北京時(shí)間2018年11月27日凌晨3點(diǎn)56分，美國(guó)宇航局(NASA)“洞察”號(hào)探測(cè)器在火星軟著陸成功。在此之前，“洞察”號(hào)已經(jīng)在太空飛行了半年多，行程超過4.84億公里，這個(gè)路程即便讓宇宙中速度最快的光去跑，也要27分鐘。

“洞察”號(hào)降落到火星什么地方?

洞察號(hào)采用減速傘和反推發(fā)動(dòng)機(jī)的方式降落在火星表面，這與此前鳳凰號(hào)火星探測(cè)器一樣。

由于“洞察”號(hào)是考察火星全球物理狀態(tài)的探測(cè)器，因此與以往的探測(cè)器選址的思路是不同的，只需考慮有利于探測(cè)器工作的區(qū)域即可。

首先，要保證降落區(qū)域有充足的陽光照射，這樣才能有充足的電能驅(qū)動(dòng)探測(cè)儀器，其次要保證降落區(qū)域地形足夠平坦和地層相對(duì)疏松。經(jīng)過4年多的考察后，科學(xué)家篩選出4個(gè)降落備選區(qū)域，這些區(qū)域都位于火星北緯3度到5度之間的赤道附近。

2017年3月，來自噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家宣布，“洞察”號(hào)最終選定的降落地點(diǎn)位于火星西埃律西昂平原(Elysium Planitia)，北緯4.5度東經(jīng)135.9度，距離“好奇”號(hào)火星車以北600公里。

“洞察”號(hào)去火星干啥?

迄今為止，人類向火星發(fā)射的大大小小的探測(cè)器加起來超過40多顆，火星可以說是太陽系內(nèi)除了地球之外，人類最了解的星球，當(dāng)然還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。之前所有的探測(cè)器都是對(duì)火星的地表、大氣和磁場(chǎng)進(jìn)行研究。例如，著名的“好奇”號(hào)火星車主要對(duì)火星的表面地質(zhì)情況和物質(zhì)化學(xué)成分進(jìn)行分析，而“洞察”號(hào)是首顆探測(cè)火星內(nèi)部的探測(cè)器，目的是了解火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的全貌。

“洞察”號(hào)攜帶的三大件儀器

“洞察”號(hào)著陸后，將在火星表面放置一臺(tái)火震儀;一個(gè)能打入火星內(nèi)部5米深的熱流探頭;一個(gè)利用無線電通信測(cè)量火星自轉(zhuǎn)軸晃動(dòng)情況的裝置。這三大件儀器用來研究火星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，填補(bǔ)火星物理空白，更好地了解巖石行星是如何誕生。如果說“好奇”號(hào)火星車是地質(zhì)學(xué)家和化學(xué)家的化身，那么“洞察”號(hào)就是研究火星全局結(jié)構(gòu)的物理學(xué)家。

火震儀

日常生活中，大家在挑選西瓜的時(shí)候都習(xí)慣性地拍一拍，聽聽聲音來判斷品質(zhì)。同理，由于大地對(duì)光是不透明的，要想得知地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)最常見的設(shè)備就是能測(cè)量大地震動(dòng)的地震儀了。同樣，地震儀在火星也能使用，在火星上的就叫火震儀吧。“洞察”號(hào)攜帶的火震儀可以測(cè)量由于火星本身以及隕石撞擊火星產(chǎn)生的震動(dòng)，通過對(duì)這些震動(dòng)的測(cè)量，就能推算出火星的內(nèi)部狀況。

火震儀是由法國(guó)空間局主導(dǎo)，多國(guó)參與制造的設(shè)備，它能探測(cè)到低頻的火星大氣波動(dòng)、火衛(wèi)一對(duì)火星產(chǎn)生的潮汐漲落信號(hào)，以及高頻的火星震動(dòng)信號(hào)。

熱流探頭

日常生活中，當(dāng)我們發(fā)燒的時(shí)候會(huì)用體溫度測(cè)量體溫，同理，熱流探頭就是測(cè)量火星體溫的溫度計(jì)，用來測(cè)量火星內(nèi)部的熱量散失情況，研究火星內(nèi)部的熱狀態(tài)以及隨時(shí)間演變的情況。熱流探頭通過電纜和數(shù)據(jù)線與“洞察”號(hào)相連，把信息實(shí)時(shí)傳回計(jì)算機(jī)處理。

熱流探頭是由德國(guó)提供并制造，是一種能自我驅(qū)動(dòng)鉆入大地的探針，本次在火星上預(yù)設(shè)的深度是5米，大致相當(dāng)于小汽車的長(zhǎng)度。

旋轉(zhuǎn)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)裝置

還是用日常生活中的例子作比喻，大家都有在不打碎雞蛋的前提下區(qū)分生熟的經(jīng)驗(yàn)，那就是把它們旋轉(zhuǎn)起來，生雞蛋通常轉(zhuǎn)動(dòng)幾下就停止了，而熟雞蛋卻能轉(zhuǎn)個(gè)不停，這就是由于雞蛋內(nèi)部的物理狀態(tài)不同所致。道理類似，這套裝置也是通過測(cè)量火星晃動(dòng)情況來判定內(nèi)部物理狀態(tài)的。

地球、火星和月球內(nèi)部的層狀結(jié)構(gòu)(示意圖)

該裝置由美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)牽頭研制，利用洞察號(hào)X波段信號(hào)的多普勒效應(yīng)，精細(xì)測(cè)量火星自轉(zhuǎn)軸的晃動(dòng)情況，然后反推火星的內(nèi)部物理狀態(tài)。X波段的信號(hào)能把火星晃動(dòng)信息精確到2厘米之內(nèi)。

此前，“海盜”號(hào)探測(cè)器和“火星探路者”探測(cè)器也做過類似的實(shí)驗(yàn)，但精度不是太高，只能估算出火星內(nèi)核的大小。一旦“洞察”號(hào)把火星自轉(zhuǎn)軸的自轉(zhuǎn)、進(jìn)動(dòng)和章動(dòng)等晃動(dòng)信息傳回地球，科學(xué)家就可以更精確計(jì)算出火星地核和地幔的大小。這有助于我們了解太陽系內(nèi)類地行星、以及太陽系外類地巖石行星的形成。

“240萬人”一起飛火星

參與人數(shù)最多的前10個(gè)國(guó)家：分別是美國(guó)、中國(guó)、印度、英國(guó)、土耳其、意大利、德國(guó)、俄羅斯、加拿大和巴西。

雖然我們恐怕一輩子都無法去火星旅游，但“洞察”號(hào)給過大家一個(gè)親密接觸火星的機(jī)會(huì)。在發(fā)射前通過網(wǎng)絡(luò)從世界各地收集到了包括本文作者在內(nèi)的240多萬人的名字(中國(guó)有26萬人參與)，然后刻在硅質(zhì)薄片上，準(zhǔn)備一起飛往火星。雖然這不是航天界第一次這么玩兒，但確實(shí)最火爆的一次，是大名鼎鼎的“好奇”號(hào)火星車收集到姓名的兩倍。

這就是第一枚刻著眾多人姓名的硅質(zhì)薄片，后來又增加了一枚。

其實(shí)，第一次征集早在2015年的8月就開始了，22天內(nèi)一共征集到了826923個(gè)名字。NASA工程師利用電子束在硅質(zhì)微薄片上寫下了所有人的名字，薄片只有0.8平方厘米，字母的寬度僅為頭發(fā)絲寬度的千分之一。

這是三年前本文作者上傳姓名成功后，NASA返回的電子證書。當(dāng)時(shí)計(jì)劃的發(fā)射日期還是2016年3月4日。

當(dāng)時(shí)的“洞察”號(hào)預(yù)計(jì)是2016年發(fā)射，但由于法國(guó)提供的火震儀臨時(shí)出了問題，任務(wù)被迫延期。由于火星發(fā)射窗口每26個(gè)月才有一次，在窗口期內(nèi)發(fā)射探測(cè)器最節(jié)省燃料。因此“洞察”號(hào)發(fā)射就延遲到了2018年5月5日。多出來的兩年時(shí)間又啟動(dòng)了第二輪的名字征集，又增加了一枚硅質(zhì)薄片，最終一共收集到2429807個(gè)名字。這些名字最終和“洞察”號(hào)一起，永久留存在火星上，成為大家在火星上的留念。

“洞察”號(hào)的兩個(gè)小伙伴

兩顆立方體小衛(wèi)星實(shí)時(shí)把洞察號(hào)降落的信息傳回地球。

跟隨“洞察”號(hào)一同前往火星的不僅僅是240萬地球人的名字，還有兩顆立方體小衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星的大小均為6U(30厘米× 20 厘米 × 10 厘米)。這兩顆小衛(wèi)星被稱為“火星立方體一號(hào)”(Mars Cube One)，用于驗(yàn)證立方體小衛(wèi)星在深空的導(dǎo)航和持久能力，還能實(shí)時(shí)把“洞察”號(hào)降落火星過程中的信號(hào)接力傳回地球。值得一提的是，由于沒有動(dòng)力剎車，這兩顆小家伙并不會(huì)進(jìn)入火星軌道，而是飛掠火星后繼續(xù)在太陽系內(nèi)漂泊。

推遲兩年發(fā)射成本飆升

“洞察”號(hào)隸屬于NASA“發(fā)現(xiàn)”工程項(xiàng)目，該工程希望利用較小的投資獲得新發(fā)現(xiàn)。每個(gè)項(xiàng)目預(yù)算不超過4.5億美元。相比之下，像“好奇”號(hào)這樣隸屬于“旗艦”項(xiàng)目的工程，耗資達(dá)25億美元，卡西尼-惠更斯探測(cè)器則花了39億美元。

洞察號(hào)升空前在潔凈實(shí)驗(yàn)室接受工程師的檢測(cè)(左)，樣子看起來和此前的“鳳凰”火星探測(cè)器(右)幾乎一樣。可見兩個(gè)可折疊的太陽能電池板非常巨大。在地球上能產(chǎn)生1800瓦的電功率，然而到火星之后，由于光照強(qiáng)度降低，只能產(chǎn)生600瓦的電功率。

“洞察”號(hào)的平臺(tái)設(shè)計(jì)直接效仿了此前在火星極地著落的“鳳凰”探測(cè)器，這樣既可以降低成本，又能使用已被驗(yàn)證過的技術(shù)，保證可靠性。

“洞察”號(hào)原本2016年3月發(fā)射，但在快發(fā)射的時(shí)候，由法國(guó)設(shè)計(jì)和制造的火震儀出現(xiàn)故障，不得不延期發(fā)射，前文我們也提到，由于飛火星的最佳窗口每26個(gè)月才有一次，這一推遲就是兩年多，這中間又多花很多錢。實(shí)際上，到發(fā)射的時(shí)候耗資已經(jīng)攀升至8.3億美元。

屬于“發(fā)現(xiàn)”項(xiàng)目工程的還有撞擊彗星的“深度撞擊”(DEEP IMPACT)探測(cè)器、探測(cè)灶神星和谷神星的“黎明”(DAWN)號(hào)探測(cè)器、探測(cè)水星的“信使”號(hào)(MESSENGER)，以及大名鼎鼎的尋找系外行星的“開普勒”(KEPLER)望遠(yuǎn)鏡等等，從結(jié)果來看，該工程項(xiàng)目的系列探測(cè)器性價(jià)比還是挺高的。

本次探測(cè)火星的意義什么?

地球和火星的大小比較

火星是太陽系內(nèi)八大行星之一，在太陽系內(nèi)三顆類地行星當(dāng)中，火星的環(huán)境與地球最為接近。水星和金星溫度太高，人類沒法登陸?；鹦怯邢”〉拇髿鈱樱瑲鈮簽榈厍虻?%，局部最高溫度甚至可達(dá)35攝氏度，當(dāng)然平均溫度還是比較低的，只有零下63攝氏度。

因此，在未來如果進(jìn)行星際移民，火星肯定是首選?？萍伎袢笋R斯克的夢(mèng)想就是，在可見的未來把人類送上火星，并在那里建立殖民地。

“洞察”號(hào)探測(cè)火星的目的與此前40多顆火星探測(cè)器不盡相同，這次最主要目的就是通過摸清楚火星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及熱狀態(tài)，推算太陽系內(nèi)類地行星的演化規(guī)律，甚至太陽系外類地行星的演化過程。