“天问一号”踏上征程
火星，我们来了
7月23日，我国首次火星探测任务“天问一号”在中国文昌航天发射场踏上征程，中国人离探索火星的梦想更进一步。
早在2300多年前，诗人屈原就用一首长诗《天问》，发出了对宇宙洪荒、天地自然的疑问。“日月安属？列星安陈？”尽管现代天文学已经可以非常精确地回答这一问题——太阳系的引力维系着八大行星绕其公转，然而关于生命、人类、太阳系乃至宇宙的起源，还有太多的未解之谜。
这也是中国行星探测任务“天问”的名字来源，“天问一号”任务的目的地瞄准火星，它的成功发射拉开了向更遥远的宇宙深处探寻的序幕。
火星和地球的诸多相似，引发着人类对地外生命的热烈猜想
作为太阳系里与地球最为相似且距离较近的行星，从古至今，人们都对这颗星球有着无限遐想。
从地球上仰望星空，火星仿佛是夜空里的一簇火光。它的运行轨迹复杂多变，看起来忽明忽暗、忽大忽小，令观者迷惑，因此火星最早被赋予的中文名字叫“荧惑”。其中“荧”代指火星表面发射的红光；“惑”则出于古人对火星运行缺乏规律而感到的困惑。
火星为什么看起来是红色的？中国科学院国家天文台研究员郑永春说，这是因为火星表面有红色的赤铁矿，呈现出橘红色。另一个原因则是沙尘暴造成的。火星上风力很大，会引发猛烈的沙尘暴，一来就几乎席卷整个星球表面，持续多月不停，还充斥着扶摇直上的龙卷风。当扬起的沙尘覆盖火星，遮住了原本灰褐色的沙粒和石块，就造成了“红色星球”的错觉。
地球是太阳系的第三颗行星，火星则位于地球的外侧，是太阳系的第四颗行星。因为自然环境与地球相似，火星又被称作地球的“姊妹星”。实际上，地球要比火星大得多。地球半径是6378公里，火星半径仅为3398公里，大致是地球的一半，体积则是地球的1/7。火星的表面积，与地球的陆地面积差不多。
假如站在火星表面，会发现这里的地形地貌与地球非常相似。事实上，作为类地行星，火星同样具备核、幔、壳等内部构造。人们习惯用“荒漠行星”来形容它的形状，这里分布着高原、平原、峡谷和火山。其中高于1万米的大山就有好几座，最高峰奥林匹斯山高达2万米左右，是珠穆朗玛峰高度的2倍多。还有一个水手大峡谷，长度相当于横贯中国东西部。
火星上也有四季更替。只不过，如果用地球日来换算的话，火星上一年大约有23个月。这是因为地球环绕太阳一周需要约365天，火星绕太阳一周则为687天。郑永春说，如果在火星上过日子的话，每天的昼夜长短跟地球上差不多，火星的一天是24小时39分35秒，比地球长了近40分钟。
“东西方在古代一直赋予金星很多美好的想象，但实际上，金星的表面非常灼热，温度高达465—485摄氏度。反而是曾长期被认为‘灾难’、不吉的火星，随着科学认知的加深，逐渐发现它与地球有太多相似之处。”郑永春说。
像地球一样，火星也有大气，可惜密度仅为地球的1%，约相当于地球上33千米高处的大气密度，极为稀薄，成分以二氧化碳为主。对于喜欢看云的人来说，到火星上恐怕会失望。郑永春说，火星的天空大多数万里无云，偶尔会有云层出现，但是颜色偏白、厚度较薄，像我们熟悉的地球卷云。
火星表面的重力约为地球表面的0.38，没有全球性的磁场，磁场强度只有地球的1%。
事实上，人们对这颗红色星球格外青睐的重要原因，是在这里发现了有水存在的明确证据。有水，就代表着生命存在的可能。根据航天器的探测结果，清晰可知火星拥有海岸线和湖泊的遗迹、干涸的河道、冲积扇等流水地貌，这些都表明火星在历史上曾经有大规模的液态水。目前，尽管没有探测器发现肉眼可见的液态水，但在火星地下已经发现了盐度极高的卤水。2018年，有科学家宣布在火星南极冰盖下发现了盐水湖存在的证据。
正是由于火星与地球的诸多相似之处，火星一直是人类心中的“热门星球”，引发着人类对地外生命的热烈猜想。
“世界各国的行星探测大致聚焦于这几个问题：太阳系的起源与演化，生命的起源与演化，地外生命信息的探寻等。这也是行星探测试图回答的问题，即我们从哪里来，又将到哪里去。通过行星探测，人们试图找到人类、太阳系乃至宇宙的起源与演化的奥秘。生命的出现是必然还是偶然？我们能否在其他的星球尤其是跟地球类似的火星上，寻找到生命起源的证据？这些都是科学界非常关注的重大问题。”国家航天局探月与航天工程中心深空部部长耿言说。
火星，到底是地球的过去，还是地球的未来？这在科学界尚无定论，但毫无疑问，对火星的持续研究将加深人类对地球生命起源和演化的理解。
火星探测迄今为止可分为三个阶段，几乎贯穿整个人类航天史
对火星了解越深入，人们对它就越感兴趣。火星的“火热”，可以从统计数字上充分感受到。在行星探测史上，火星属于历史最久、持续时间最长的探测目标，是除地球以外人类研究程度最高的行星。
从20世纪60年代人类首次开展火星探测开始，截至今年6月底，人类已进行40多次火星探测活动。
专家介绍，火星探测大约分为3个阶段，几乎贯穿整个人类航天史。
第一阶段是早期的飞越探测，时间跨度为1960—1970年。这一阶段国际深空探测刚刚起步，相关国家主要以火星飞越探测、传送火星图片与探测大气参数为主，但探测任务成功率并不高，仅有一例成功完成任务。
第二阶段是初步了解火星表面，时间跨度为1970—1990年。上世纪70年代初期，美苏重新展开火星探测活动，以轨道环绕与着陆探测为主，主要任务包括传输图像、探测大气、磁场、地表温度等。此后，两国对于深空探测的投入减小。
第三阶段则是探寻火星生命迹象，从1990年至今。迅猛发展的科学技术催生了火星探测的新热潮。多个国家加入探测行列，成功率也大幅增长。火星探测活动的探测方式主要为着陆和巡视探测，主要目标是寻找火星水存在的证据和生命迹象。其间发射过“火星快车”“勇气号”“机遇号”和“好奇号”等多颗探测器，成功找到了火星水存在的证据。
专家介绍，通过3个阶段的积累，人类对火星的探测主要分为以下4种方式：
飞越。探测器能够在火星附近快速掠过，用极短的时间抓住一切可能记录的有用数据。这是早期开展火星探测的主要形式，当时的技术水平还难以让探测器制动减速留在环绕火星轨道。
环绕。探测器依靠自身动力制动进入环绕火星的轨道，“变身”为火星的人造卫星。
着陆。着陆系统降落在火星表面。这个环节难度很大，需要着陆系统完全自主导航控制。
巡视。通俗意义上讲，火星车就是巡视器，它到处移动，边走边看，能在不同地点进行多方面精细考察。
在实现这些探测任务后，一些国家下一步的目标是实现火星取样返回。由探测器从火星上采集岩石和土壤，并带回地球。
在60多年的火星探测史中，涌现出不少里程碑式的任务。目前，仍在火星上锲而不舍工作的，共有6个轨道器，以及美国发射于2011年的“好奇号”火星车和2018年发射的“洞察号”着陆器。
火星探测成功率低，特殊的环境、遥远的距离带来巨大的挑战
最近5500万公里、最远4亿公里的距离，决定了火星探测并不轻松。截至2020年6月底，人类进行的40多次火星探测任务中，完全成功的探测任务只有19次，成功率约43%。即使算上部分成功的，也仅仅只有23次，成功率约53%。
中国首次火星探测任务总设计师张荣桥表示，尽管人类在月球探测方面积累了一定经验，在火星面前仍是一个不折不扣的“新手”，全新的环境、全新的技术，都带来全新的考验。
“火星是一个全新的环境，即使前期掌握了一些资料，但科学家的认识可能还不够深刻，需要反复进行试验和推导。”郑永春介绍，以火星的地表环境为例，红色沙砾中含有的氧化剂、氧化铁、高氯酸盐等成分，以及太阳风、紫外线、宇宙射线等，对航天器伤害很大。火星的大气稀薄且存在很大的不确定性，这无疑给着陆火星增加了难度。
火星光照特殊，也给探测器的能源供给出了难题。同样面积下，火星接收太阳光的能量只有月球表面的40%。探测器想要正常运转，需要增加一些特殊设计。太阳翼面积需要更大更灵活，大致相当于放置月球上的太阳翼的2—3倍，还要具备双轴驱动能力，时时刻刻追着太阳走。
火星和地球的远距离，还影响了无线电信号接收。“火星距离地球最远时有4亿公里，从地面上向火星探测器发布一道指令，探测器要在23分钟以后才能执行，这种巨大的延时为测控带来阻碍。只有采用更大口径的天线、实现更大的发射功率，才能尽可能降低这种不便。”耿言说。
火星的重力不一样，这种特殊的动力特性给探测器的建造带来挑战，对火星车体轮系的结构强度、驱动力都提出了新要求。
对火星的好奇和向往，深深影响着人类对自然科学、人文科学等重大命题的思索
挑选晴朗的一天，静待太阳下山，在万家灯火尚未点亮之际，选择一处开阔地，伴随着徐徐晚风，点开手机上的认星软件，对准夜空，根据指引就能发现火星的位置。这是一个普通人用肉眼观测火星的快捷方法。
科幻小说和电影中，火星绝对是大热门元素。“在火星上开荒种土豆”“在火星建造地下基地”“将火星作为跳板跃至更深宇宙”，一部部壮阔震撼的作品散发着经久不衰的魅力，不光展示着目前相对成熟或能够预见的科学技术，还勾勒出人类对火星的各式幻想，不断加深着人们的好奇和向往。
在北京CBD区域寸土寸金的商圈内，一家知名商场专门辟出一片科技味十足的火星展厅。红色的沙砾土石上，白色的火星车挥舞着长长的机械臂，正在进行采样收集工作，不远处则是一片火星营地。这里围绕“数字、模拟、未来”为主题，向游客讲述了“火星历史”和“移民到火星”等故事。光怪陆离的星石、臆想的火星人造型、逼真的太空场景，艺术和科技交织融合，引领人们沉浸于“火星之旅”。专门来这里“打卡”的人们一边拍照、一边赞叹：“火星真的是这样子吗？有一天我们真的能去火星吗？这也太酷了吧！”
类似兼具旅游和科普意味的“火星营地”还有很多。郑永春介绍，地球上有不少和火星地貌相像的地区。例如我国青海西北角、柴达木盆地腹地，依托俄博梁雅丹地貌，兴建了冷湖火星研学营地。在约旦西南部，有一座名为“月谷”的酒红色山谷，曾是火星科幻电影的拍摄地。“一些地区不仅仅是外观与火星相似，它们荒漠的地貌特征，分布的河流、湖泊干涸的沉积物等，有助于开展火星和地球的环境对比研究，根据对地球环境演变的认识反推对火星的了解。”
火星这颗荒漠行星，也是希望之星。无论从火星身上发掘出何种奥秘，人类都能从探测中获得对自身命运的启示。倘若地球气候巨变、生物受到严重威胁，人类将何去何从？火星是否会是人类最后的避难所？这些思考始终萦绕在人们心头。
专家认为，现有开展的一系列围绕火星的活动，都在潜移默化地培养着公众对火星的感情。这种对火星的好奇和向往，反过来深深影响着人类对自然科学、人文科学等重大命题的思索。（记者 冯 华 刘诗瑶）
