快速补单 - 天问一号都发回自拍了,你啥时候上火星?

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近日,天问一号探测器发回了在火星着陆区的第一张高清“自拍”,火星表面看来一片荒凉。那么,是什么吸引我们去探索这些荒凉星球?

天问一号传回的火星着陆区域高清图。左图为着陆前,右图为着陆后,可以看到天问一号的着陆平台和“祝融号”火星车。|国家航天局

天问一号传回的火星着陆区域高清图。左图为着陆前,右图为着陆后,可以看到天问一号的着陆平台和“祝融号”火星车。|国家航天局

月球是地球唯一的天然卫星,是人类登陆过的第一个地外星球。红色的火星,位于太阳系的宜居带,与地球很像,前后也有数十个航天器探索过。

我们为什么要探测月球和火星?50多年前美国登月是真的吗?今天人类的探月和探火计划进展到了哪一步?以目前的证据,火星上有生命么?我们能改造火星让它更宜居吗?

在4月27日的科普中国-未来耀科学“空间探索”特别直播中,国家空间科学中心的研究员刘勇、孔令高和周炳红,为我们揭开了地球这两位“近邻”的神秘面纱。

为什么要探测荒凉月球?

地球有大气层和磁场,保护我们人类安全生活在上面,月球大气则非常稀薄、接近真空,磁场更是不到地球的百分之一,非常微弱。这使得月球难以阻挡小天体撞击,也不能屏蔽宇宙辐射,表面一片荒凉,并不适合人类生存。那么,人类为何对探月如此神往呢?

孔令高介绍,人类可以通过肉眼观察到月亮阴晴圆缺的变化,这自然而然会激发人的好奇心,驱使我们去探索月球。

另一个重要因素是,地球人口急剧增长,人类要想可持续发展,就需要将活动范围向外扩展,所以就想去月球上看有没有可利用的资源。比如,氦-3是一种非常清洁高效的核聚变燃料,100吨的氦-3发电,可以供地球使用一年;月球由于没有大气层和磁场保护,太阳风可以直接打到月球表面,使氦-3在月壤和矿石中富集,储量目前估算有一百万吨左右。

周炳红介绍,我们探测月球还有一个原因,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,从月面起飞比较容易。因此,月球可以作为人类未来探索深空的中转站。

月球虽然荒凉,却蕴藏有丰富的资源,还可以作为探测深空的中转站。|SETI.org

月球虽然荒凉,却蕴藏有丰富的资源,还可以作为探测深空的中转站。|SETI.org

人类探月进展到了哪一步?

月球距离我们如此之近,但迄今为止,登上月球的只有12名美国宇航员,有人甚至对此表示怀疑。美国登月是真的吗?人类探月如今进展到了哪一步?

周炳红认为,从系统工程的角度来看,美国登月是真是假,或许不是特别重要。更重要的是,美国当时为了登月,发展了庞大的月球探测计划——阿波罗计划,进行了绕月飞行等一系列试验,就像今天我们的嫦娥工程一样。另外,后来有证据表明,月球上有宇航员的脚印、排泄物,由于没有地球上的风化作用,这些痕迹还在那儿。

刘勇介绍,美国在登月之前其实做了大量的准备工作。比如,先驱者计划为了探测月球,接连很多次都以失败告终。一个计划失败这么多次,花了这么多钱,从大的层面来说,它应该是真的。在航天上人们经常讲,失败其实是差一点点成功,成功其实是差一点点就失败,这个探索的过程很重要。

1969年,人类第一次踏上月球。左图为阿波罗11号宇航宇阿姆斯特朗拍摄的奥尔德林。右图为阿波罗15号宇航员在使用月球车。

1969年,人类第一次踏上月球。左图为阿波罗11号宇航宇阿姆斯特朗拍摄的奥尔德林。右图为阿波罗15号宇航员在使用月球车。

月球是我们探索宇宙深空,走向星辰大海的前哨站,我们什么时候才能建立月球基地呢?

周炳红介绍,探月工程分几步,首先是掌握一些关键技术,例如采样返回技术,确定要去哪儿去寻找资源、找水;现在目标也很明确,各个国家都聚焦在月球南极找水。第二步是建立月球科研站,验证这些关键技术,为建设月球基地作准备。第三步就是建设月球基地了。所有大工程都会有一个从不成熟到成熟的过程,按照这个脉络,我们大概需要十年时间完成前两个步骤。

为什么要探测火星?

在太阳系的行星中,金星距离地球更近,我们为什么不去探索金星,而对火星情有独钟?

孔令高介绍,人类探索火星,很重要的原因是,火星和地球很像,自转周期与地球接近,大概是24小时,也有白天黑夜,和四季交替。有说法认为,火星上可能存在生命,甚至地球上的生命可能来自火星。

例如,有研究发现,地球产生生命的时期,环境其实非常恶劣,不断有小行星撞击,到处都是火山熔岩,温度非常高,反而那个时候的火星,气候温暖湿润,有大量江河湖泊,特别适合孕育生命。所以人们据此推测,有可能生命是在火星上诞生,然后有小天体撞击火星,撞出的碎片携带着生命物质,经过漫长的旅途,把生命的种子带到了地球。

火星表面遍布赤铁矿,在夜空中呈现橙红色。它和地球有着相近的自转周期,和相似的四季交替。|Earth: NASA/Apollo 17 crew; Mars: ESA/MPS/UPD/LAM/IAA/RSSD/INTA/UPM/DASP/IDA

火星表面遍布赤铁矿,在夜空中呈现橙红色。它和地球有着相近的自转周期,和相似的四季交替。|Earth: NASA/Apollo 17 crew; Mars: ESA/MPS/UPD/LAM/IAA/RSSD/INTA/UPM/DASP/IDA

至于为什么不去探测金星,刘勇介绍,金星离地球更近,但金星表面有浓密的大气,主要都是二氧化碳,这些温室气体使金星表面温度高达400多度,再加上大气压,可以想象那就是一个高压锅。苏联曾向金星发射过一个探测器,着陆后不到一分钟就挂了,可见金星环境非常恶劣。

金星表面有着极端的气候环境。(艺术构想图)|NASA

金星表面有着极端的气候环境。(艺术构想图)|NASA

周炳红则从航天技术角度,比较了探测月球、火星和金星的难度差异。他介绍,从飞行难度上看,去金星比火星和月球难得多,因为金星离太阳更近,去那儿需要的火箭速度增量其实要更高。相对而言,去火星和月球在火箭飞行方面难度其实差不多,只不过月球距离地球大约40万公里,火星最近大约5500万公里、最远大概4亿公里,去火星要飞行更长时间,比如天问一号用了大半年时间,飞行4.5亿公里,才到达火星。

但是,在火星表面着陆和起飞要比月球上难很多。这是因为,月球比火星小很多,引力也小,因此在月球表面刹车很容易,在火星刹车更难;同样地,要摆脱引力束缚,从火星上起飞也更难,需要的火箭更大,所以人类至今还没有从火星上取一块样品回来。现在,美国和欧洲有一个计划要从火星取样,需要先发射一个火箭收集火星样品,然后用另一个火箭把样品送到火星轨道上,接着再用一个火箭把样品从火星轨道返回地球,像接力一样来完成。

火星上有生命吗?

直到现在,并没有明确证据表明,火星上有生命。可是,我们要探测到什么,才算在火星上找到生命物质呢?

孔令高认为,如果探测到有机大分子,那肯定表明火星上存在生命,但是目前还没有看到。另外,科学家观测到火星上甲烷浓度的变化,我们知道,很多生命活动都与甲烷息息相关,比如消化过程、生物腐烂、古菌活动,都会产生甲烷气体,所以这也可能是生命存在的一个证据。

周炳红介绍,火星探测的主题正在逐渐演化,从最初的寻找生命,转变到研究火星上的环境是否适宜生命存在,或者在历史上是否曾经适宜生命存在,还有就是,有没有可能改造火星让它变得更宜居。

人们设想将红色火星改造成蓝色地球,使之成为未来人类的第二个家园。| Daein Ballard

人们设想将红色火星改造成蓝色地球,使之成为未来人类的第二个家园。| Daein Ballard

对于火星上的环境,我们目前知道,火星上确实有水,主要以水冰的形式存在,也有部分以液态形式存在,这些是卤水,也就是盐分很高的水。关于火星上水的起源有两种假说:一种认为,火星上本来就有水,是火星上的氢和氧通过化学反应产生的水;还有一种认为,是外来小天体撞击带来了水。

从这个层面来说,火星因为有水,有大气和磁场,不容易受到小行星撞击和空间粒子辐射,相对于月球,在火星上建立科考站也有独特优势。

火星的南北两极覆盖有冰盖,由干冰和水冰混合而成。左图为夏天的火星北极,右图为火星南极。|NASA/JPL/MSSS

火星的南北两极覆盖有冰盖,由干冰和水冰混合而成。左图为夏天的火星北极,右图为火星南极。|NASA/JPL/MSSS

普通人何时能上天?

星辰大海,心之所向。我们普通人什么时候才能飞向太空,甚至来一趟月球旅行呢?

周炳红介绍,普通人要上天,目前主要有三大困扰。第一是人心理上可能感到孤独。第二是人类是否可以适应微重力环境,因为在太空中引力很弱,人会飘起来。现在看来这一点对健康人来说也不是很困难,之前霍金都坐过失重飞机,飞机进行抛物线飞行,关掉发动机后进入微重力状态,持续几分钟时间。

第三个涉及到火箭技术。因为太空旅行往往需要多级火箭,多级火箭会有前箭耦合振动的问题,特别是发生低频振动甚至几赫兹的振动时,人体的内脏器官会跟着一起共振,这不仅对火箭是坏事,人坐在里面也会感觉十分难受。之前杨利伟上天时就遇到过这个问题,但是有了那次的经验,后来我们国家就很好地解决了这个问题。

结语

自从上世纪七十年代,阿波罗计划之后,人类就再也没有登上月球。但如今随着航天技术、空间探测技术蓬勃发展,回到月球,或许并不遥远。甚至在未来,月球和火星这两颗瑰丽的星球上,可能会有人类的地外基地,支撑我们飞向宇宙更深处。

人类回到月球,或许并不遥远。|therift

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