中國：我來了！
本文經公眾號“星球研究所”授權轉載
2020年7月23日，海南文昌航天發射場怒火直衝雲霄，光芒劃破長空。
長征五號運載火箭搭載著一位特殊的“探險家”，衝出地球。
中國，向火星進發！
文昌航天發射場天問1號起飛畫面，由攝影師現場傳送，攝影師@陳肖）
200多個地球日後，這位來自中國的“火星探險家”，天問1號，將一口氣完成環繞火星、著陸火星、巡視火星三大任務。
中國人跨越兩千多年的天問，終於有機會找到答案。
天問1號在火星想象圖，“天問”系列名稱取自屈原所作長詩《天問》，圖片源自@央視新聞
此外，在最近的半個月裡，相繼啟航奔赴火星的還有阿聯酋的希望號、美國的毅力號。
2020年火星“艦隊”，製圖@鄭伯容/星球研究所
如果任務全部成功，成功登陸火星的地球機器人將達到10個。
從第一位機器人登陸火星地表，至今已近50年。
只不過，這些機器人有的已經粉身碎骨；有的則深陷沙地，絕望求生；有的雖已飽經風霜，但仍在“堅持戰鬥”。
即便如此，它們仍是現今人類在所有地外行星上最強大的“機器人軍團”。
請橫屏觀看，火星著陸器和火星車分佈圖，製圖@鄭伯容/星球研究所
如果再加上數量眾多的環繞火星飛行的探測器，火星已是“人聲鼎沸”。
（歷史上成功的火星環繞器，如果加上環繞失敗和掠飛的案例，數量多達37個，製圖@鄭伯容/星球研究所）
如此多的機器人前仆後繼、集聚火星，它們是在籌劃一件大事嗎？
01
遙望火星
在肉眼觀星的時代，地球的夜空中總會有一顆星星呈現出比周圍星辰更加顯著的紅色。
中國古人稱其“熒熒如火”。
這便是火星。
中間偏左下的紅色亮星為火星，中間偏右上的藍色亮星為織女星，攝影師@戴建峰
火星的目視亮度經常發生變化、忽明忽暗，更為詭異的是，它還會在夜空中突然逆行（Retrograde），令人難以捉摸。
火星也因此得名“熒惑”。
如果逆行發生在心宿（天蠍座），占星術士們稱之為“熒惑守心”，意味著皇帝駕崩或者宰相失位，為大凶之兆。
2018年4月-11月發生的火星逆行軌跡，攝影師@Tunc Tezel
當天文學步入哥白尼時代，人們逐漸瞭解太陽系的組成，火星原來是離太陽第四近的行星，位於地球與木星之間。
火星在太陽系中的位置示意圖，行星間相對距離有所調整，標註@鄭伯容/星球研究所
到了望遠鏡時代，1877年，意大利天文學家斯基亞帕雷利（Giovanni Schiaparelli）發現火星地表有許多線條狀的地貌，他稱這些線條為“溝渠”。
但是狂熱的大眾更願意相信，這些線條正是外星智慧生命開鑿出的運河。
延續100餘年的“火星人”幻想，就此拉開帷幕。
1996年蒂姆·波頓執導的電影《火星人玩轉地球》劇照
而到了航天時代，從1960年起，人類的探測器開始在數千或上萬千米處抵近觀察。
一個更加真實的火星，展現在世人面前。
它擁有太陽系最大最長的峽谷之一，水手峽谷（Valles Marineris）。長約4000千米，深達7千米，橫跨大半個火星，如同被上帝之劍砍削而成。
由美國的海盜1號拍攝的水手峽谷，圖片顏色有作處理，圖片源自@NASA
它擁有太陽系最高的山峰，奧林帕斯火山（Olympus Mons）。高度超過2萬米，是珠峰海拔的2.5倍。
奧林帕斯火山，由火星環球勘測者號測繪的假色地形圖，火星沒有海拔的概念，山峰高度根據人為設定的基準面計算，圖片源自@NASA
更令人興奮的是，它還擁有寬闊蜿蜒的河床，流水曾在此奔騰而去。
歐空局火星快車號拍攝的赫伯斯峽谷Hebes Chasm，這裡被認為是流水侵蝕而成，圖片源自@ESA/DLR/FU
這意味著看似荒蕪的火星，曾經有過溼潤的時光。
人們禁不住好奇，這些水流是否也曾經孕育出欣欣向榮的生命？
海盜1號拍攝的形似人臉的火星丘陵，曾被誤傳為火星人的形象，實際是光影造成的錯視，圖片源自@NASA
一塊在地球上偶然發現的火星隕石，更是將人們對於火星生命的幻想推向了高潮。
這塊隕石上類似細菌的棒狀結構，極有可能是36億年前火星上的生命遺存。
ALH84001隕石上的結構，被懷疑是微生物活動形成，圖片源自@NASA
與地球極為相似的火星直徑約為地球的一半，自轉軸傾角、自轉週期也與地球相當，差不多的日長、規律的四季交替，不由得讓人們遐想：如果太陽系存在地外生命，火星極有可能是其中之一。
地球與火星大小比較，製圖@鄭伯容/星球研究所
但是，想要發現火星生命，僅僅在地球上大海撈針撿拾隕石或者遠遠地圍繞著火星拍照都是不夠的。
我們必須拿到最直接的證據，最好的辦法就是登陸火星。
02
出發，火星！
1969年7月20日，宇航員阿姆斯特朗邁出了他的一小步。
人類僅僅用了4天時間便從地球登上了約40萬千米外的月球。
人類第一次登上月球留下的腳印，圖片源自@NASA
然而火星遠比月球更加遙遠。最近端相距約5600萬千米，是地月距離的140倍；最遠端更是高達4億千米，是地月距離的1000倍。
如此巨大的距離變化，造成地球夜空中火星亮度差異顯著。距離近則又大又亮，距離遠則又小又暗。
地球、火星公轉與距離關係示意，以及火星觀測大小變化示意，製圖@鄭伯容/星球研究所
同樣也是因為這種距離變化，會讓火星“看起來”突然逆行。
太陽系其它行星也會產生逆行，火星的逆行最明顯，製圖@鄭伯容/星球研究所
在實際航行中，人類還沒有任何一個推進系統可以強大到直接沿著火星與地球的最短距離行駛。
我們必須沿著一條橢圓形的軌道，藉助地球的公轉速度，以最少的燃料損耗將飛船“甩”到火星，這便是著名的霍曼轉移軌道。
霍曼轉移軌道，由德國數學家沃爾特·霍曼發現並命名；地球到火星的轉移軌道每隔約27個月才有1-2個月的發射窗口期，今年恰好是7-8月，製圖@鄭伯容/星球研究所
而通過霍曼轉移軌道去往火星，僅單程最少需要約7個月，這可比登月的4天長太多了。
以20世紀人類尚顯稚嫩的航天技術，蘇聯和美國都不約而同地選擇了機器人。
1971年5月19日、28日，蘇聯接連發射兩艘去往火星的探測器——火星2號（Mars 2）、火星3號（Mars 3），分別攜帶著陸器。
火星3號探測器，上方為著陸器，圖片源自@NASA
以及兩輛只有4.5千克的機器人Prop-M火星車。如果著陸成功，它將成為漫遊火星的第一“人”。
Prop-M火星車的雙腿由兩個滑板構成，可以通過無線電信號遠程操控，正前方的金屬條可以探測障礙物，圖片源自@NASA
1971年11月27日，在經歷半年多的星際航行後，火星2號成功進入火星軌道。
但不幸的是，此時的火星上，一場行星級的沙塵暴正在肆虐。風速高達26米/秒，火星2號著陸器以每秒6千米的速度一頭扎入風暴中。
它是第一個到達火星地表的人造物，雖然是以粉身碎骨的方式。
2001年一場全球性的火星沙塵暴前後對比，整個星球都被蒙上一層“沙霧”，由哈勃望遠鏡拍攝，圖片源自@NASA
火星3號的情況也不樂觀。
1971年12月2日，它成功在火星實現軟著陸。十幾秒後，沙塵暴便摧毀了它的通訊系統，從此與地球失去聯繫，任務失敗。
然而就在這十幾秒中，它向地球傳回了來自火星地表的第一張照片，照片中似乎是火星的地表與天空，但沒有任何東西可以清楚辨認。
圖片源自@Soviet Academy of Sciences
人類早期登陸火星地表的任務幾乎全軍覆沒，但失敗的陰霾並沒有澆滅科學家對於火星的熱情，反而激勵著、鼓舞著他們攻克一個又一個科學難題。
1975年8月20日、9月9日，美國的兩艘探測器海盜1號（Viking 1）、海盜2號（Viking 2）滿載著各種儀器向火星再次進發。
海盜號探測器，上方為著陸器，圖片源自@NASA
10個月後，海盜1號著陸器開始進入火星大氣層，地球上的NASA噴氣推進實驗室裡一片焦灼，沒有人知道它的命運如何。
20多分鐘後，一張高清照片被傳至科學家面前。海盜1號“惡作劇”般地對著自己的腳墊區域來了一張局部“自拍”，自拍顯示它已經安全抵達且成像系統工作良好。
原圖為寬幅照片，下圖有做裁剪，圖片源自@NASA
隨後越來越多的圖像數據以光速飛向地球，伴隨著地球人的興奮、喜悅、驚訝，火星地表的真實面貌被展現出來。
這是一個空曠、貧瘠、亂石遍佈的世界，富含鐵元素的土壤因為氧化而顯得一片橙紅，連天空也被浮塵渲染，這就是地球人仰望了成千上萬年的紅色星球——火星。
海盜1號拍攝的火星地表的第一張彩色照片，圖片源自@NASA
海盜1號著陸之後便開始分析火星的土壤，竟然真的檢測到了疑似生命活動的跡象！
但隨後的分析又表明，火星土壤中並沒有任何有機物。
矛盾，太矛盾了。
海盜1號採樣後在土壤中留下的溝槽，圖片源自@NASA
與此同時，已安全著陸的海盜2號也得到了同樣的矛盾結果，對火星生命的勘察陷入困局。
海盜2號工作的烏托邦平原Utopia Planitia，圖片源自@NASA
之後海盜1號、2號著陸器則繼續其他方面的研究，直到1980年4月11日，2號著陸器因電池故障失聯。
1982年11月13日一次軟件更新錯誤，，讓1號著陸器也陷入了沉寂。彼時的它已經工作超過六年。
在很長一段時間內，它都是火星地表存活最久的機器人。這一紀錄直到約30年後才被一位新的巡遊者打破。
海盜1號著陸器拍攝的火星日落，圖片源自@NASA/Roe van der Hoorn
03
火星巡遊
1997年7月，一艘全新的探測器登陸火星，火星探路者號（MESUR Pathfinder）。
這是一次新技術的全面預演，大型安全氣囊被應用於著陸過程。
之後勇氣號與機遇號也採用了相同的著陸方式，影片《Roving Mars》模擬了全過程，以下同
氣囊以14米/秒的速度撞擊火星地表，第一次反彈高達15.7米，持續彈跳至少15次。
圖片源自@《Roving Mars》
當彈跳停止，安全氣囊排出氣體。
圖片源自@《Roving Mars》
再像蓮花瓣一樣打開，著陸器躍然而出。整個過程在數分鐘內一氣呵成，完美。
圖片源自@《Roving Mars》
人類的火星車機器人也在此次登陸中首次成功釋放，旅居者號（Sojourner）。
擁有自主式導航系統的它能靈活爬過岩石。相比於之前固定不動的著陸器，它更像是一個活蹦亂跳的“地質學家”，可以四處漫遊尋找有價值的圓卵石和礫岩，後兩者都與水源密切相關。
正在勘測岩石的旅居者號，圖片源自@NASA
探路者號著陸器工作了83個火星日之後通訊中斷，旅居者號火星車也失去聯繫。如果它沒有損壞，想必還在執行人類提前預設的巡遊任務，東看西逛。
由探路者號拍攝，旅居者號正在勘測岩石，圖片源自@NASA
旅居者號火星車的成功為更強更大的火星車鋪平了道路。2004年1月3日、25日
人類的火星探測史上最著名的機器人雙雄出場了，勇氣號（Spirit）、機遇號（Opportunity）在大型安全氣囊的保護下相繼成功登陸火星。
模擬圖，圖片源自@《Roving Mars》
這是兩部雙胞胎火星車，每輛重達180千克，高1.5米、長1.6米、寬2.3米。攜帶全景相機、導航相機以及用於分析岩石、土壤的各種儀器，依靠太陽能電力，火星車可以每小時180米的速度行駛。
勇氣號/機遇號在火星上的想象圖，圖片源自@NASA
2004年3月，科學家宣佈機遇號在岩石中發現液態水存在的證據，數天後，勇氣號發現了鹽層，極有可能是一條古湖岸線的遺蹟。
火星上的著名岩石阿迪朗達克Adirondack，勇氣號的研究對象之一，圖片源自@NASA
兩輛火星車的設計任務時間都只有90個火星日，而實際上它們的工作時長超過6年。
它們曾拍攝下遼闊的火星地表全景。
請橫屏觀看，機遇號拍攝的火星毅力谷Perseverance Valley全景，最右側可見火星車的車跡，圖片源自@NASA
也曾沐浴太陽的溫暖。
火星著陸器在火星上想象圖，火星上的平均溫度在-60°C左右，圖片源自@NASA/James Gitlin
也曾目睹火星“月亮”的升落交替。
勇氣號拍攝的火星衛星運動，左為火衛二，右為火衛一，圖片源自@NASA
也曾回望遙遠的地球。
勇氣號拍攝的火星星空中的地球，這是從月球以外的行星表面拍攝的第一幅地球圖像，圖片源自@NASA）
很快它們便迎來了新的夥伴。2008年5月25日，鳳凰號著陸器（Phoenix）登陸火星，並接連發現水冰、火星降雪。
鳳凰號著陸過程最後一步的想象圖，當著陸器距離地面570米時，反推發動機啟動，避免與地面相撞，圖片源自@NASA
2012年8月5日，歷史上耗資最貴的火星探測項目，火星科學實驗室（Mars Science Laboratory）將一輛巨大的火星車好奇號（Curiosity）送上了火星。
三代火星車大小比較，左為勇氣號/機遇號，下為旅居者號，右為好奇號，圖片源自@NASA
因為體型過大安全氣囊無法承載，好奇號的著陸方式再次革新。一架天空起重機（Sky Crane Maneuver）將它懸吊起來、緩緩下降。
模擬圖，圖片源自@NASA
好奇號甫一落地，夾鉗即剪斷繫繩，天空起重機隨即飛走。
模擬圖，圖片源自@NASA
現在，遼闊的火星荒原都交給了人類蓬勃跳動的好奇心。
圖片源自@NASA
它不需要食物、不需要水、也從不感到孤單，甚至非常善於自拍。
好奇號自拍照，有意思的是，NASA在發佈這張照片時把它的“自拍杆”變沒了，圖片源自@NASA
2013年9月26日，好奇號發現火星土壤中的水分高達1.5-3%，完全可以滿足未來人類移民的需要。
2014年12月16日，NASA宣佈好奇號在火星岩石中發現了有機物。這些都讓許多人相信我們正在接近火星生命的真相。
好奇號在岩石上取樣後留下的洞，圖片源自@NASA
正當人類一步步揭開火星生命神秘面紗的同時，火星上的機器人軍團卻在逐漸“老”去。
2009年5月，奔波了5年多的勇氣號深陷沙地、無法移動，但它仍然通過對車輪攪出的泥土進行分析再次發現火星上曾存在水的證據。
2010年3月，勇氣號用盡了最後的勇氣頑強地走過了一生的最後旅程。
勇氣號陷入沙地的想象圖，圖片源自@《Death of a Mars Rover》
它的雙胞胎兄弟機遇號卻格外走運。一場風暴恰好吹淨了太陽能電池板上沾滿的塵土，它煥然一新、電力充沛，繼續下深坑、爬高山、越沙丘、穿平原，四處敲敲打打。
被塵土覆蓋的勇氣號太陽能電池板，機遇號的情況類似，圖片源自@NASA
從少年英姿到老驥伏櫪，好運一直伴隨著機遇號。截至2018年5月8日，它的行駛總里程已達45.16千米，創造了地球外無人探測車的最長移動里程。
正當人們對機遇號抱有更大的期待時，機遇號卻意外失聯了。
2018年7月，“地球呼叫機遇號，聽到請回答！”
2018年10月，“地球呼叫機遇號，聽到請回答？”
2019年2月，“地球呼叫機遇號，聽到請回答...”
好運這次沒能眷顧機遇號，在火星上“存活”了14年的它，容顏被風沙掩埋，身軀在異星消散。
機遇號火星“馬拉松”旅程示意圖，製圖@鄭伯容/星球研究所
就這樣，人類的火星探索從美蘇爭霸到美國獨領風騷再到歐空局、俄羅斯以及印度一一加入。
當時間來到2020年，終於該輪到中國開啟自主探索火星的旅程了。
04
中國來了
近50年的火星地表勘測，成功完成任務的機器人僅僅只有8位。
巧合的是，它們都來自美國，都使用著英文問候這片土地。
而在2021年，火星上的機器人軍團將迎來一個會說中文的新夥伴——天問1號。
天問1號著陸器與火星車分離動畫想象圖，圖片來源@央視新聞
但想要用中文向火星問好又談何容易？
美國與蘇聯經過無數次的嘗試，從掠飛到環繞，從著陸到巡視，一步一步才踏上火星，耗時36年。
1960-1996年期間發射的火星探測器失敗合集，雖然其中有成功的案例，但直到火星探路者登陸火星，才開啟了火星的巡遊時代，製圖@鄭伯容/星球研究所
中國的首次自主火星探測更是要通過一次發射，實現環繞、著陸、巡視三大目標。
美蘇用了36年摸索出的道路，中國要一步走完，如若成功，世界首次。
看似天方夜譚的目標背後，是中國航天幾十年的辛勤耕耘。從火箭運載能力的提升到探月工程的經驗積累，從遍佈全球的測控網絡到3000多個日夜反覆驗證，讓這看似不可能完成的任務都多增添一份可能。
位於北京密雲的國家天文臺射電觀測站，負責航天任務進行實時觀測，攝影師@李睿
此外，天問1號的設計師還精心設計了地-空結合的立體探測模式，即太空一個環繞器地表一個火星車相互結合、互相驗證，對火星的磁場、電離層、大氣層、地形地貌、地下結構實現全方位的立體化探測。
天問1號地-空立體探測地下含水層原理示意圖，製圖@王申雯/星球研究所
兩千多年前，我國著名大詩人屈原抬頭仰望滿天繁星不由得發出了疑問“這天上的星星到底是怎麼排列的？”
這便是《天問》詩篇裡的“列星安陳？”
這跨越了兩千多年的天問，今天的我們終於有能力去火星尋找第一個答案。
明年，我們想要聽到那句熟悉的、安心的、有力的從那遙遠火星傳來的“我已著陸，狀態良好”。
預祝天問1號取得圓滿成功！
創作團隊
編輯：黃超
圖片：林子軒&餘寬
設計：鄭伯容&王申雯
審校：雲舞空城&王哈勃
封面素材來源：央視新聞&NASA
【主要參考文獻】
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星球研究所
一群國家地理控，專注於探索極致世界
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