中科院院士詳解「天問一號」:這次探測有六個科學目標

2020年7月23日12時41分許，中國首次火星探測任務「天問一號」探測器，在海南島東北海岸中國文昌航天發射場，由長徵五號遙四運載火箭發射成功。人類已經進行了47次火星探測，探測火星要比月球難多了。作為中國首次獨立火星探測任務，「天問一號」將如何對火星進行全球探測？天體化學與地球化學家、中國科學院院士歐陽自遠帶領我們，跟隨「天問一號」探索神秘莫測的火星。

出品："格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）

以下內容為中國科學院院士、地球化學與天體化學家歐陽自遠演講實錄：

今天我跟大家分享的題目是《天問一號，中國首次自主火星探測》，分享的內容包含下面五個方面，也要向大家介紹一下我國發射的火星探測器。

火星蒙受的不白之冤

自古以來人們對火星就沒有什麼好印象，幾乎每個民族都在咒罵火星。它在歷史上沒有好名聲，一直被認為是一個不吉祥的星。因為火星是紅顏色的，代表了血腥、戰爭、死亡和瘟疫。

但它真的蒙受了不白之冤。

根據離太陽的遠近，火星在太陽系八大行星中排列第四。離太陽最近的是水星，然後是金星、地球、火星，往後才是木星、土星、天王星、海王星，所以火星是地球的鄰居，比我們離太陽稍微遠一點。

古代人覺得火星在天上忽隱忽現的，就給它取了個名字叫「熒惑」，就是描述它像螢火蟲一樣，有時候看得清，有時候看不清。

古人非常迷信，假如熒惑守心的話，一定預示著這個朝代的皇帝要死，而且會發生戰亂。

熒惑守心指熒惑在心宿發生運行方向的改變，其運作方向或由順行轉為逆行，或由順行轉為逆行，並且停留在心宿一段時間的現象

公元前120年，正好熒惑守心，那是歷史上最不吉利的一段時期，剛好那一天秦始皇駕崩，據說天上還掉下一塊隕石，上面刻著幾個字「始皇帝死」，而且預示著地要被分掉。

天文學家們給了它一個標誌，這個標誌就像發射出來的箭一樣，代表著戰爭。

古羅馬稱火星為「瑪爾斯（Mars）」，寓意喜歡打仗，喜歡屠殺的戰爭之神。

古希臘的人們把火星稱為「阿瑞斯（Ares）」。阿瑞斯（Ares）是戰爭之神，他很勇猛，但很好戰，喜歡屠殺。

在北歐，人們也叫它「戰爭之神」，甚至在古印度也是這樣稱呼。

總之古代幾乎每個民族都認為火星是一顆惡星，它是人類災禍的化身，所以火星一直蒙受這種不白之冤。

但現在我們應該為火星解除它的不白之冤了。

為什麼人們對火星會有這麼壞的一個印象？因為你看到火星的時候，它是紅色的。

為什麼火星會有紅顏色？因為火星的表土裡有一種礦物叫赤鐵礦，赤鐵礦是紅顏色的，是古代作畫時畫紅色的顏料。

赤鐵礦彌散在整個火星的土壤當中，火星又經常發生沙塵暴、全球性的風暴，結果捲起了這些紅色的赤鐵礦夾雜在當中，所以顯得紅，跟血腥一樣，導致人們對火星沒有好印象。

其實真冤枉，火星是一個非常善良的、很好的天體，所以我們應該洗刷它的不白之冤。

火星，地球的好姐妹

火星在八大行星當中排第四，是地球的近鄰，也是地球的好姐妹。火星跟別的七大行星幾乎在一個平面上，大家各自按照各自的軌道，都圍繞著太陽做逆時針方向的運行。

火星在第四個跑道轉圈，地球在第三個跑道轉圈，很有規律，很守秩序，而且一直是這樣運行的，所以火星是地球非常好的一個姐妹。

火星其實跟地球挺像的，它繞著太陽轉一圈，因為火星轉的圈大，要678天。地球轉一圈365天，是我們的一年。

另外，火星大約只能得到地球一半左右的太陽能，因為隔得比較遠，所以太陽對火星就顯得沒那麼熱了。

火星個兒也比較小，大概只有地球的二分之一左右，所以火星的引力也比較小。

但是火星跟地球有一點特別像，它跟地球一樣也是歪著自轉的。

本來八大行星都是直起來，很有規律地繞著太陽逆時針方向公轉，但是地球被一個小天體撞上了，最後產生了月亮，地球也留下了一個「殘疾」，被撞歪了二十三度半，所以現在地球是歪著自己轉，而且同時這麼歪著繞太陽轉。

這反而成全了地球一件事，本來直著自己繞著太陽轉的話，地球表面的任何一點，一年下來沒有季節變化，跟太陽的距離和太陽照射的角度永遠沒有變化。

現在歪著繞太陽轉，轉到這邊，北半球靠近太陽，我們中國就是在北半球，那就是我們的夏天到了；再轉另一邊的時候，北半球遠離太陽，我們的冬天就到了。所以，地球就出現了春夏秋冬四季的變化。

火星也挨過一次撞，所以它也被撞歪了，結果歪得跟地球一樣，也有了春夏秋冬的變化。

地球的衛星——月亮，是地球主要的東西被撞了之後散落在地球的周圍，最後慢慢匯集起來的。我們通過基因檢測，證明月亮是地球的「女兒」。

火星這兩個衛星可不是它親生的，是一個小天體運行到它附近的時候被火星抓過來，便成了自己家族的一個成員，所以火星有兩個「養子」，但它們跟火星是不一樣的。

火星探測，難在哪裡？

我緊接著要介紹的是探測火星。

人類已經進行了47次火星探測，但是這要比月球探測困難多了，它究竟難在什麼地方？

這張圖展示的是太陽、地球、火星，它們在一條直線上，這就是所謂的火星大衝，是火星離地球最近的一個距離。

網上有一個錯誤的信息，說從地球上發射探測器去火星，一定要在火星大衝的時候發射。這個時候地球離火星最近，才5000多萬公裡，等於是兩個物體之間最短的直線距離，這時候發射探測器很快就可以到火星，其實這是錯誤的想法。

假如這個時候發射的話我們永遠到不了火星，科學家們經過精確計算，要去火星不是想去就可以去的，26個月有一次機會，假如掌控不好這個時間就去不了火星。

當火星在我們前面老遠的地方，從地球上發射一個探測器，大約要飛7個月左右，飛好幾億公裡到達火星的軌道，火星剛好在這個時候通過它自己的軌道，也到達了這一點，這時探測器就可以飛到或降落在火星上。這才是去火星最短的距離，絕對不是大衝的時候發射，這完全是一種誤解。

另外，地球在裡面轉圈，火星在外面轉圈，所以一般來說要26個月才能有一次發射窗口。

我們跟火星的距離太遠了，有時候地球在太陽這邊，火星在太陽那邊，我們要發一個信號給火星，它以光速運行，往往都要23分鐘左右。

所以我要是給探測器指令的話，必須提前二十多分鐘，一般來說至少得提前一刻鐘發給它，一刻鐘以後收到了，它才會執行命令。

所以火星探測的難點，一個是太遠了，另一個是時延比較長，會有很多困難。

第三，火星表面氣候變化劇烈，經常發生沙塵暴，一瀰漫起來，根本看不清火星的表面，這也給著陸器的著陸等造成了很多困難。

所以人類探測火星，統計下來已經進行過47次，但是失敗的次數很多，一直到今天累計下來這47次成功了24次，剛好一半。

所以，要去火星，一般情況下有一半是要失敗的，比去月球艱難多了。

火星上真的有生命存在嗎？

我們到火星到底去幹什麼？

因為火星是最像地球的，而且自古以來就有很多傳說。尤其是天文學家在火星上看到有很多一條一條的直線，認為那是運河。

有運河就一定有農業，有農業就一定有耕作的農民，天文學家認為那一定是火星人在種莊稼所以挖了很多水渠。

也有很多傳說關於火星是不是有火星人，《火星人大戰地球人》，《馬丁叔叔》……有很多大片描寫火星人，也有很多科普書去講火星人，科學家也覺得火星是最像地球的一個行星，上面說不定還真的會有生命。

所以，探測火星的第一個目的，自古以來都是為了探尋火星上有沒有生命。它是什麼形態的生命，它是怎麼活動的？這是所有科學家們都非常感興趣的問題。難道我們的太陽系，我們的宇宙，就只有地球有生命嗎？其他星球根本一點兒可能性都沒有嗎？

火星是最有可能有生命的，所以大家集中目標去探測火星。

火星探測的第一個科學問題就是火星生命的探尋。

第二才是火星本身的磁層、磁場、大氣、它的表面、它的地質構造等等。

第三，我們的地球受到了很多自然界的潛在威脅。比如說，6500萬年以前，一個小天體撞了地球，導致地球70%的物種滅絕——恐龍滅絕，除此之外，地球上還有一百多萬個物種被滅絕。

另外，地球還不時地發生大面積的火山噴發、巨大的海嘯、強烈的地震。總之，我們的地球有很多的不安寧，再加上人類的很多錯誤行為，導致地球也許不適宜我們生存了。

所以科學家們想，能不能在太陽系裡面找到另外一個天體，慢慢地把它改造成第二個地球？或者至少有兩個姐妹一樣的天體，最後地球和火星將成為人類命運共同體的棲息地，這不更好嗎？

所以，火星探測現在是航天的一個重點，火星是人們最願意探測的，因為它畢竟是在太陽系裡離我們還算比較近的。

火星生命的探測經歷了大概半個世紀，這半個世紀以來，科學家們首先是想直接探測到底有什麼生命在活動。

上世紀70年代、80年代，主要發射探測器和著陸器探測，最後科學家們大失所望，火星表面沒有任何生命活動的跡象。

後來說有水就有生命，而且發現火星地下有很多水。它表面也有很多河流湖泊，甚至出現過海洋，只不過現在已經乾枯了。

火星曾經有過水體，生命跟水是在一起的，所以就跟蹤水來探測生命，不過探測到今天也沒個結果。大家期望能夠找到哪怕是最低等的生命，哪怕是細菌也是值得珍惜的。

後來火星的探測拍到了很多照片。這是火星的河道，現在已經乾枯了，這些河道都可以看出支流和主流。

另外，火星的北半球曾經是一個巨大的海洋，現在只剩下一個海底的海盆地了。

我們也積累了火星很多年的照片。這是同一個地方，先拍的那張很清楚，是一個陡坡，第二張照片裡面顯示出這陡坡突然塌方了，緊接著裡面湧出水來，證明火星的水是在地下。

因此，後來提出一個說法，說火星的水都轉入了地下，所以我們要找生命可能要到地下去找，因此探測器又去探測地下水的分布。

中國的「天問一號」有一臺儀器，可以探測整個火星地下水的分布。例如它的河道一共有多少水等等，這些我們都要進行探測。

幾十年來，科學家們研究火星，證明這裡曾經有過很深的水覆蓋了火星，平均大概有100米深的水，而這些水現在一滴都沒有了。

火星離太陽比較遠，當然比較冷，所以看不到液態水，最多看到有一點冰，而且年平均溫度很低，零下60度，而只有夏天的幾天，赤道的溫度可以高於0度，達到十幾度，所以大概也有很深的水，而現在的水都不在表面。

另外，南北極的兩塊地方曾經都發育過海洋，所以大家覺得跟著水探測生命也沒有希望了。

後來又有一個新發現，發現火星的大氣是以二氧化碳為主的，95%是二氧化碳，之後發現也有少量的氧氣，少量的水蒸氣，此後還發現火星的大氣裡有甲烷氣體。

甲烷就是我們的煤氣，就是天然氣。天然氣一般都是生命活動產生的，人類也會排出甲烷，稻田也會排出甲烷，那能不能跟蹤甲烷去探測生命？

這是火星的水蒸氣分布以及甲烷的分布。甲烷的分布只有十億分之幾，很少很少，科學家們還要抓住這一點一直探測。

後來探測下來也沒有一個結果，不能說明我們發現了生命的徵兆。

下圖是甲烷的探測。

特別是「好奇」號火星車，它裝備了非常先進的儀器，專門去探測火星上的有機化合物，最後也沒有得出很好的結果。

後來又想了一個辦法，能不能去研究火星掉下來的石頭——火星隕石，能不能結合甲烷看看有沒有什麼發現？

因為甲烷在自然界可以沒有生命而產生，可以是自然合成的，也可以在高溫下合成，當然也有生物體排洩出來的甲烷。

在儀器上完全可以把最後形成的甲烷區分開來，但是現在沒有辦法去做。

人類一共得到了大概四五十塊從火星掉到地球上來的石頭，所以我們準備下一步用電子顯微鏡觀測隕石的內部。

1984年，在南極找到一塊隕石，在裡面發現有很多小蟲子，這是不是細菌？

美國人說這是細菌，歐洲的科學家說是汙染，吵到今天也還是沒個結果。

下圖是這些細菌的橫截面。

此外，在火星隕石裡還發現了很多奇怪形狀的東西。比如說圖中像油炸麵包圈一樣的東西是不是也是細菌？我們也沒有答案。

另外，中國在南極找到了12400多塊天上掉下來的石頭。

其中這兩塊是火星掉下來的，中國的科學家也去研究這裡面有沒有生命的信息，最後也證明沒有。

但是中國科學家另外做了一件事。2011年在摩洛哥沙漠裡掉了一塊隕石，中國科學家把它買回來觀察了裡面的碳顆粒。

這都是納米級、微米級的碳顆粒，在電子顯微鏡下研究，然後分析碳的同位素組成。

最後得出一個驚天動地的結論：這些碳是火星的生命產生的碳。

比如說，拿一塊煤給我，我就可以研究出這塊煤裡面的碳過去是植物；拿一滴石油給我，我就可以研究出這滴石油裡面的碳曾經是一些微體的動物。這些我們都可以做到。

最後結論出來，發現這是由火星生命形成的碳，但是很遺憾，美國封鎖了我們，不讓我們在美國最高級的雜誌上發表。為什麼？

美國的「好奇」號也在做這件事情，他絕對不希望中國人先發現。最後中國沒有辦法，就在歐洲的一個雜誌上發表。

這是雜誌的封面，登出了這塊隕石，而且登出了全部的結果，時間是2014年12月2日。

而「好奇」號也在2014年12月16日發現同樣的結果。他們在火星上研究的碳顆粒也被證明是來自生命的。

他們立即召開了一個全世界的記者招待會，宣布火星可能曾經存在過生命，跟中國的結論一樣。但他們很遺憾，中國發表的時間是2014年12月2日，他們是2014年12月16日，比中國晚了半個月。

火星的生命探測就是這樣一直吸引著全世界科學家的目光。

中國首次自主火星探測——「天問一號」

中國將會在7月發射「天問一號」火星探測器。我國曾經做過一次火星探測，當時是在2011年向全世界公布了中國首個火星探測器發射升空，探測器名稱為「螢火一號」。

因為中國的探測器搭載在俄羅斯的飛船裡，是俄羅斯把我們的探測器送到火星，然後我們自己再出來探測的。結果沒有想到俄羅斯的探測器在飛離地球的第二天，由於軌道調整失敗，最後向地球的大氣層墜落，被燒光了。

這是中國第一次火星探測，失敗了，但是我覺得沒關係，我們應該吸取教訓，應該更努力地去做好，所以我建議將這次火星探測稱為中國首次自主火星探測。

我們這一次去火星探測的主要任務是發射一個火星的衛星，讓衛星繞著火星飛；同時，也有一個著陸器會落在火星上，一輛火星車會走下來，一邊走一邊探測火星。

我們著陸的位置已經選好了，在火星北邊高緯度的地方，曾經是火星海洋的位置。

因為當地比較平緩，所以我們選擇了兩個位置。我們的著陸器、火星車將著陸在那兩個位置上。

這就是著陸器，火星車在上面，它會走下著陸器邁步到火星表面，一邊走一邊探測。

我們的探測大概有六個科學目標。

第一，火星的衛星上放了七臺儀器，主要探測整個火星的地形地貌、巖石分布、氣候變化。總之這是全球性的探測。

此外，我們的火星車上放了六臺科學儀器，要探測火星地下的土壤分布、土壤的成分、底下是不是有地下水的分布。

我們的衛星在天上探測，而火星車在地上也探測地下水的分布，聯合起來探測。

火星車上還有一臺氣象站，探測記錄火星的氣候變化。

全面探測火星一共有13臺儀器，它們承擔著不同的任務。

這次是中國首次自主的火星探測，再過幾年，至少在2030年以前，中國要著陸在火星上，要在火星上採樣返回。

現在人類還沒有得到任何一塊自己從火星採回來的樣品。

火星上掉下來的石頭，我可以研究出是什麼石頭，有什麼樣的特點，它也許能解答火星的某些科學問題，但是我不知道它是從火星什麼地方掉下來的，所以用處還不是太大。

我們也有一個詳細的計劃，中國還要去探測小行星帶，從小行星取樣返回。

我們還要去探測太陽系最大的那個行星——木星。木星有69個衛星，它的衛星是連軸轉的，我們要探測它一系列的衛星，還要繼續對行星際的穿越探測。

所以在我們首次自主火星探測以後，所有的這些探測計劃都要逐步實現。

中國有能力飛得更遠，我們也應該飛得更遠。我們要探測整個太陽系，我們要向太陽系的星辰大海挺進，這就是我們的目標。

所以我真誠地希望年輕的朋友們，希望你們真正地熱愛科學，了解科學，學習科學，弘揚科學精神，很好地培養自己的科學思維，將來擔當起這種重任，為實現偉大的社會主義強國而奮鬥。

青年朋友們，青少年們，祝福你們以後勇於擔當，完成我們建設「兩個一百年」的夢想，實現我們偉大的強國之夢。

你們一定會實現的！

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