太空探测：宇宙考古急先锋
2024-07-15 00:00:00刘进军
科学24小时 2024年7期
自古以来，人类就对天空充满了敬畏和向往，想要了解宇宙的奥秘和自身的起源。太空探索是人类文明进步的重要驱动力，也是人类智慧和勇气的体现。
太空探测器是探测宇宙奥秘的利器，根据执行任务的不同，可分为月球探测器、行星探测器、小行星探测器、彗星探测器、太阳探测器、行星际探测器和星系际探测器，以及各种天文探测器（如宇宙射线、暗物质、暗能量、黑洞、引力波等探测器）等。
太空探测器的科学任务是了解宇宙、银河系、太阳系的起源、演变和现状，研究比较太阳系内各行星的形成和变化，以及探索生命的起源和演化。
从1958年开始，人类发射的太空探测器先后探测了太空环境、地球磁层、地球辐射带、地球极光、太阳辐射、宇宙射线、地球大气层、地球电离层等，测量了太阳光辐射谱、空间粒子成分、高能电子、高能质子和太阳磁ZgHvADPOy7VQ320R2KwEtQ==场等参量及其变化，以及太阳系各大行星和它们之间的相互关系等。
1959年1月2日，苏联成功发射了“月球1号”探测器，从距月球6000千米处飞过，首次探访了月球，拉开了月球探索的序幕。迄今，人类利用太空探测器已经实现了火星等八大行星，以及月球、小行星、彗星等天体的近距离观测、着陆探测和采样探测。
小心求证——太空探测方式
20世纪50年代中期，美国天体物理学家尤金·帕克提出了太阳风理论和太阳磁场理论。帕克认为：“太阳是地球的母亲。我们必须破解太阳的‘基因’‘遗传密码’‘身体’和‘力量’，以及太阳与地球的‘亲戚’关系。”为了预测太阳熄灭的时间，也为了人类的未来，帕克提出了一系列太阳探测的计划。
2018年8月12日，“帕克号”太阳探测器发射升空，执行飞越探测任务。它运行在近日点600万千米、远日点1.93亿千米、轨道倾角3.4°、轨道周期88天的轨道上。“帕克号”是世界上第一个进入太阳日冕并“亲吻”太阳的太空探测器。
“帕克号”太阳探测器依靠测量和成像，彻底改变了人类对日冕和日地关系的理解，改变了人类对太阳风起源和演变的认识。它还对人类预测太阳影响地球环境、地球生命、地球空间环境变化作出了重要贡献。它描绘了太阳日冕、太阳磁场的结构和动力学，展示了日冕和太阳风是如何加热和加速的，并解答了究竟是什么决定了太阳能量粒子加速。
执行太空探测任务的探测器除了飞越探测以外，主要采取的方式还有远距离探测、近距离探测、环绕探测、撞击探测、着陆探测、巡视探测、登陆探测和采样探测等。
生死同盟——着陆探测
着陆探测方式，又可分为着陆器探测、太空车探测、飞行器探测和潜艇探测。
着陆器探测是指着陆器着陆外星球后，在着陆点原地探测。太空车探测是指太空车在着陆后，自主行走探测。飞行器探测是指飞行器在星球上进行飞行探测。而潜艇探测是指潜艇在星球上进行潜水探测。
火星——这颗红色的星球一直令人向往。迄今，人类已经有近50颗探测器飞往火星。2020年7月30日，美国宇航局发射的“火星-2020”探测器搭载着“毅力号”火星车和“机智号”火星直升机，从卡纳维拉尔角空军基地升空。其中，“毅力号”火星车执行的是巡视探测的任务，旨在搜寻火星存在生命的证据。“毅力号”火星车上的钻探机可以收集最有望发现生命迹象的岩石和土壤的样本，并将它们“缓存”起来。将来，这些样本将被送回地球。“毅力号”将是世界上首辆从火星采样，并将样本送回地球的火星车。
2021年4月19日， “机智号”无人直升机实现了在火星上首飞。这是人类制造的飞行器首次在另一颗星球上飞行，其意义不亚于1903年莱特兄弟在地球上试飞第一架飞机。“机智号”是一架小型太阳能直升机，会垂直起飞、空中悬停和垂直着陆。它携带了一块莱特兄弟当年制造的“飞行者一号”双翼飞机机翼上的织物。
每一次叩问太空之旅，既是新任务的开端，也是下一阶段探索的开始。随着世界航天事业的快速发展，人类探索太空的脚步会迈得更大。
1655年3月25日，荷兰物理学家、天文学家和数学家惠更斯发现了土星的最大卫星——“土卫六”。科学家用古希腊神话中的“大力神”来命名这颗卫星，英文名音译为“泰坦”。
由于木星、土星、天王星和海王星都远离太阳，所以它们的卫星都是大冰球，被称为“冰月卫星”。“土卫六”是一颗冰封的星球，其表面存在着岩石、水冰、甲烷和乙烷等物质，是太阳系中唯一一颗表面有液态水的星球。它与地球一样拥有河流、湖泊和海洋。在“土卫六”厚厚的水冰外壳下，是海洋。其中，最大的海洋有几百米深，几百千米宽。海洋可能是孕育生命的地方。“土卫六”的海洋、湖泊，以及甲烷、乙烷等液态碳氢化合物海洋，可能孕育着不同的生命，尽管那里存活的生命可能与地球生命大不相同。
2020年，约翰·霍普金斯大学应用物理实验室研制成功“蜻蜓号”直升机。“蜻蜓号”直升机上搭载的科学仪器，包括摄像机、冲击钻、质谱仪、伽马能谱仪、显微成像仪、地震检波器和地震仪等。“蜻蜓号”是世界上第一架“土卫六”直升机，同时也是第二架星际直升机。按照计划，“蜻蜓号”直升机将于2026年发射。2034年，“蜻蜓号”将到达“土卫六”。
与此同时，美国宇航局还雄心勃勃地设计了一款名为“大力神号”的无人多功能核潜艇，这是世界上第一艘卫星核潜艇。按照计划，“大力神号”将于2040年飞往“土卫六”，开创星球探测新方式。科学家设想让“大力神号”潜艇在“土卫六”的极地海洋——克拉肯·马雷一带空降。这片海洋的面积约有39.88万平方千米，深度大约160米，其海流和潮汐都比较正常。
最佳探险——登陆探测
登陆探测，是指宇航员和科学家实地探测。1969年7月20日，“阿波罗11号”飞船登陆月球。在这次载人登月任务中，宇航员首次实现了月面行走。从1969年7月到1972年12月，美国宇航局共执行了7次载人登月任务，其中6次成功，共计有12名宇航员漫步月球，在月面共停留300多小时，带回了382千克的月岩和月壤样本。
1971年8月1日，美国“阿波罗15号”飞船的宇航员斯科特在月球上进行了一次自由落体实验。他双臂前伸，左手大拇指和食指捏着一根猎鹰羽毛，右手大拇指和食指则捏着一把锤子。接下来，他同时松开双手，锤子和羽毛并排落下，几乎同时落地。斯科特喊道：“伽利略的发现是正确的！”
精确科学——采样探测
迄今，人类已完成了10次月球采样返回、1次火星采样待返、3次彗星采样返回和4次小行星采样返回。
苏联宇航局的“月球16号”“月球20号”和“月球24号”探测器，共计3次从月球表面带回了326克样本。1970年9月24日，“月球16号”探测器采集了101克月壤样本，返回地球。在这之前，苏联曾经5次发射采样探测器，都不成功。“月球16号”探测器是第一个登上月球，并挖掘月壤样本返回地球的探测器。
美国宇航局的6次载人登月，共从月球表面带回了382千克月球样本。1971年1月31日，“阿波罗14号”飞船发射升空。执行此次任务的宇航员谢泼德和米切尔分别进行了2次月球漫步。他们拉着手推车捡拾月球样本，共带回了42.28千克的月岩和月壤样本。从这些样本中，科学家们了解到： 月球不是一颗简单的冰冷星球，也不是一颗活跃的火山星球，而是一颗具有复杂而微妙历史的星球。
1972年12月11日， “阿波罗17号”飞船的宇航员塞尔南和施密特，在月球赤道附近的静海的边缘——金牛座-利特罗山谷着陆。之后，塞尔南和施密特花费了3天时间，开着“巡行者3号”月球车奔驰了34千米，探索了金牛座-利特罗山谷。此次，他俩搜集了741份，共计110.52千克的月岩和月壤样本。
2020年12月17日，我国的“嫦娥五号”探测器成功地从月球表面带回了1.731千克珍贵的月壤样本。“嫦娥五号”实现了我国首次月球采样返回，为月球成因和演化历史等研究课题提供了真实依据。在带回的月壤样本中，我国科学家发现了月球上的珍贵资源——“氦-3”，获得了月球表面化学成分分布图，并在世界上首次发现了月球天然玻璃纤维。
目前，“旅行者1号”探测器携人类好奇的目光，肩负“传播地球文明，寻找人类知音”的使命，已飞出太阳系，前往银河系深处进行探测。
