“洞察号”来到火星

苗千

11月26日，美国航空航天局工作人员在等待“洞察号”无人探测器在火星着陆

“洞察号”的创新

美东时间2018年11月26日下午2点52分，美国航空航天局（NASA）的“洞察任务”（InSight Mission，全称为运用地震调查、测地学和热量传送进行内部探索[Interior Exploration using Seismic Investigations，Geodesy and Heat Transport]）通过与之同行的两颗迷你“卫星火星立方一号”（MarCO A，MarCO B）进行中转，向位于美国加州的喷气动力实验室发来消息，“洞察号”火星探测器已经顺利着陆，它即将开展一段为期两个地球年时间的科学探索。

虽然人们时常能听到来自火星探测器的消息，实际上，让人类制造的探测器在火星表面进行着陆，是一项极其困难的工作。至今为止，人类发射的所有火星探测器，只有大约40%顺利完成了着陆。“洞察号”是美国航空航天局在火星表面成功实施软着陆的第八个探测器，也是继2012年到达火星的“好奇号”（Curiosity Rover）之后，六年来第一个抵达火星的人类探测器。

探测器在火星进行着陆，其中最为重要且惊险的部分就在于进入火星大气层，急剧减速并顺利降落在火星表面的短短几分钟。在这个过程中，“洞察号”需要把速度从每小时1.98万公里骤降为每小时8公里，并且展开三条支撑腿，还要防止在与火星大气层的摩擦过程中温度过高而被损坏。这个过程被“洞察号”的设计师们称为“恐怖七分钟”，而迷你卫星发回的数据显示，降落过程实际上只花费了六分半钟，其间顺利完成了十多项既定动作，整个程序堪称完美，已经按照人们的设计降落在了火星赤道附近的埃律西昂平原（Elysium Planitia）。

随后，由飞临“洞察号”上方的“人造卫星火星奥德赛号”（Odyssey Spacecraft）继续向地球发回消息，称“洞察号”在顺利着陆火星表面的16分钟之后，又花费了16分钟完全展开了它携带的两个2.2米宽的太阳能面板。相比于地球，火星距离太阳更远，能够收集到的太阳能也相对更少，但“洞察号”自身并不需要太多的能量。在晴朗的火星天气里，这两块太阳能面板的功率可以达到600到700瓦特，即使是在火星常见的沙尘天气里，它的功率也可以达到200到300瓦特，其转化的能量足以保障“洞察号”的正常运行。

由洛克希德·马丁公司制造的“洞察号”探测器，在设计上沿用了2008年登陆火星的“凤凰號”探测器，因此登陆过程相似。但“洞察号”与意在探测火星北极地区的“凤凰号”，以及之前其他所有火星探测器的目标都有所不同。它着陆与进行工作的埃律西昂平原由熔岩形成，看上去平坦无奇，远不及火星的峡谷、火山口等地区吸引科学家们的兴趣。之所以选择这个区域，是因为“洞察号”的目标并不在于表面，而是在于火星的内心。

人类只有通过倾听火星的地震波，才有可能了解火星的内部构造，并与地球的构造相比较，进而理解两颗行星的境遇为何如此不同。作为价值将近10亿美元的人类第一个火星地质实验室，“洞察号”携带了各种比前几个探测器更先进的科学仪器。其中一款主要由法国国家太空中心设计制造的西瓜大小的高精度地震仪（SEIS Instrument），其精度足以探测到一个原子大小的幅度的震动——这堪称人类制造出的最灵敏的地震仪，此前也正是因为在制造这款地震仪过程中的一次技术失误，让发射推迟了两年多的时间。在一切的工作准备就绪之后，“洞察号”会把这个地震仪放置在埃律西昂平原的地面上进行工作，再在上面放置一个半圆形的保护罩，使之不受火星大气活动的干扰。

11月26日，“ 洞 察 号 ”无人探测器登陆火星后传回的照片

“洞察号”成功登陆火星，它随身携带存有逾200万 名 太空粉丝姓名的微芯片

德国航天中心为“洞察号”设计制造的“热传感物理特性箱”（HP3）则会史无前例地利用自身所携带的探头从火星地表向下钻探5米的深度，探测火星内部温度的变化，以此推断火星内部由岩浆和放射性物质所产生的热量，以及热量向外流失的速度。此外，“洞察号”还携带了一个“自传和内部结构实验室”（RISE），探测火星在其自转轴上的摆动，以此来判断火星内核的状态。

除了“洞察号”自身所携带的科学仪器开创了诸多先河，与“洞察号”一同升空，随后又自行赶路，与“洞察号”一同到达火星轨道的两颗迷你卫星——MarCO A与MarCO B——同样也是一个史无前例的创新。这种只有鞋盒大小的迷你卫星由喷气动力实验室的年轻科学家们设计制造，造价相对低廉，却有大用处。由电影《机器人总动员》得来灵感，科学家们给它们起了外号“Wall-E”和“EVE”。有了这两个随“洞察号”一同到达的迷你卫星作为中继，就不用等待在火星轨道上运转的卫星飞临，能够在第一时间把“洞察号”的着陆过程发回给地球，其间地球只滞后了电磁波从火星抵达地球所需的8分钟时间。即使“洞察号”的降落没有成功，这两颗迷你卫星仍可以把这个过程实时发送回地球供科学家们进行分析。

虽然没有携带科学仪器，但是在火星大气层的边缘，这两颗迷你卫星仍然通过自身携带的相机拍摄了几张火星的照片发回地球。另外，它们向地球发射的电磁信号会经过火星大气层的边缘。地球的科学家们通过分析火星大气层对信号的干扰，就有可能理解火星大气层的密度和成分。除了这些作用之外，作为人类首次发射的专门用于检测探测器着陆过程的行星际卫星，这两颗迷你卫星也开创了地外探测器自身携带通信设备的先例，这为人类以后探测其他天体提供了一个全新的思路。

火星的谜团

火星表面在何时曾经拥有液态水，后来又发生了什么导致了液态水的流失？在火星上是否曾经存在过生命？“洞察号”来到火星，倾听火星的地震波，钻研火星的地表，实际上都是为了回答这几个困扰人类已久的问题。

通过各种火星探测器和人造卫星，人类收集了越来越多的关于火星的信息，但是近年来，在火星研究领域，科学家们却并不算乐观。有科学家认为，人类对于火星的研究可谓是有观察、无理解，近年来没有突破性的进展。尽管人类收集到的关于火星的数据越来越多，却有如隔靴搔痒，没法解决一些根本性的问题，比如火星在形成的早期阶段，为什么会拥有温暖湿润的环境？促使火星环境发生彻底性转变的原因又是什么？

想要回答这些关于火星的根本性问题，就非要探明火星的内部构造不可。地质学家们研究地球的结构，需要在地球的不同位置探测地震波，以此计算地球内部能量的传播方式，进而理解地球的内部构造。想要理解火星的内部构造，方法也与此类似，需要探测来自火星内部的地震波。

上一次探测火星地震波的尝试并不成功。在1975年，美国航空航天局发射了维京1号（Viking 1）和维京2号（Viking 2）火星探测器，結果因为机械故障，维京1号没能够顺利卸载设备，而维京2号所携带的探测器在收集了2100个小时的火星地震波资料之后，科学家们才意识到，因为维京2号所携带的地震仪甚至没有与火星的地面直接接触，而是位于探测器的上方，其收集到的地震波信号也有可能来自火星大气的干扰，因此意义不大。

40多年过去了，带着更先进的仪器和人们的希望，此次“洞察号”探测火星地震波的计划不容有失。为了能够尽量不受干扰，并且能获得足够的光照，“洞察号”需要找到一个相对平坦、温暖和明亮的区域。科学家们最初考虑了22个着陆点，后来候选者缩减到埃律西昂平原、伊希地平原和水手号谷三个，最终才确定了在赤道附近的130公里长、27公里宽的埃律西昂平原。

在成功着陆之后，虽然“洞察号”已经开始收集科学数据，但接下来它最重要的工作是部署科学仪器，这个过程就要花费两到三个月的时间。

“洞察号”不需要像具有核动力的“好奇号”一样到处游走，在着陆之后它需要就近选择一个合适的工作地点安定下来。它会伸出1.8米长的机械臂对周围环境进行拍照，把照片发回地球，再由地球上的科学家为它选择一个合适的探测地点进行钻孔和地震波探测。而现在人们对于“洞察号”最大的好奇在于，在一个火星年外加40个火星日的计划工作时间里，它究竟能够探测到多少次火星地震波。

科学家们估算火星的内部结构和冷却过程，估计它的地质活动可能介于地球和月球之间，它的地震次数可能会少于地球但多于月球。因此“洞察号”所探测到的地震信号可能会在2.7级到4.2级之间，当然它也有可能通过高精度的地震仪探测到更远处强度更大的地震信号。科学家们希望在两年多的时间里能够至少探测到30次地震波数据，地震波的强度越大，就越有利于人们理解火星的内部构造，因为强烈的地震波会贯穿火星的核心，传送出关于火星内部的信息。

地球与火星两颗行星在早年都有着温暖湿润的环境和厚实的大气层，但之后几十亿年的时间里两者的境遇大有不同，科学家们猜测，这与两颗行星的板块构造以及内部热量的流动方式有关，“洞察号”所携带的科学设备主要就会在这几个方面进行探测。地球的核心部分充满沸腾的岩浆，其中蕴含了巨大的能量。这些能量一部分来自于行星形成初期的挤压，一部分来自于放射性物质。行星中心的能量会逐渐向外扩散，它需要寻找出路释放出来，巨大的能量会融化岩层，损毁地壳，形成火山和热泉，喷发出岩浆和大量挥发性的液体，为大气层带来了热量，这个过程可能对于生命的形成和发展至关重要。另外，地球内部存储的巨大能量也让地核一直保持着液态，其中金属元素的流动会产生出一个全球性的磁场，这相当于为整个行星的生物都提供了一个保护罩，使之免受宇宙射线的攻击。

除了核心区域之外，地球的板块构造可能也对于生命的出现和发展有重要意义。地壳的不同板块之间会相互移动、碰撞，这也为整个行星的循环带来了活力，让地球环境一直处于变化之中。地球的不同板块相互碰撞时，会把地壳的一部分撞入地球内部，而当不同的板块分离时，又会让新的板块浮现出来，在这个过程中会释放出水分、二氧化碳、甲烷等物质。这样的循环过程有可能保持了整个地球生态系统的活力。

地球与火星在这些细微之处的区别，是否决定了两颗行星的不同命运？火星并没有类似于地球的板块构造，这是否决定了它无法维持自身物质的循环系统？火星在形成初期也具有强大的磁场。火星一个古老的地壳区域被强烈地磁化就是其磁场曾经存在的证据，但是在其后几十亿年的时间里，火星的磁场消失了，这是否导致了其环境的恶化？在火星内部的岩浆是否具有与地球相似的活力，还是已经随着时间的流逝而冷却凝固？科学家们希望能够通过探测火星的地震波和在自转轴上的摆动方式，判断出火星内部的岩浆是处于液态还是固态，或是两者的混合状态。

“洞察号”的工作才刚刚开始。如果顺利的话，在未来两年的时间里，它将会向地球源源不断地发回关于火星内部构造的各种数据，这或许将使人类对于火星的理解大大加深，也有助于人类在未来将宇航员送上火星。对于地球来说，火星又如同一个实验室。它告诉人类，一颗行星的构造和环境稍加改变，命运就可能完全不同，理解火星的形成和发展过程，其实也能让人类更深刻地理解地球，理解生命的产生和发展所依赖的环境。对于人类来说，火星是他者，也是我们自身生存和发展的一个参照。

（本文写作参考了《自然》杂志和美国航空航天局的相关报道）