王动 凤凰WEEKLY7年，可以走多远的路？ 迁徙中的北极燕鸥（图片源自@PMATAS，有裁剪） ▼ 生活在极地地区的北极燕鸥 每年都要从北极的繁殖区 飞往南极洲附近的海洋 然后再飞回来产卵 每年飞行里程超过40000公里 7年超过30万公里 北极燕鸥的迁徙路线（图片源自@Andreas Trepte） ▼ 今天我们的主人公 人类历史上最昂贵的“交通工具” 花了7年时间 却只“走”了21公里 平均每年3公里 一天不到10米 而一只蜗牛每小时就可以移动8.5米 这辆比蜗牛还要慢的车 就是“好奇号”火星探测车 而这看似不起眼的21公里 耗费了人类25亿美元 为什么是火星？ 面对头顶的繁星 千百年来 无数人都曾经问过同一个问题 在浩瀚宇宙中 人类是孤独的吗？ 这个问题的答案 很可能就在火星上 夜空中的火星（图片源自@Stuart Atkinson） ▼ 在太阳系内 火星是与地球最为相似的兄弟 直径约为地球的一半 自转周期则与地球相当 有着与地球类似的四季交替 甚至可能有水 自古红蓝出CP ▼ 如果地球外有生命 火星一定是最有可能的地方 如果人类要寻找新的家园 也没有比火星更合适的了 从1897年的《世界之战》算起 人类科幻史上的半壁江山 都在书写这颗红色星球 《世界之战》里 威尔斯书写大战将至的担忧 （十七年后，一战爆发） 《火星编年史》里 布拉德伯里书写冷战时期的彷徨 （该书出版于1950年） 2015年上映的《火星救援》里 则在书写乐观、坚韧与勇气 《火星救援》海报（图片源自@Felix Tindall） ▼ 在漫天的繁星中 没有一颗像火星一样 寄托了深厚的人类情感 这颗火红的星球 过去承载了人类的幻想 将来则要承载人类的野望 自从20世纪60年代 人类真正具备了探测火星的能力后 就开始了疯狂的火星探测之旅 半个多世纪以来 人们进行了56次火星探测 超越了太阳系所有行星 为了前往火星 11个探测器 23个人造卫星 15个着陆器 6个巡视器 先后折戟沉沙 依然前赴后继 我们为什么要去那里？ 在那里我们能发现什么？ 好奇号的7年与21公里 或许能给出一个最好的答案 遥远的回声 在发射前 这辆有史以来最大、最尖端的火星探测车 需要一个新名字 NASA决定向全美中小学生征集 六年级的华裔女生马天琪的“好奇” 雀屏中选 马天琪（Clara Ma） ▼ 马天琪说： “好奇心是一种永恒的火焰， 在每个人心中燃烧” 带着人类的好奇 2011年11月 好奇号从卡纳维拉尔角空军基地飞向太空 火星之旅 并不是“说走就走的旅行” 由于地球和火星都是运动的天体， 火星探测器并非任何时候都可以发射 每隔780天 太阳、地球、火星就会排列成一条直线 称为火星冲 此时是发射火星探测器的好机会 洞察号火星探测车的飞行轨迹 ▼
为了同亿万公里的探测车联系 NASA使用的是名为“深空网络”的通信系统 这套系统由三座设施组成 分别位于美国、西班牙与澳大利亚 深空通信网络（Deep Space Network） ▼
加州戈德斯通深空通信中心 ▼
澳大利亚堪培拉太空中心 ▼
西班牙马德里深空通信中心 ▼
三座设施以120度的间距分布 无论地球自转到哪个角度 都能保证24小时持续通讯 每套观测站包含一组巨型天线阵列 其中最大的天线直径可达70米 位于堪培拉太空中心的70米抛物线天线 ▼
借助这些坐落在地球各个角落的巨型天线 我们得以捕捉到来自遥远星际空间的 微弱信号 正是由于它们 已经在太空中飞行40年的旅行者1号 至今依然没有 “失联” 旅行者号发射40周年纪念海报 ▼
尽管它从220亿公里之外传来的信号 强度只有电子手表的200亿分之一…… 30年前，旅行者2号掠过海王星 ▼
尽管如此 火星与地球之间依然无法“实时通信” 两者之间的平均距离为2.25亿公里 光速单程也要十几分钟
巨大的延迟、狭窄的带宽 加上火星的自转 好奇号有一般时间都在火星背面 与地球根本无法与地球实时沟通 太阳系八大行星 ▼
好奇号和地球之间的通讯和数据传输 依靠的是火星上空的人造卫星： “火星侦察轨道器”（MRO）与 “2001火星奥德赛”（2001 Mars Odyssey） 火星侦查轨道器（MRO） ▼
当两个飞行器掠过好奇号上空时 双方有八分钟的窗口可用于通信 这段时间最多能传输100~250Mbit的数据 这些数据暂存在卫星上 等待与DSN建立联系时 才能发送到地球上
火星，你好 在哪里登陆 是好奇号需要解决的第一个问题 火星上，充满各种复杂的地貌 有太阳系最大、最长的峡谷 “水手峡谷”（Valles Marineris） 长度超过3769公里、最深处7公里 “2001火星奥德赛”拍摄的水手号峡谷 ▼
从太空中看，几乎横跨整个火星的西半球
更有太阳系八大行星中的第一高山 奥林匹斯火山（Olympus Mons） 高于火星基准面21229米 比两个半珠穆朗玛峰还要高 奥林匹斯火山概念图 ▼
有广袤的盆地 最深处低于火星基准面8200米 落差达到9公里 希腊盆地（Hellas Planitia） ▼
以及遍布整个火星的撞击坑 维多利亚撞击坑（Victoria Crater） ▼
维多利亚撞击坑全景 ▼
在火星的南半球 遍布着高低起伏的山脉与峡谷 以及大大小小的陨石坑
地形则相对比较平坦的北半球以及赤道地区 是绝大多数火星探测器的首选 火星上的蓝色沙丘 ▼
在评估了60多个着陆点之后 好奇号选定了盖尔陨石坑（Gale Crater） 科学家认为 这里很可能存在过液态水 好奇号的首要任务 就是寻找水和生命 轨道飞行器拍摄的盖尔陨石坑 ▼
经过253天的飞行 好奇号终于抵达了火星 尽管登陆时间是凌晨1:30 仍然有320万人观看了现场直播 好奇号着陆概念图 ▼
着陆之后 依靠身上的导航相机、避险相机、化学相机…… 等共17个相机 以及一系列精密仪器 好奇号马不停蹄展开了工作 好奇号装备一览 ▼
好奇号的桅杆摄像机 ▼
好奇号的主摄像头 有着200万像素的解析度 10倍光学变焦 以及256MB内存、8GB闪存
这些参数在今天看起来有些平平无奇 但对人类来说 它是亿万公里外的一双眼睛 何况，好奇号研发的2004年 第一代iPhone还没有诞生…… 手持透镜成像仪（MAHLI） ▼
化学成分分析镜头 ▼
α粒子X-射线光谱仪 ▼
样本分析仪（SAM） ▼
辐射评估探测器（RAD） ▼
除了这些先进的设备 好奇号还携带了一枚一美分硬币
这枚林肯诞辰百年纪念币 代表着一个传统 地理学家拍照时 为了保证比例尺的精确 经常会使用硬币来进行校准 这枚纪念币如今仍是可以流通的合法货币 ▼
尽管好奇号拥有更复杂、精密的校准器 NASA仍然决定用这枚硬币 向科学传统表示敬意
按照好奇号25亿美元的总造价换算 这枚硬币所发挥的价值 高达7000万美元 堪称有史以来最昂贵的一分钱
一亿公里外的日日夜夜 火星的自转周期与地球相似 为24小时37分 好奇号拍摄的第一张地球照片 ▼
迄今为止 好奇号已经在火星上度过了2530个昼夜 见证了2000多次日出、日落 在火星的上空，太阳只有地球三分之一大 ▼
由于火星上的大气稀薄 沙尘众多 散射了日光中的红光 红色的火星却有着蓝色的日落 好奇号拍摄的火星日落 ▼
在2000多个日落里 好奇号始终孤身一人 虽然火星地表上先后活跃过众多探测器 但它们从来没有机会相见 火星上运行过的探测车，从左至右依次为凤凰号、海盗一号、火星探路者、机遇号、海盗二号、好奇号、勇气号 ▼
在好奇号登陆火星一周年时 为了庆祝这个银河系最孤独的生日 科学家们编写了一套小程序 使好奇号可以通过震动自己的样本分析仪（SAM） 来为自己演奏一首《生日歌》
虽然《生日歌》的版权属于华纳音乐 但他们管不到火星 装备了17个摄像头的好奇号 最大的爱好是自拍 第一次取样前来一张：
钻孔前来一张：
来到纳米布沙丘（Namib Dune），拍一张：
登山前，在山脚下来一张：
就算沙尘暴来了，也要自拍：
除了自拍之外 好奇号还拍到了许多有趣的“小玩意儿” 一个漂浮的“勺子” ▼
一堆遥远的“篝火”（左上角） ▼
地平线上的一架“飞机” ▼
一根大腿骨 ▼
虽然这些图片令人遐想 不过大多只是岩石的反光、 镜头的眩光 或者岩石阴影而已 唯一一次例外 是好奇号发现了一块疑似塑料碎片
经科学家鉴定 这次真的是人造物 因为 是从好奇号上掉下来的…… 当然，好奇号没有忘记它来到火星上的“正事” 比如打洞、挖土、烧石头 …… 好奇号的钻头 ▼
正在打洞的好奇号 ▼
好奇号的钻洞 ▼
截止目前为止，好奇号已经在火星上钻了21个孔 掌握了大量火星地质的一手信息
好奇号正在挖土 ▼
好奇号上的化学成分分析镜头可以发射激光烧蚀并蒸发岩石 ▼
好奇号发现的赤铁矿 ▼
好奇号发现的鹅卵石，主要成分为硫酸钙、钠和镁 ▼
好奇号发现的陨石，主要成分为镍与铁 ▼
一亿公里的远行，收获与困难同在 在登陆之前 科学家为好奇号设定了四个主要任务 寻找生命 探明火星气候 勘测火星地质 为载人登陆做准备 好奇号留下的车辙印 ▼
好奇号七年的工作 堪称成果斐然 首先 好奇号发现了明确的证据 火星曾经有液态水 好奇号拍摄的流水冲刷地貌 ▼
这张图中砾石呈现出的特征 是典型的流水冲刷的痕迹 科学家甚至可以推测出 水流速度约为每秒1米 水深大概在人的脚踝到臀部之间 轨道飞行器拍摄的疑似“河道”的照片 ▼
借助好奇号的工作 科学家们可以确定 火星的“河道”里的确有过水 经过好奇号几年的“调查走访” 科学家已经基本确认 好奇号的着陆地 曾是一个环境温和的湖泊 鱼鳞状地形，可能是水蚀作用的结果 ▼
沉积岩，典型的水成地貌 ▼
在黄刀湾的古河床附近 好奇号从沉积岩中鉴定出 硫，氮，氢，氧，磷和碳等 支持生命存在的重要元素 黄刀湾（Yellowknife Bay） ▼
更激动人心的是 好奇号在火星上发现了有机物 最值得注意的是甲烷
好奇号不仅检测到 火星大气中有微量的甲烷 还发现了甲烷含量的季节性变化 这表明 火星上很可能有稳定的甲烷源 而在地球上 绝大多数的甲烷是由生物产生的 火星地表甲烷的周期变化 ▼
除此之外 好奇号还发现了噻吩类含硫化合物 芳香族化合物 脂肪族化合物 …… 这些都是维持微生物生存必备的有机物 由于火星大气的总质量只有地球的0.5% 所以火星的地表辐射远高于地球 如果这一数值高到一定程度 就意味着载人登陆计划暂时无法实现 探测火星上的辐射水平 也是好奇号的重要工作
通过好奇号的辐射评估探测装置（RAD） 科学家测算了火星表面的辐射水平 火星表面的辐射 远低于太空背景中的辐射 哈勃望远镜拍摄的火星 ▼
目前的技术条件下 一次载人登陆火星任务 需要花费一年往返 还要在火星上停留一年半左右 等待合适的返回窗口 根据好奇号测算的数据 这样一次火星任务 宇航员将受到的辐射剂量为1.01西弗 而根据欧洲航天局宇航员的的限定 宇航员一生接触到的辐射 不应该超过1西弗 也就是说火星表面的辐射水平 可以支撑人类登陆任务 宇航员巴兹·奥尔德林在月球上 ▼
除此之外 好奇号的成绩还有很多 比如，通过观测火星上的“日食” 科学家们发现 火卫一的轨道与预测相差了40公里 这样宝贵的数据 是地球观测无法得到的 好奇号记录的日食 ▼
在遥远的红色星球 好奇号的生活并不总是岁月静好 火星每年都会发生大型的沙尘暴 覆盖范围相当于地球上的一个大洲 每3-4个火星年 区域性的沙尘暴将升格为全球性的沙尘暴 火星上的尘卷风 ▼ 去年6月 轨道飞行器率先发现了沙尘暴的迹象 不久之后 科学家认定这是一场历史级的沙尘暴 轨道飞行器拍摄的图片显示 风沙几乎覆盖了整个火星
在好奇号的自拍里 飞扬的沙尘已经模糊了地平线上的远景
地面能见度一再降低 几乎伸手不见五指
正是在这场大型风暴里 “好奇号”的伙伴 已经在火星上工作了14年的机遇号 彻底失联
依靠着身上的太阳能板阵列每天供应的140瓦电力 机遇号已经在火星上行走了45公里 超过一个马拉松的距离 然而漫天的沙尘不仅遮蔽了阳光 也覆盖了机遇号的电池板 轨道侦察器依然可以看到机遇号，但我们已经无法与它联系 ▼
尽管开启了“省电模式” 机遇号仍然没有撑过这次考验 还记得好奇号上的一美分硬币吗？ 连它也被厚厚的沙尘覆盖了
好在，好奇号是一台核动力探测器 并不担心动力问题 好奇号携带了4.8公斤二氧化钚（钚-238）核燃料 可以稳定地提供100W的动力 航拍火星沙尘暴 ▼
在漫天的风沙里 好奇号不仅没有休假 反而逆风而行 更加努力地收集数据 涟漪状的火星沙丘 ▼
它担负着一项重要的责任 就是帮科学家解决这个谜题： 为什么火星上会出现周期性的大型沙尘暴？ 如果人类要定居火星 就不可能回避这个问题 对好奇号来说 真正的考验不是细小的沙尘 而是尖利的砾石 早在2014年 好奇号的铝合金轮胎就已经伤痕累累 甚至出现了“爆胎”现象
由于好奇号独自在亿万公里之外工作 没有人能够帮助他进行维修 科学家和工程师们能做的 就是尽量减少磨损的速度 好奇号的车辙印 ▼
通过软件升级升级、调整行驶模式 好奇号今天依然能良好地工作 除了双脚 好奇号的双手——钻头也曾经出过事故 2016年12月 好奇号在执行钻孔任务时 发现脚下的土地可能是曾经是一片湖泊 正准备大干一场时 钻机突然罢工
钻探是好奇号在火星上最基本的工作 不能打洞的好奇号 相当于自废一半武功 一年多以后 NASA的工程师终于找到了解决方案 他们开发了一套复杂的程序 控制机械臂的压力和移动 好奇号的钻机成功“复活” 恢复工作的好奇号 ▼
就连好奇号的“大脑” 也出过不大不小的事故
在挺过去年的沙尘暴之后 好奇号的主计算机却出现了故障 无法存储关键的科学数据和工程数据 好在好奇号还有一台备用计算机 通过远程切换 好奇号由“副驾驶”接管 依然可以正常执行工作
旅程仍在继续 成功度过种种困难的好奇号 就像一个打不死的小强 NASA也信心满满地宣布 无限期延长好奇号服役期限
根据NASA公布的数据 好奇号迄今为止已经工作了2510个火星日 行驶了21.09公里 拍摄了超过60万张照片 从平原到山峰 从沙丘到岩石
位于盖尔陨石坑的纳米布（Namib）沙丘 ▼
好奇号走过的路程 ▼
好奇号七年来的前进线路 ▼
轨道飞行器拍摄到的好奇号（图中银色小点） ▼
尽管好奇号在一天里 只能行进不到100公尺（91米） 整整七年里 活动范围还没有朝阳区大 但不积跬步 无以至千里 好奇号和他的前辈们的每一小步 都是人类太空探测史的一大步 这些星际探索的先驱们不需要被纪念 因为我们迟早会再次相见 2017年 SpaceX创始人马斯克宣布 计划建造大型航天器前往火星 今年四月 NASA宣布 计划在2033年将宇航员送上火星 …… （除特别注明外，本文图片均来自@NASA） 作者丨王动  |
|
|
