魏勇:穿越时空遇见火星

蓝色地球,红色火星,孪生又殊途。穿越时空阻隔,遇见火星,方知何为地球。深空探测看当代,行星科学靠未来。

我是研究火星的,今天讲一个关于天问一号的故事。

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我们先看一张照片,这是中国自己设计的探测器,第一次在另外一个行星上发回来的行星的照片,具有非常伟大的历史意义。我觉得每一个中国人看到这张照片,都应该感到自豪,我作为一个研究行星科学的,看到这张照片的感受是:这个照片太酷了。

我们来想一想,手机、互联网、电脑,这些东西彻底地改变了我们的生活。但是大家有没有想过,这些东西给我们的感受是从群居变成了独居。因为我们人类从灵长类动物演化而来,我们看所有的灵长类动物,甚至绝大多数的动物都是群居的,群居有利于它们的生存。但是这些发明,居然令我们变得独居了,这个事情是很奇怪的。

我们人类为什么会发明这些东西?我们人类一旦要发明一个东西,通常是有一些需求,比如说:我们人类想跑得更快一点,我们就发明一个自行车;还想跑得更快,我就发明汽车;我还想更快,我就发明飞机;这中间是有一种需求在驱动,但是我们人类什么时候需要去发明手机,互联网,还有电脑,这些东西呢?答案是为了深空探测而设计的。

深空探测,可以说是我们整个20世纪,人类干过的最酷的事。

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1969年美国人登上了月球,他们开了辆月球车,甚至在月球上飙车, 带回来382公斤的月壤,很酷。

1986年的时候,苏联、日本和德国组成了一个联合舰队,成功穿越了哈雷彗星。哈雷彗星每隔七十六年回归一次,1986年的时候回归。

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哈雷彗星它是一个什么东西呢?它是一个大约直径十几公里的大石头,大概相当于北京的三环以内的区域那么大。你要在茫茫的太空中,去探测这样一个东西,是非常困难的,但当时五个探测器就做到了。

我们中国的彗星探测什么时候要进行呢?将于2024年发射,2035年飞到。这是一件非常酷的事,可惜当年没有电视直播,我们谁都没赶上,很遗憾。

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不过现在机会来了,我们将见证另外一件非常酷的事,由中国、美国和阿联酋共同组建了一个火星舰队,它们马上就要飞到火星上去,我们将有幸亲眼见证,这么一个伟大的时刻,伟大的事件。

这是我们的天问一号,它有一个环绕器,还有一个火星车或者叫做巡视器,能够对火星进行天上和地下联合全方位的探测。那么问题来了,天问一号要探什么呢?

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时间倒回到2010年的8月份,这张照片是我们一次开会的间歇拍下来的,最右边看着镜头的就是我,当年我29岁,研究生刚毕业两年,当时还在做博士后。我要研究火星的水为什么会消失掉,但是并没有想到我所研究的内容,将来会成为国家战略的重要组成部分。而我旁边这位是我的老师,他叫万卫星,当年他52岁,他心里面在考虑的是中国的行星探测将来要探什么。

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这是2010年我们当时开会的场景,第二次金星探测会议,因为当时我们接到国家给的任务,要研讨一下中国的行星探测探什么,不光是有火星,还有金星,还有其他的行星。虽然第二次的“二”下面坐的是我,但我并不是主角,当时我只是一个博士后,真正的主角在最左边穿蓝衣服的,我的导师万卫星,他就是后来的天问一号的首席科学家。

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他当时给我们提出来一个研讨的方案:人类的深空探测已经探了这么多年,我们知道什么呢?我们还不知道什么?我们中国人在这方面将来要探什么?我们要有一个定位,深空探测、行星探测、它不是一个国家的事,它是全人类的事,我们先搞清楚,别的国家探明白什么了,然后再去定我们中国人要探什么。

从2010年一直到现在,十来年的功夫,我们一直都是在紧密地关注国外的深空探测,关注国外的行星科学的成果,去准确地把握行星知识的最前沿,就能知晓下一步中国人应该在哪一个方面做贡献。

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在过去大约六十年里,基本上人类的探测器已经探遍了太阳系的所有的行星,还包括一些彗星、小行星、还有一些木星和土星的卫星等等。这么多探测器发出去,我们可以看到,每一个圆环上面有很多同心圆,每一条线都是代表着一次探测计划。我们看到探的最多的是月球,其次就是火星和金星,我们现在有一个什么样的结论呢?

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这是我们所有的着陆器着陆到其它天体上拍摄的照片,这些全都是真实的照片,目前我们就只着陆过这么多天体。

我们从最左边开始看,第一个是金星,金星的地表400多摄氏度的高温,92个大气压,这是一个标准的地狱;第二个是地球,我们的家园;第三个是月球,我们看到一片荒凉贫瘠;再接下来三个是小行星,除了乱石,别的我们也什么都看不到;倒数第三个是火星,我们熟悉的这种很荒凉的景象;倒数第二个是一颗彗星,彗星的地表,大家可以看到它其实就是一块石头,如果不接近太阳是不会喷发的,没有那么美丽的尾巴;最后土卫六,曾经被我们寄予厚望,觉得我们一定可以在上面找到生命,随着探测的越来越深入,希望变得越来越小,但是科学家们并没有放弃,我们希望能有更多的探测器,去加入到探测的行列。

那么问题就来了,我们看到的行星是这样,它们是不是本来就是这样?太阳系是在四十六亿年前形成的,太阳和所有的行星同期形成,到现在我们看到它们不同的样子。那在四十六亿年前本身就是这样,还是说后来它逐渐地变成这样呢?

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我们探测最多的是火星,我们看到了什么呢?这个学名叫做冲积扇,在地球上有很多,是由于河流冲刷所形成的特殊的地貌。好奇号火星车,跑到这些看起来像远古河道的地方,发现了什么呢?如果这张照片,我不说它是火星,可能你还以为是地球。

我们知道在地球上,只有河流冲刷,就能形成鹅卵石,所以这个火星上的鹅卵石应该就是在四十多亿年前,由于河流冲刷所形成的,这是目前科学界给的一个比较公认的结论。

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今天我们看到,火星是不毛之地,很贫瘠、很荒芜。但是种种的科学证据告诉我们,在四十二亿年前,它跟地球是非常相像的,它也有过河流,有过海洋,只不过是后来逐渐地变成了今天这个样子。经过四十多亿年火星干涸了,地球为什么没有干涸?再过四十多亿年,地球会不会走上火星的老路,也会变成干涸的呢?地球是不是也会变成火星这个样子,从此再无生命?所以地球的未来是不是今天我们看到火星的样子,这就是我们要研究的一个问题。基于这个目的,在过去十年里面,我们做了很多的布局,我们要从火星入手,对行星进行研究。

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我们有三个地方可以研究火星:

第一个离我们最近的、每个人都可以去的柴达木盆地。柴达木盆地在青海省,它的地貌是跟火星的古湖泊盆地非常的相似,干旱、低温、高盐、高辐射,已经是被公认为典型的地球、火星类比的研究基地之一。

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这张照片是我用手机拍摄于去年的八月份,从青海的赛什腾山,海拔4300米拍摄的。这是十二月份,虽然大雪已经封山,但是你可以看到一个非常巨大的变化,在青海省政府的支持下,我们把整个山头削平了,修上了路,在上面建起了中国第一座行星望远镜。

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目前已经即将竣工,将会对天问一号,开展联合的观测。这个望远镜也可以说不是我们中国人的自己的事,它是整个国际行星科学界的事。在2018年的时候,我们就在《Nature Astronomy》上发了一篇文章,介绍中国的行星探测计划,未来十年,二十年,我们都有什么样的计划。我们就介绍了这个望远镜,它不仅可以探测火星,还可以探测木星,因为中国特殊的地貌,所以在中国建设这个望远镜,可以跟欧洲的望远镜联合观测,形成24小时不间断的观测,会对世界的行星科学界,有关火星和木星的研究,起到一个非常大的促进的作用,可以说这个望远镜是国际行星科学界都是非常期待的事情。

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第二个我们可以研究的地方叫做临近空间。临近空间是指大约距离地面20~100公里的区域,它的环境参数比青海省是更加接近火星,缺氧、低温、高UV辐射、强宇宙射线、还有低重力。我们最高的跳伞记录就是从这个区域诞生的,最高纪录大概是41000米,是谷歌的副总裁创造的。我们可以看到他跳伞时穿了宇航服,因为在这个地方有很强的宇宙射线辐射,如果不穿宇航服,很可能对身体有致命的伤害。要到达这个高度飞机是不行的,普通的民航飞机通常最高飞到12000米,而这个地方比较核心的区域是3~4万米之间,只有一种工具比较适合就是气球。

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这个气球里面充的是氦气,我们中国科学院成立了一个先导专项,叫做“鸿鹄专项”,我本人是担任这个专项的首席科学家。我们整个专项最核心的科学目标,就是要利用气球,利用浮空器,浮空平台,来研究行星科学。

下面可以看一下我们做实验的场景,这个气球在起飞的时候它是瘪的,上面会携带一个载荷舱,我们的科学仪器都在这个黑色的载荷舱里面保存着。你可以看到这个气球目前还不是饱的,这是因为靠近地面气压比较高,越往上气压越低,它就会膨胀,到达平飞高度,也就是30公里以上,载荷仪器就可以开始工作了,这个阶段气球就变得胀满了,变成很圆的。当实验结束之后,它就会启动一个切割器,把气球抛弃掉,启动降落伞,然后让科学载荷能够安全地到达地面,重复利用,因为载荷科学仪器也都是比较昂贵的。

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第三个我们一直在布局做的,就是我们要充分地利用历史上的,其他国家火星探测所产生的科学数据,来进行一个综合性的研究。大家可以看到,曾经有过几十次的探测,当然美国贡献的是最多的,其次还有苏联、日本、法国等等,除了飞行器,还有火星车。利用这些已有的观测数据,结合我们的数据分析,对于火星的水为什么会消失掉,我们现在有一个什么样的结论呢?

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太阳时刻在喷出一种叫做太阳风的物质,它的时速高达150万公里,这么高速的一个太阳风,它的主要成分是氢离子,它如果冲击到一个行星的大气上,是足以把行星的大气给吹得脱离行星,逃逸到行星系空间去。而大气和海洋,它是一整套的系统,是有循环的,如果大气跑了,那么海洋也会跟着消失。什么东西能挡住太阳风呢?就是磁场,因为带电粒子遇到磁场会偏转,它的路径会发生改变。所以地球是因为有了一个很强大的地磁场的存在,它就像一把雨伞挡住了雨的冲刷,而火星甚至包括金星是没有磁场的,没有磁场的保护,高速的太阳风冲击到火星的大气上去,经过了几十亿年,把火星的水全部给吹的逃逸掉了。

这是我们关于这个猜想的一个动画:最开始的时候太阳喷出太阳风,火星也是有磁场的,但是不知道为什么,三十八亿年前的时候,火星的磁场突然消失了,消失之后太阳风就可以直接吹到火星的大气,然后逐渐把大气和水全部都吹走了。经过了将近四十亿年,火星逐渐地干涸,变成我们今天所看到的样子。

磁场这么重要,是不是有磁场就行了呢?其实不光是我们普通人会这么想,美国行星科学界最顶尖的一批科学家也是这么想的。美国国家航天局NASA行星科学部的主任,首席科学家Jim Green教授,在2017年就提出利用磁场,复活火星:我们在火星的L1点,放上一个人工大磁铁,是不是火星就可以重新变成地球了?

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当然这个说法遭到了另外一批顶尖科学家的反驳,其中一位叫做Jakosky,这位教授他在经过详细的研究之后,他发现这个想法是不现实的。不现实的原因,可能超乎大家的想象,原因居然是二氧化碳太少了。二氧化碳在地球上,我们觉得这是一个很讨厌的东西,导致全球变暖。可是在火星上,就变成一个好东西,因为火星最高温度20多摄氏度,最低温度零下100多摄氏度,它是一个比较寒冷的星球,如果有足够多的二氧化碳,就可以让它变暖。但是很可惜,火星没有那么多二氧化碳,所以即使加上磁场,火星也不能再变成地球。

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那么现在得到一个什么印象呢?火星和地球,四十六亿年前同时出生,它们就像一对孪生兄弟,但是后来随着它们的成长,走上了不同的人生路径。当我们看到这对兄弟的时候,我们能看见它们身上有对方的影子,但是是两个完全不同的人。它们的过去发生了什么我们不知道,但是如果我们想知道它们发生了什么,它们彼此互为最好的参照。

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我们还有那么多的未知,新的探索即将开始。天问一号、希望号和毅力号即将到达火星,未来还将继续,这些探索要靠谁呢?我们要靠一批又一批的年轻人。那么这些年轻人会从哪里产生呢?我们需要有行星科学的教育。2021年中国科学院大学,将会率先成立行星科学一级学科,目前我们已经开展了研究生的招生,本科生的招生下一步会继续。一级学科是深空探测国家战略,将会是未来十年,我们中国高等教育界的一件非常重大的事件。

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什么是一级学科呢?我们知道物理、化学、数学、天文这叫一级学科。我们为什么要分学科呢?我们说一个科学家,他是研究物理的,他是研究化学的,但是我们现在如果说一个人是研究行星科学的,比如我就归不到我们现在的教育体系里面去。我的研究生现在拿的学位才刚刚变成行星科学,之前我们也是放在物理学或者地球科学里面。只有当行星科学一级学科正式的建立起来,并且是要在我们很多的高校推广的情况下,我们才有可能去把中国的行星科学家团队建立起来。

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天问一号的首席科学家万卫星老师,他是2020年5月20号去世的。我总觉得他其实并没有走也并没有离开,他只是太心急了,自己先去火星探测这些很令人费解的问题。临走之前他留下了一句话,他说你在跟年轻人做讲座的时候,你要把这句话告诉大家,那就是:“深空探测看当代,行星科学靠未来。”

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