作者：劉孜銘（中國科學院國家天文台碩士）；黃京一（中國科學院國家天文台工程師）

編者按

火星，這顆夜空中飄忽不定的火紅色行星，自古以來就牽動着人們的好奇心。進入空間探索時代，人類向火星發射了多枚探測器，有些失敗了，也有些獲得了寶貴的經驗和知識。2019年11月，中國行星探測任務首次公開亮相，命名為“天問系列”，并宣布中國首次火星探測任務“天問一号”計劃于2020年7月至8月間擇機實施。同時，國際上也有多顆火星探測器計劃将于這個窗口期擇機發射。

中國行星探測任務新華社發

從古至今的探尋

火星，由于其火紅的顔色以及不斷變化的亮度和位置，中國古代将其稱之為“熒惑”，一度被視為戰星、兇星，素有“瑩瑩之火，離離亂惑”之意，甚至“熒惑守心”（火星在心宿中發生運行方向的變易）在古代常被視為大兇的天象。

西方也将火星的顔色同鮮血和戰鬥聯系起來，無論是古希臘的稱呼Ares（音：阿瑞斯，為希臘神話中天神宙斯之子戰神的名字），還是古羅馬的Mars（音：馬爾斯，源于羅馬神話戰神之名，火星的這一名稱沿用至今）。

然而現代天文觀測告訴我們，火星的橘紅色不過是來源于其表面廣泛分布的氧化鐵，比起“兇星”，火星其實更符合“鏽星”的稱呼。

最早的火星觀測記錄可以追溯到公元前2000年左右的古埃及時期，而中國在公元前1300年左右的甲骨文中就有關于行星和彗星的記載。最初人們在天空中隻是看到這顆橘紅色圓球，而現代天文觀測告訴我們，在太陽系的行星中，火星是其中的第四顆，質量和體積排行老二，僅比水星大一些，卻是軌道同地球軌道最近的行星。

圖為美國航空航天局繪制的火星基地想象圖。資料圖片

從古至今，天文學家始終對這顆紅色行星倍加關注，一方面，是由于其鮮豔的色彩，另一方面，是因為火星同地球一樣，位于太陽系的宜居帶内。

然而宜居帶内的行星卻并不一定能夠孕育生命——火星地表布滿沙丘和礫石，沒有穩定的液态水，雖然也存在四季變化，但是沙塵暴卻極其頻繁和猛烈。火星并非完全幹旱，它的南北極都有以水冰為主要成分的極冠，水冰上方覆蓋的幹冰（固體二氧化碳）蓋甚至會随火星上的季節變化消長。

由于軌道比地球軌道靠外，火星能夠接收到的太陽輻射平均隻有地球的一半，不過好在火星大氣中充滿二氧化碳等溫室氣體，使得其表面平均溫度在零下55攝氏度左右。火星的大氣層十分稀薄，大氣密度隻有地球的大約1%，這是因為火星的重量隻有地球的大約十分之一，體積也不過是地球的15%，自身的引力很難束縛住原有的大氣層。同時，火星沒有像地球一樣的全球磁場保護，因此，在漫長的演化過程中，火星大氣大多被太陽風吹散到宇宙空間中去了。

缺乏磁場和大氣使得火星表面暴露在高能宇宙輻射環境當中，同時因為軌道靠近小行星帶，火星遭遇小行星撞擊的概率也比地球要大得多，加上水和氮的缺乏，火星實在是很難孕育高等生命。不過，科學家認為，或許在地下的液态水湖中，仍舊存在一些簡單的生命體或者複雜有機物。這些，都要依靠後續的火星探測任務才能告訴我們答案。

4000年來，從地面到宇宙空間，人類對于這顆迷人的紅色行星的探索從未止步。

大氣層内的火星探索

1610年伽利略第一次用望遠鏡觀測了火星，這一舉動也開創了火星探測的新紀元，雖然伽利略本人受到望遠鏡能力的限制，隻是在目鏡中看到一顆稍大些的橘紅色星球。惠更斯在1655年11月留下了第一份火星表面手繪圖，他甚至計算出了火星的自轉周期略大于24小時——這一結論在10年後被卡西尼确認。卡西尼還通過觀測火星掩星現象，即火星從其他恒星前方掠過的情況，得到了火星存在大氣層的結論。

奧雷諾·弗洛熱爾格在1809年發現了火星表面的“黃色雲”，這是人類第一次觀測到火星上的沙塵暴，他在1813年觀測到了火星春季期間極地冰冠明顯縮小的現象，因此錯誤地推測火星的氣候比地球溫暖——顯然那個時候的天文學家還沒有意識到，火星兩極冰冠的主要成分其實是幹冰。

19世紀30年代，火星被描繪為同地球十分相似的行星，自轉周期幾乎相同，公轉會帶來四季，同時還具有大氣層和兩極冰蓋（那時還被認為全部都是水冰），所有的這些線索都指向一個結論——火星上肯定具有某種形式的生命。以至于後來的諸多觀測結果都會被人們不自覺地向“火星人”這一事實去靠攏。

工作于米蘭布雷拉天文台的意大利天文學家斯基帕雷利重新繪制出版了一份更加詳細的火星地圖，他在火星上明亮的區域中發現了一些細長的線條，斯基帕雷利認為它們應該是自然形成的“渠道”，而地外生命的狂熱信徒法國天文學家弗拉馬利翁則推測，這些線條可能是高等生命建造的全球灌溉系統的運河。

在很長一段時間内，火星上的暗區都被認為是海洋或者植被，但是1892年天文學家威廉·亨利卻在這些暗區中發現了一條微弱的線條，這意味着這些暗區顯然不是海洋。

天文學家們對火星上的“運河”和“海洋”的存在争論了很長之間，直到1909年火星大沖（火星和地球、太陽位于同一直線時成為“沖”，如果火星恰好在近日點附近則稱為“大沖”，此時火星的亮度會顯著增加），天文學家坎貝爾通過光譜分析證明了火星大氣是幹枯的。同年，安東尼亞迪利用巴黎的83厘米口徑望遠鏡發現，之前觀測到的連續的“運河”其實是由大量的節點、暗條紋和斑點組成。對于大部分天文學家而言，1909年标志着火星存在智慧生命這一假設的結束，但實際上，暗區是植被的說法直到人類進入太空時代之前都沒有受到懷疑。

對于火星的衛星，天文學家也早已預見到其存在。開普勒曾成功預測出火星具有兩顆衛星——雖然是通過錯誤的數據和邏輯得出的結論。他認為既然木星具有4顆衛星（在當時隻觀測到4顆，這一數字如今已經變成了79顆），地球具有一顆月球，那麼軌道處于兩者之間的火星就應當具有兩顆衛星。

雖然這一計算方法在今天看來十分滑稽，但是卻巧合得到了正确的結論。直到1877年火星大沖，美國海軍天文台的霍爾才先後觀測到兩顆火衛，并将它們命名為德莫斯和福布斯。

太空時代的火星探索

1957年10月4日，蘇聯的第一顆人造衛星“斯普特尼克1号”發射升空，标志着人類太空時代的來臨。自打進入太空時代，火星便成了航天探測器的主要目标之一。

雖然火星軌道同地球是如此相近，但卻算不上是一個容易達到的地方。由于火星和地球公轉軌道周期不同，平均每26個月才能迎來一次交彙，屆時将有為時幾周的窗口期可以供探測器切入火星軌道。截至2020年6月，世界各國總共進行了57次直接或間接火星空間探測任務，其中隻有31次成功或者部分成功。

在1960年到1975年間，美蘇兩國掀起了第一輪火星探測熱潮，蘇聯在這期間連續發射了16顆火星探測衛星，然而除了“火星-X”系列的7顆衛星，其他全部發射失敗。而成功的衛星中，“火星2号”在軌航天器在八個多月的時間内持續傳回了大量觀測數據，“火星3号”則在1971年12月2日首次實現了火星表面的軟着陸，遺憾的是密封艙着陸僅傳回20秒的數據後就失去了聯系。

美國的火星探測雖然起步晚于蘇聯，但卻更早取得了成功。1964年至1970年美國發射了“水手”系列人造衛星，其中“水手4号”是第一個成功飛越火星的探測器，而“水手9号”則在1971年11月13日進入火星環繞軌道，成為火星的第一顆人造衛星。美國在1976年實現了“海盜”系列探測器在火星表面軟着陸，其中“海盜1号”一直工作到1985年壽命結束，而“海盜2号”也工作至1980年。

蘇聯的火星任務失敗率奇高不是沒有原因的。人類開展空間探索初期，火箭的運輸能力、入軌精度以及零部件的可靠性都很難滿足需求，而其時美蘇兩個超級大國處于冷戰時期的空間競賽，蘇聯的火星任務倉促上馬，準備不足，才導緻前10次任務盡數失敗，其中7次都沒能完成發射階段的任務。甚至直到20世紀70年代之後，由于運載火箭事故導緻的任務失敗仍舊層出不窮。

蘇聯直到1988年7月才恢複了火星探測任務，但均未獲得成功。2011年，俄羅斯發射“福布斯-土壤”探測器時同步搭載了中國的首個火星探測器“螢火1号”，然而發射後因為無法變軌進入地火轉移軌道而宣告任務失敗。

在“海盜”任務之後，美國也迎來了火星探測的低谷，直至20世紀90年代才重啟火星探索的征程，并在1992年9月25日發射了“火星觀察者”，然而這枚探測器在即将進入火星軌道時與地球失聯了。經過了四年的技術改進，美國又在1996年11月6日和12月4日相繼發射了“火星全球勘探者”和“火星探路者”兩枚探測器，其中“火星探路者”再次成功着陸火星表面。美國在之後的十餘年間陸續發射了14枚探測器，其中“火星探測軌道器”，“好奇号”火星漫遊車等探測器仍舊工作于火星軌道或者火星表面。

雖然比美蘇兩國慢了幾拍，但其他國家在火星探索上也很快迎頭追上。歐洲空間局在2003年6月發射的“火星快車”順利進入火星軌道，并繼續工作至今天。不過其攜帶的“獵犬兔2号”着陸器卻沒能成功登陸火星。2016年3月歐空局和俄羅斯聯合發射的“外火星氣體追蹤軌道器”至今仍停留在工作崗位上。

日本在1998年曾發射過一枚軌道探測器“希望”，但是卻在到達火星軌道前耗盡了燃料宣告失敗。而印度在2013年11月成功發射了首個火星探測器“曼加利安号”，并于2014年9月成功進入火星環繞軌道。

中國在2016年1月11日正式立項了中國行星探測任務，探測器被命名為“天問”系列。“天問一号”火星探測器将攜帶火星車“赤兔号”，一步實現火星軌道器環繞探測、火星軟着陸和火星車巡視任務，預計将于2020年7月發射升空。

“天問1号”預計将在7月至8月之間擇機搭載于長征5号系列火箭發射升空，然後進入火星軌道，如果一切順利，“天問一号”攜帶的“赤兔号”将在明年4月23日前後在火星烏托邦平原（暫定）着陸，逐步開展科研任務。

在2020年的火星登錄窗口期期間，原本美國航空航天局、阿聯酋空間站、歐空局和俄羅斯航天局都有火星探測器發射任務，然而受到新冠肺炎疫情影響，歐空局和俄航局的合作項目已經推遲至2022年8月之後。

過去的4000年來，我們對火星的了解，從一顆橘紅色的亮點，到一枚可以被開發利用的宜居帶行星，火星也從最初的遙不可及，到幾乎遍布人類的探測器，甚至火星探測的任務次數已經超過了同期的月球探測項目。作為人類走出地球系統的第一站，火星勢必将會成為人類深空探索的最重要目标之一，相信在不遠的将來我們就能登上火星的土地，建立第一個人類太空居留地，将火星逐漸開發成為第二顆地球。

《光明日報》（ 2020年07月09日16版）

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