23日12時41分，中國首個火星探測器“天問一號”搭乘長征五號遙四運載火箭，在中國海南文昌航天發射場發射升空。作為國首次執行火星探測任務，“天問一號”的任務目標是通過一次發射，實現火星環繞、著陸和巡視探測，獲取火星探測科學數據。根據計劃，經過約200天的飛行後，探測器將抵達火星軌道，於2021年2月11-24日環繞火星運行，並於2021年4月23日降落一臺火星車到火星表面，進行時長90個火星日的探索工作。
通常來說，火星探測有三種方式：在軌道上繞火星飛行進行較遠距離探測的環繞器，降落到火星表面，原地進行探測和實驗的著陸器，以及能在火星上運動的巡視器（火星車）。而我國計劃在首次火星探測項目中一次性實現“繞”、“落”、“巡”三大任務，這在世界航天史上還沒有過先例。
在此次火星探測任務中，“天問一號”將完成哪些任務？有望在哪些領域為我們帶來全新的發現？目前我們對火星的瞭解又到了什麼程度？在“天問一號”抵達火星之前，先來了解一些基本信息吧。
“天問一號”的多項任務
火星是太陽系中與地球環境最為相似的行星，瞭解火星對研究地球早期歷史和生命起源有著重要價值，也對人類拓展生存空間具有重要意義。如果“天問一號”探測任務成功完成，將為我們提供關於火星的大量全新信息。
例如，為了繪製火星的地質結構圖，環繞器和火星車都配備了探地雷達。環繞器上的雷達可以“看透”幾千米深的地層，而火星車上的雷達雖然看不到這麼深，但分辨率卻能達到釐米級。這或許能幫助我們
瞭解火星地表以下的水冰分佈。而“天問一號”另一項激動人心的任務，是探測火星的磁場。目前有理論認為，火星曾擁有和地球類似的磁場。然而隨著火星內核中熔融的鐵逐漸冷卻，它的磁場也逐漸減弱甚至消失。失去了地磁場的火星被暴露於太陽風和輻射下，並導致其失去了地表水和大氣。火星的磁場究竟發生過怎樣的變化？“天問一號”環繞器與火星車將為我們提供更多的證據。
除此之外，環繞器和火星車還將搭載礦物光譜儀、高能粒子分析儀、激光擊穿光譜儀等多種儀器。這些設備將幫助遠在地球的科學家研究火星岩石、土壤和大氣的成分，更好地瞭解火星環境。
“天問一號”火星車的設計壽命為90個火星日（一火星日約為24小時40分鐘）。這將成為中國航天者向太空發問的第一步，也是中國航天走向深空的里程碑。
“天問一號”著陸器及巡視器（圖片來源：CNSA）
關於火星，我們瞭解多少？
近些年來，一些歐美國家的火星探測器取得了一些重要的發現，也提出了更多關於火星的疑問。我們期待著，即將抵達火星的“天問一號”將揭開其中部分問題的真相。
火星上有生命嗎
火星上存在生命嗎？如果說目前火星嚴酷的條件似乎難以支持生命活動，但多項研究已經證實，早期的火星曾有大量液態水，甚至10億年前火星表面可能仍有河流，那麼火星上曾經有過生命嗎？對此，科學界目前還沒有明確的答案。不過，在近期的研究中，“好奇”號還是發現了一些可能與生命有關的跡象。
2018年，“好奇”號的兩項研究同時登上《科學》雜誌。其中一篇，“好奇”號在火星地表具有30億年曆史的沉積岩中，發現了一些穩定的有機分子。這些有機分子包含碳元素和氫元素，同時可能含有氧、氮等其他元素。不過，有機分子雖然與生命聯繫緊密，但它們也可能由非生物反應過程產生，因此不能作為證實火星生命的確鑿證據。另一篇論文則是發現了火星大氣中甲烷含量的週期性變化。同樣，這些信號可能來自生物反應，但更大的可能性是水和岩石的化學反應。因此，火星生命的答案，仍需等待今後的火星車探測。
火星上有多少水
火星生命的疑問懸而未決，但作為維繫生命的基本元素——液態水，已經有了初步的答案。在2018年，《科學》雜誌的一篇論文給出了火星存在液態湖泊的證據。利用歐洲航天局“火星快車”號探測器搭載的MARSIS雷達系統，意大利科學家在火星南極1.5千米厚的冰蓋下首次發現大面積液態水。這是一片至少有數米深、直徑約20千米的湖泊。儘管高鹽度讓這個直徑達20千米的湖泊很難成為常見生命的搖籃，但研究人員認為，在火星的其他區域，還有可能存在更多地下液態水。這項研究也為進一步的火星生命搜尋提供了線索。
來源：歐洲航天局
除此之外，火星勘測軌道飛行器（MRO）也在更早的時候也通過高分辨率的拍攝，觀測到了火星溫暖的陡坡上的深色條紋（季節性斜坡線），研究人員認為這種特徵性的圖案是鹽水流過的證據，這樣的條件也為微生物的生存提供了可能。不過這項證據仍有爭議，2017年也有研究提出了不同的觀點：季節性斜坡線可能只是火星流沙的產物。
火星的大氣去哪了
早期的火星曾是一顆有著廣闊海洋和濃厚大氣層的溫潤星球，但在漫長的演化過程中，火星的大氣層幾乎消失，失去大氣層保護的火星也變得乾燥、嚴寒。那麼，火星的大氣究竟去哪了？
2013年，NASA發射了火星大氣與揮發物演化任務（MAVEN）探測器。MAVEN探測器通過對火星大氣與磁場的探測，發現了一些線索。研究發現，火星大氣正以兩種主要途徑向太空逃逸。一種是離子逃逸，即太陽風吹向火星大氣時，其中的帶電粒子與大氣中的分子碰撞，使得氣體分子丟失電子，在太陽風帶來的電場加速作用下逃逸。另一種逃逸方式是噴濺逃逸：在太陽風中高能粒子的撞擊下，高層大氣中的氣體分子四處飛濺，其中一部分在這一過程中獲取了足夠的動能，逃脫火星的束縛。在太陽的生命早期，太陽風暴的頻率和強度都遠高於現在，星較弱的磁場也不足以對大氣層構成有效保護。因此在兩種機制的共同作用下，火星的海洋與大氣層消失了。
火星上的“地震”活動是什麼樣的
圖片來源：NASA/JPL-Caltech
如果說之前的一系列探測器讓我們瞭解了火星大氣層、地表的一系列信息，那麼2018年登陸的“洞察”號火星探測器則是首次窺視火星的內部結構。2019年4月，“洞察”號首次監測到了一次“很可能是火星震的活動”。如果得到證實，這將是人類首次觀測到火星震。而截至2019年10月，“洞察”號已經捕捉到超過100次震動，其中21次極可能是“火星震”。目前，NASA科學家正在分析震動的原因。基於“洞察”號的這些研究不僅開啟了“火星震學”這個全新的領域，還將幫忙我們重新認識火星的形成與演化。
“天問一號”將如何前往火星？
“天問一號”的火星之旅，將面臨著很大的挑戰。難度首先存在於在地火距離遙遠以及對火星環境的不瞭解上。相比地月距離，地球與火星的距離非常遙遠，最遠時約為4億千米，最近時也有約5600萬千米。以我國這次將要發射的火星探測器為例，需要飛行200多天才能到達遙遠的火星。這帶來的首個挑戰，就是在攜帶燃料有限的情況下，探測器如何能夠飛越如此遙遠的距離，這就需要研究者對探測器飛行軌道進行精密的設計。
火星探測器飛行效果圖。圖片來源：國家航天局
根據計劃，火星探測器會按照“霍曼轉移軌道”飛行。在“天問一號”火星探測器發射升空後，會先在地球附近加速，進入霍曼轉移軌道利用慣性保持飛行，慣性飛行過程中不需要消耗燃料。等到達火星軌道時，探測器會“剎車”降低速度，最終被火星捕獲。這就是本次火星探測任務第一階段的目標：環繞火星飛行。
圖片來源：國家航天局新聞宣傳中心
若想成功進入霍曼轉移軌道，對火箭的運載能力和入軌精度有很高的要求。月球探測器進入地月轉移軌道所需的速度是10.9km/s，而火星探測器進入霍曼轉移軌道的速度至少要達到第二宇宙速度（11.2km/s）。因此，這次發射任務使用了新一代運載火箭中推力最大的“胖五”——長征五號運載火箭。在成功進入太空後，整流罩中的火星探測器會與火箭“星箭分離”，獨自飛向火星，這段旅程大概需要6~7個月。如果一切順利，探測器預計於明年2月左右到達火星引力勢場內，切入火星軌道，被火星捕獲。這個捕獲的階段非常關鍵：在切入火星軌道時，如果切入點離火星太近，探測器可能會墜毀；如果太遠，探測器可能無法被引力捕獲而掠過火星。
若能成功切入火星軌道，再經過多次調整，環繞器就可以進行環繞探測了。這時我們將迎來本次火星探測任務的第二個階段，也是最大的難點——火星著陸。火星探測器需要將4.8km/s的超高速，減到火星著陸時的0，這個過程只有7分鐘左右，也被稱為“恐怖7分鐘”。著陸器何時開始減速進入火星大氣、進入的姿態、進入的角度都需要精準的控制，然而問題在於，我們對於火星上的環境，尤其是大氣狀況的瞭解非常有限。再加上地火距離遙遠，從地球發送到火星的單程無線電信號，單程延時為20分鐘左右，難以依靠地球指揮著陸。
“天問一號”任務計劃採用的減速方式將分為四個階段進行。第一個階段是氣動減速段，探測器會踩下“急剎車”，在大約290秒內將速度從4.8 km/s迅速降低到460 m/s。接下來探測器將打開降落傘，在大約90秒後，速度會降到約95 m/s。隨後進入第三個階段——動力減速段，探測器的反推發動機開始工作，在80秒內將速度降到3.6 m/s以下。當探測器距離火星表面約100 m高時，就進入了最後的著陸緩衝段，探測器準備開始懸停避障。此時探測器的速度已經很慢了，探測器會自主觀察火星表面，快速計算出最佳著陸點。最終它將水平移動到該點上方，伸出“四條腿”，並在穩定著陸後展開舷梯釋放火星車。
