苏萌解读“天问一号”：中国人为什么要探测火星？｜巡天报告
执行中国首次火星探测任务（行星探测工程“天问一号”任务）的“长征五号”遥四运载火箭，图源中国航天，摄影：崔岳豪 史啸
撰文 | 苏 萌
苏萌，本科毕业于北京大学物理系，2012年获哈佛大学天体物理学博士，2016年起任香港大学物理系副教授兼空间研究实验室执行主任。曾任麻省理工学院Pappalardo Fellow/Einstein Fellow，高能天体物理学最高奖Bruno Rossi Prize 最年轻得主，研究工作入选美国物理学会评选的“世界十大物理学进展”、《天文学》杂志评选的年度十大天文学进展等。主要研究方向有宇宙起源与早期演化，暗物质与暗能量探测，行星科学与深空探测，高能天体物理与引力波探测等。参与国内外多个空间科学探测项目，包括南极宇宙微波背景辐射望远镜，我国首颗空间天文卫星“暗物质粒子探测卫星”，在我国西藏阿里地区建设世界上海拔最高的天文望远镜，寻找宇宙大爆炸时期产生的“原初引力波”等。他同时积极开拓全球商业航天领域的“中国机会”，推动太空资源的开发与利用。
刚刚，“天问一号” 火星探测器在我国海南文昌发射场发射升空。这是中国首次行星探测任务。“天问一号” 由轨道器、着陆器、巡视器三个部分组成，总质量约5吨。本次探测任务将一次性完成 “绕、落、巡” 三大任务，这也标志着我国行星探测的大幕正式拉开。
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各种科幻电影里，经常出现人类把火星当作移民太空的目的地，最近也有不少火星题材的科幻电影找到我咨询相关的内容。火星之所以成为人类太空移民的首选地，首先是因为它是与地球相对距离比较近的邻居之一，与地球同处于太阳系的“宜居带”中。
另外，很多学者认为火星曾经具备非常宜居的行星环境，也是太阳系内跟地球环境最相似的行星。火星实际上拥有支持生命所需的所有资源，未来人类有可能通过开发、改造与利用，形成新科技文明，让人类实现在另一个星球的繁衍，成为多星球、跨星际的物种。
当然这一切的实现都依赖于人类未来能大规模登陆火星、必要物资运输往返于地球与火星，我们需要学会如何有效的利用太阳能，将火星本地的物质转化为可以利用的资源，在火星建立越来越多适合居住的城市，并最终将它改造成一个更适合居住的星球——人类的第二家园。今天我们走出的就是通向这个激动人心的未来的第一步。
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26个月一次的太空旅行
关于火星探测，一个常见的名词就是“火星冲日”，每26个月才会出现一次的天文现象。
如何理解这一现象对于火星探测的意义呢？
在太阳系这个“操场”上，八大行星在各自的跑道上逆时针绕着太阳跑。地球在第三跑道，火星在第四道，即便跟火星挨着跑道距离“不算远”，也是到月球距离的140倍到1000倍。
地球的公转周期是365天，火星的公转周期是687天（也就是说火星上一年相当于地球上两年的时间），二者会合周期是779.9天。由于行星公转的非均匀性，可以说地球和火星处于在最近点的时间间隔为780天，就是约26个月，也就意味着一旦错过发射窗口就需要再等两年。
2020年是两年一次的火星年，而今年的7月中旬~8月中旬则是最佳的 “火星探测窗口月” 。今年10月14日将迎来 “火星冲日” 的天文学现象，也就是说到时火星、地球和太阳所处的轨道位置将能大致形成一条直线，火星和地球的距离也将相对最近（今年的距离大约是6700万公里）。
当然，如果等到“火星冲日”之时再从地球发射探测器，等你几个月飞过去，火星早已不在原地等你了。所以考虑到我们与火星的距离以及地球和火星的公转速度，最佳的发射时间是“火星冲日”之前两个月左右，此时火星恰好处于地球前方约44°的相对位置。
因此，每隔26个月才会出现一个发射机遇期，每次时长约在一个月左右，这就是火星探测器的“发射窗口”。阿联酋“希望号”火星探测器前几天刚刚升空，顺利的话NASA的“毅力号”也将紧随我国“天问一号”之后在七月底前后发射。
从轨道设计的角度，为了提高效率、节省燃料，火星探测器升空后将会进入所谓的“霍曼转移轨道”，这是一种相对简单、经济稳妥的经典地火轨道转移方式。这样火星探测器在途中只需要两次引擎推进（但是每次还是要消耗不少燃料）就可以从地球轨道进入火星轨道，缩减燃料携带量。即便如此，天问一号一大半的发射质量都会被变轨需要的燃料质量所占据，当然还包括减速制动进入火星轨道的燃料消耗。
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探测火星有多难
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说了半天“天问”一号，“天问”的命名来源于中国伟大的爱国主义诗人屈原长诗《天问》，表达了中华民族对真理追求的坚韧与执着，体现了对自然和宇宙空间探索的文化传承，寓意探求科学真理征途漫漫，追求科技不断创新永无止境。2020年4月24日中国航天日上，中国行星探测任务被正式宣布命名为“天问系列”，首次火星探测任务被命名为“天问一号”，后续行星任务则依次编号 。
这里介绍一下中国行星探测工程的整体概念，它以“揽星九天”作为工程的图形标识，太阳系八大行星依次排开，表达了宇宙的五彩缤纷，呈现科学发现的丰富多彩。标识以开放的椭圆轨道整体倾斜向上，展示了独特字母“C”的形象，代表了中国行星探测-China，体现着国际合作精神-Cooperation，标志着深空探测进入太空能力-C3。意义深远的名称与图形标识承载着中国人航天强国的梦想，为人类和平利用太空推动构建人类命运共同体贡献更多中国智慧、中国方案、中国力量。前往未至，发现未知。
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哪些科学问题值得关注？
人们现在认为火星在几十亿年前曾是适合生命演化的环境，那么今天火星上到底有生命吗？如果今天没有，是否的确存在过生命？如果存在过，火星的生命起源跟地球有什么相似之处，是否有着共同的起源？那是否意味着生命在更广泛的宇宙环境中可能存在，或者至少有存在的条件？我们又应该去哪里寻找？这些问题都直指最基本的问题，我们是谁，我们从哪里来，要往何处去。
“天问一号” 计划开展多项科学研究，比如火星的磁场探测与演化研究（有一种说法是因为火星丢失了磁场导致大气逃逸，所以火星表面环境变的不适宜生命存在），地形地貌特征，火星大气层与电离层的探测与相关的环境科学等。火星的起源与演化研究又可以给我们提供除了地球以外的又一个行星样本，帮助我们研究太阳系起源的相关问题。这些研究也为未来大规模移民火星做准备，比如火星的表面物质成分和资源利用的可能性（到火星采矿）。这是未来人类大规模移民的基础。
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火星能否成为我们的第二故乡？
火星是太阳系中与地球环境最相似，且距离第二近的行星，我们说到了解火星对研究地球早期历史和生命起源有着重要价值，也对人类拓展生存空间具有重要意义。因此它也成为目前除地球以外人类研究程度最高的行星。如果“天问一号”探测任务成功完成，也将为我们提供关于火星的大量全新信息。当然，火星虽然与地球十分相似，但是就目前已知的火星环境，还远不能满足人类基本的生存需求，比如火星的大气太稀薄、氧气含量太低、昼夜温差太大……
和地球相同，火星也有 “春夏秋冬”，有趣的是，地球和火星都认为曾被小行星撞击过，自转轴都歪了23度左右，可谓是巧合。火星地貌宏伟壮观，最高的‘奥林匹斯山’约两万多米，是珠穆朗玛峰高度的两倍多，最大的‘水手大峡谷’长达四千五百公里、宽六百公里，几乎相当于从我国最北到最南的距离。火星的直径相当于地球的一半，体积为地球的15%。如果在火星上跑跳或者提重物，只需要花地球上38%的力气，因为火星上的引力只有地球的1/3，在火星上人人都可以成为大力士，也很容易成为弹跳高手。
水是生命存在的基础条件之一。现在的理论认为火星上曾经存在的水量，平均下来能达到100米深，火星的北半球几乎都曾被海洋覆盖。这么大量的水现在都看不到了需要解释。可能部分逃逸到太空中，另外不知什么原因，火星的水可能都转入到地下了。此前的各种探测在火星表面似乎发现了液态水流过的痕迹，也有证据表明大量的水冰存在于极地的冰盖中。基于这些证据推测到火星上可能存在过生命，虽然70-80年代开始的多次直接火星探测都没有发现生命的迹象。
在以往的火星探测中可以发现，火星上有海岸线、冲积扇、鹅卵石等地质特征；在对火星岩石的探测中，科学家还发现了被水浸泡形成的特殊矿物等。这些都证明，这里曾出现过大规模的江河湖海，可以想见，曾经的火星可能也是一片泽被茂盛、生机蓬勃的天地。
2018年，科学家在火星南极冰盖下发现20公里宽的液态水体，更让科学界为之一振。为了绘制火星的地质结构图，“天问一号” 环绕器和火星车都配备了探地雷达。环绕器上的雷达可以“看透”几千米深的地层，火星车上的雷达虽然看不到这么深，但分辨率却能达到厘米级，期待能帮助我们了解火星地表以下的水冰分布。
那么火星上的水是怎么“丢失”的呢，火星的环境为什么会突然“恶化”呢？一个明明处于宜居带之内的、被人们寄予厚望、可能存在生命的星球，变成了如今寸草不生的荒漠呢？有理论认为，火星曾拥有和地球类似的磁场。然而随着火星内核中熔融的铁逐渐冷却，它的磁场也逐渐减弱甚至消失。失去了地磁场的火星被暴露于太阳风和辐射下，并导致其失去了地表水和大气。
火星的磁场究竟发生过怎样的变化？ “天问一号” 另一项激动人心的任务，是探测火星的磁场。“天问一号”环绕器与火星车将为我们提供更多的证据。除此之外，环绕器和火星车还将搭载矿物光谱仪、高能粒子分析仪、激光击穿光谱仪等多种仪器。这些设备将帮助远在地球的科学家研究火星岩石、土壤和大气的成分，更好地了解火星环境。研究领域涉及火星的地形地貌、岩石物质成分、土壤厚度成分、次表层地下水体分布、重点着陆区域详查、火星磁层、电离层、大气层的研究和气候研究，磁场、重力场的探测等。除了卫星工作必要的功能外，“天问一号”共搭载有13台科学探测仪器。
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多位 “探火” 选手陆续出发
北京时间7月20日凌晨，阿联酋希望号火星探测器搭乘三菱重工H-IIA火箭从日本种子岛航天中心发射升空。作为“火星2020”第一个出发的选手，成功发射入轨开始了漫长的火星旅程。第二位选手，我国的天问一号今天发射，将成为全球第一个首次探索火星就一举完成火星着陆并开展”绕、落、巡“的国家，开展火星全球性和综合性探测，并对火星表面重点地区精细巡视勘查。
第三位选手美国的NASA毅力号预计7月30日发射，它以寻找生命相关标志物为探测重点目标，有几大任务：一在火星上火山口附近提取火星岩石样本，并妥善封存在43根样品管中（这些样本有望在2030年之前被后来的火星探测任务带回地球）；二从火星富含二氧化碳的大气中制造氧气（实验性的技术验证），为人类未来登上火星探路；三释放“创造号”火星无人机，在火星进行受控飞行。核心的目的还是希望能回答“火星上究竟是否有过生命”这一最为关键的火星科学问题。
本来是有第四位选手的，由俄罗斯研制着陆器，欧洲空间局研制火星车组成，两者合体前往火星。这辆采用太阳能发电的火星车，将钻入地下两米深处进行采样分析，或许这里还保留着远古时代形成的微生物证据。然而可惜的是，今年3月12日，欧空局和俄罗斯宇航局突然宣布由于新冠疫情的影响，该任务推迟两年到下一个火星发射窗口发射。
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商业航天何时开展火星探测
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中国开展火星探测有什么意义
很多人问我中国首次自主火星探测任务的意义。其实我不知道该怎么回答，科学意义，工程意义，里程碑意义，小至一批青年人几乎全部青春的付出，大至中国的航天事业，一个国家，一个时代，其实能说的很多，今天太激动了，我觉得也说不好。天文学的研究其实很看淡时空坐标，毕竟把宇宙137.7亿年的历史压缩成一年，人类的现代文明真的就是”灭霸“的一个响指那么短暂。我个人觉得你可以这么想，地球上最古老的文明们都曾经对天空中一颗最特别的火红色的亮光发出过惊叹。一个东方的古老文明留下了一篇诗歌，这篇诗歌记载了困惑着他的这个未知而神秘的世界的146个问题，几千年来历经沧桑的文明一直惦记着老祖宗的那些问题，在这片土地上的文明重新崛起的过程里，还没有忘记这个初心。2020年7月23号，一群航天人向着这颗红色热土吹响冲锋号，对，就是今天，这片土地上的人民都应该仰望苍穹，我们向伟大的祖先致敬，向伟大的时代致敬，向这个伟大的文明，致敬！
天问，问天。两千三百多年前，屈原问苍穹，留下来的是古人洞悉千年时空的智慧。我想在这片中华大地上不知有多少人曾把酒问天。中华民族传承着千年梦想。我不知道如何能够形容我内心的感慨万千，这是一个民族跨越山河与时空的声音。问天，就在今天。