諾獎得主斯穆特三世:三國火星探測器競相發射,成功率幾何?

2020-12-07 騰訊網

編者按

天問一號探測器拍攝的地月合影今天公布。

這張照片是天問一號探測器在飛離地球約120萬公裡處回望地球，利用光學導航敏感器對地球、月球成像，獲取的地月合影。在這幅黑白合影圖像中，地球與月球一大一小，均呈新月狀，在茫茫宇宙中相互守望。

上圖為2020年7月27日，天問一號探測器在飛離地球約120萬公裡處，利用光學導航敏感器拍攝的黑白地月合影。圖｜國家航天局

據中國國家航天局公布的信息，天問一號目前飛行狀態良好，能源平衡、工況正常，地面測控跟蹤穩定，飛行控制和數據接收有序通暢，各項工作順利開展。探測器已脫離地球引力影響範圍，進入行星際轉移軌道，飛離地球超過150萬公裡。

在與天問一號發射同期進行，世界頂尖科學家協會（WLA）與央視新聞合作推出的太空論壇系列第一期《和諾獎科學家談深空探測》節目中，五位諾貝爾物理學獎得主齊聚線上，貢獻了精彩絕倫的對宇宙探索的大討論和暢想。

WLA與央視新聞合作推出的太空論壇系列第一期的直播場景。圖｜CCTV NEWS

本篇為大家帶來的是2006年諾貝爾物理學獎得主喬治·斯穆特三世(George Smoot III )的個人演講。喬治·斯穆特三世（生於1945年），美國物理學家、宇宙學家。因「發現了宇宙微波背景輻射的黑體形式和各向異性」獲得了2006年諾貝爾物理學獎。

2020火星使命

2020 Mars Missions

2020年有三個目的地是火星的探測任務。現在進入了火箭發射的密集期這並不奇怪。因為每隔26個月地球火星的位置就會成為一個火箭發射的理想位置。

每隔26個月，地球和火星就會在各自的軌道上達到最接近的位置。圖｜NASA

所以當前我們有三個任務，一個是阿聯已經發射的「希望號」、剛剛發射的「天問一號」、和NASA方面即將要發射的「毅力號」。

阿聯的「希望號」，當它在2021年2月到達火星後將執行一項為期兩年的任務，或者準確來說，是一整個火星年。當然，我非常希望它可以堅持更長的時間。它的出現主要是為了查看火星的大氣。

今年7月20日，阿聯進行了它歷史上的首次火星飛行任務。圖｜BBC

現在讓我們來談談關於火星非常有意思的內容。我們知道在過去，火星不僅有很多的水，而且有更稠密的大氣。接著發生了一些事情。火星上失去了一大部分大氣,變得非常稀薄，並且將近96%的大氣都是二氧化碳。氧氣、氫氣、還有其他的很多東西都不見了。

如這幅藝術家的插圖所描繪的，如今稀薄的火星大氣層主要由二氧化碳組成。圖｜NASA

在探索到底發生了什麼事情的過程中，真的是充滿樂趣的。

那麼在這裡大家可以看到這是在2015年的時候，當時我也是參加了在阿聯的杜拜舉行的會議，會議中項目的經理介紹了這個被叫做「希望號」的火星探測項目。

截圖｜斯穆特個人演講PPT，獨家授權世界頂尖科學家論壇使用

當她在講述時，我就在思考，他們到時候能不能及時準備好。沒想到他們真的能做到。這是他們那時候發出來的「希望號」探測器的照片，其實這種探測器基本上都是比較類似的尺寸，比如說1000多到2000千克。這就是探測器通常會被設計的尺寸。

阿聯「希望號」。截圖｜斯穆特獨家授權PPT

「希望號」成功組裝並且發射，是希望再過160多天可以在2021年2月到達火星，這樣他們就可以正巧遇到阿聯建國50周年慶。以抵達另一個星球的方式作為太空慶典，這不僅對於阿聯來說是一件非常具有意義的事情，而且「希望號」的探測對人類來說也是一個科學界的壯舉。

接下來我們要談到的更具有挑戰性的就是「天問一號」，它從海南的文昌基地發射升空。在這裡它離開了地球，「天問一號」探測器目標是通過一次發射實現火星環繞、著陸並開展火星表面地理探測。

7月22日，長徵五號火箭搭載「天問一號」前往火星。圖｜CNET

這真的是非常宏大的一個計劃。我真的好緊張，很希望「天問一號」可以如願以償。在這個過程當中會如何進展的，探測器會在最後一分鐘進入到火星的大氣層，打開降落層接著著落。我們大概七個月之後就會知道結果。我真的祈禱一切都能順利。

NASA也是在做這一方面的努力，他們也是有一些複雜的任務，著陸器、巡視器，待會也會給大家看看其他的照片，他們是希望去研究很多方面的內容，其中有一條想要完成的任務就是要去取樣，它會去進行鑽孔、接著從火星巖石和土壤中採樣、分類然後存儲。探測器將把樣品芯儲存在火星表面的管道中。整個過程被稱為"樣品緩存"。

「天問一號」兼具著一個環繞器、著陸器和一個六個輪子的、太陽能的火星車。截圖｜斯穆特獨家授權PPT

在這個過程中，探測器中會有二十多個攝像頭記錄下發生的一切。不過在這並不是終結。「毅力號「可能會為之後的探測器鋪平道路。人類早有打算會進行越來越多的火星探測項目。未來有可能探測器收集完樣本後可以將它們帶回地球以便進行更精細的樣本分析。

NASA的「毅力號」會攜帶多種儀器有效載荷奔赴火星，包括MOXIE（在插畫中間）。圖｜NASA/JPL-Caltech

採樣到「緩存」其實是一個非常複雜的過程。「毅力號」已經是第三代的火星車了。

同時「毅力號」如果想獲得成功的話也需要非常多的運氣。它需要對樣本的重量、體積進行測量，進行封裝，去把它放到存儲的容器裡，那麼該如何去選擇下一個採樣點呢？

這就是某種程度上非常具有賭博性質的一件事了，「毅力號「的出行會帶著一架叫「心靈手巧」的直升飛機，但是它實際上只有2000克重。它上面也有攝像機，而且它會在這裡去尋找一些採樣點，讓火星車可以去進行採樣和研究，所以NASA的探測項目實際上也是非常宏大的一個任務和計劃。

AeroVironment公司的工程師設計和開發了「心靈手巧」的機身和主要子系統。這架高科技直升機將與NASA的「毅力號」一起部署在火星上。圖｜Los Angeles Daily News

另外「毅力號」探測器還將進行一個非常中的實驗，它會攜帶著一個被稱為「MOXIE」的工具——一種吞CO2吐氧氣的測試版氧氣生成器。這個實驗的設計主要是為了證明人類能否就地取材通過火星上的CO2去取得氧氣。

火星作為我們人類宜居環境的重點研究對象，如果真的未來我們想移居火星的話我們不可能把所有的氧氣都運送上去，所以我們需要生產出這些氧氣，這樣的話才能夠讓人類在火星上能夠有氧氣可取。所以這是一個非常宏大的項目。

人類多年來一直夢想著有朝一日能夠移居火星，並且和火星人做朋友。圖｜Webby Feed

其實我還聽說有第四個想要進行的火星探測項目。但是很遺憾的是，他們趕不上截止日期。因為眾所周知，火箭發射去火星只有很短的、只有幾周的窗口期。只有在這個短暫的窗口期裡，地球和火星的軌道位置剛好適合人類帶著1000到2000千克的工具去火星。

儘管我知道從歷史的角度看，火星探測的項目成功或者部分成功的機率不到50%，但是我真誠祝福所有的項目都能成功。

地球的繞日軌道比火星小，速度也快。大約每隔26個月，地球繞著太陽運行一次，就會追上火星。在這個接近階段發射太空飛行器到達火星更經濟，所需時間也更短。圖｜Jarphys

希望我們都能在探索火星的過程中去學習和獲得知識，並且我們未來也可以不斷地有更多的重返火星的探測項目。祝大家都好運哦！能夠重返火星也能夠在未來有更多這方面探測的任務，也祝大家好運。

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