劃——阿波羅計劃,進行了繞月飛行等一系列試驗,就像今天我們的嫦娥工程一樣。另外,後來有證據表明,月球上有宇航員的腳印、排泄物,由於沒有地球上的風化作用,這些痕迹還在那兒。

  劉勇介紹,美國在登月之前其實做了大量的準備工作。比如,先驅者計劃為了探測月球,接連很多次都以失敗告終。一個計劃失敗這麼多次,花了這麼多錢,從大的層面來說,它應該是真的。在航天上人們經常講,失敗其實是差一點點成功,成功其實是差一點點就失敗,這個探索的過程很重要。

  1969年,人類第一次踏上月球。左圖為阿波羅11號宇航宇阿姆斯特朗拍攝的奧爾德林。右圖為阿波羅15號宇航員在使用月球車。

  月球是我們探索宇宙深空,走向星辰大海的前哨站,我們什麼時候才能建立月球基地呢?

  周炳紅介紹,探月工程分幾步,首先是掌握一些關鍵技術,例如採樣返回技術,確定要去哪兒去尋找資源、找水;現在目標也很明確,各個國家都聚焦在月球南極找水。第二步是建立月球科研站,驗證這些關鍵技術,為建設月球基地作準備。第三步就是建設月球基地了。所有大工程都會有一個從不成熟到成熟的過程,按照這個脈絡,我們大概需要十年時間完成前兩個步驟。

   為什麼要探測火星?

  在太陽系的行星中,金星距離地球更近,我們為什麼不去探索金星,而對火星情有獨鍾?

  孔令高介紹,人類探索火星,很重要的原因是, 火星和地球很像,自轉周期與地球接近,大概是24小時,也有白天黑夜,和四季交替。有說法認為,火星上可能存在生命,甚至地球上的生命可能來自火星。

  例如,有研究發現,地球產生生命的時期,環境其實非常惡劣,不斷有小行星撞擊,到處都是火山熔岩,溫度非常高,反而那個時候的火星,氣候溫暖濕潤,有大量江河湖泊,特別適合孕育生命。所以人們據此推測,有可能生命是在火星上誕生,然後有小天體撞擊火星,撞出的碎片攜帶著生命物質,經過漫長的旅途,把生命的種子帶到了地球。

火星表面遍布赤鐵礦,在夜空中呈現橙紅色。它和地球有著相近的自轉周期,和相似的四季交替。|Earth: NASA/Apollo 17 crew; Mars: ESA/MPS/UPD/LAM/IAA/RSSD/INTA/UPM/DASP/IDA火星表面遍布赤鐵礦,在夜空中呈現橙紅色。它和地球有著相近的自轉周期,和相似的四季交替。|Earth: NASA/Apollo 17 crew; Mars: ESA/MPS/UPD/LAM/IAA/RSSD/INTA/UPM/DASP/IDA

  至於為什麼不去探測金星,劉勇介紹,金星離地球更近,但金星表面有濃密的大氣,主要都是二氧化碳,這些溫室氣體使金星表面溫度高達400多度,再加上大氣壓,可以想象那就是一個高壓鍋。蘇聯曾向金星發射過一個探測器,著陸后不到一分鐘就掛了,可見金星環境非常惡劣。

金星表面有著極端的氣候環境。(藝術構想圖)|NASA金星表面有著極端的氣候環境。(藝術構想圖)|NASA

  周炳紅則從航天技術角度,比較了探測月球、火星和金星的難度差異。他介紹,從飛行難度上看, 去金星比火星和月球難得多,因為金星離太陽更近,去那兒需要的火箭速度增量其實要更高。相對而言,去火星和月球在火箭飛行方面難度其實差不多,只不過月球距離地球大約40萬公里,火星最近大約5500萬公里、最遠大概4億公里,去火星要飛行更長時間,比如天問一號用了大半年時間,飛行4.5億公里,才到達火星。

  但是, 在火星表面著陸和起飛要比月球上難很多。這是因為,月球比火星小很多,引力也小,因此在月球表面剎車很容易,在火星剎車更難;同樣地,要擺脫引力束縛,從火星上起飛也更難,需要的火箭更大,所以人類至今還沒有從火星上取一塊樣品回來。現在,美國和歐洲有一個計劃要從火星取樣,需要先發射一個火箭收集火星樣品,然後用另一個火箭把樣品送到火星軌道上,接著再用一個火箭把樣品從火星軌道返回地球,像接力一樣來完成。

   火星上有生命嗎?

  直到現在,並沒有明確證據表明,火星上有生命。可是,我們要探測到什麼,才算在火星上找到生命物質呢?

  孔令高認為,如果探測到 有機大分子,那肯定表明火星上存在生命,但是目前還沒有看到。另外,科學家觀測到火星上 甲烷濃度的變化,我們知道,很多生命活動都與甲烷息息相關,比如消化過程、生物腐爛、古菌活動,都會產生甲烷氣體,所以這也可能是生命存在的一個證據。

  周炳紅介紹,火星探測的主題正在逐漸演化,從最初的尋找生命,轉變到研究火星上的環境是否適宜生命存在,或者在歷史上是否曾經適宜生命存在,還有就是,有沒有可能改造火星讓它變得更宜居。

人們設想將紅色火星改造成藍色地球,使之成為未來人類的第二個家園。| Daein Ballard人們設想將紅色火星改造成藍色地球,使之成為未來人類的第二個家園。| Daein Ballard

  對於火星上的環境,我們目前知道,火星上確實有水,主要以水冰的形式存在,也有部分以液態形式存在,這些是滷水,也就是鹽分很高的水。關於火星上水的起源有兩種假說:一種認為,火星上本來就有水,是火星上的氫和氧通過化學反應產生的水;還有一種認為,是外來小天體撞擊帶來了水。

  從這個層面來說,火星因為有水,有大氣和磁場,不容易受到小行星撞擊和空間粒子輻射,相對於月球,在火星上建立科考站也有獨特優勢。

火星的南北兩極覆蓋有冰蓋,由乾冰和水冰混合而成。左圖為夏天的火星北極,右圖為火星南極。|NASA/JPL/MSSS火星的南北兩極覆蓋有冰蓋,由乾冰和水冰混合而成。左圖為夏天的火星北極,右圖為火星南極。|NASA/JPL/MSSS

   普通人何時能上天?

  星辰大海,心之所向。我們普通人什麼時候才能飛向太空,甚至來一趟月球旅行呢?

  周炳紅介紹,普通人要上天,目前主要有三大困擾。第一是人心理上可能感到孤獨。第二是人類是否可以適應 微重力環境,因為在太空中引力很弱,人會飄起來。現在看來這一點對健康人來說也不是很困難,之前霍金都坐過失重飛機,飛機進行拋物線飛行,關掉發動機後進入微重力狀態,持續幾分鐘時間。

  第三個涉及到 火箭技術。因為太空旅行往往需要多級火箭,多級火箭會有前箭耦合振動的問題,特別是發生低頻振動甚至幾赫茲的振動時,人體的內臟器官會跟著一起共振,這不僅對火箭是壞事,人坐在裏面也會感覺十分難受。之前楊利偉上天時就遇到過這個問題,但是有了那次的經驗,後來我們國家就很好地解決了這個問題。

   結語

  自從上世紀七十年代,阿波羅計劃之後,人類就再也沒有登上月球。但如今隨著航天技術、空間探測技術蓬勃發展,回到月球,或許並不遙遠。甚至在未來,月球和火星這兩顆瑰麗的星球上,可能會有人類的地外基地,支撐我們飛向宇宙更深處。

人類回到月球,或許並不遙遠。|therift人類回到月球,或許並不遙遠。|therift

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