遂古之初，誰(shuí)傳道之？
上下未形，何由考之？
冥昭瞢暗，誰(shuí)能極之？
馮翼惟象，何以識(shí)之？...
2021年2月5日20時(shí)，“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器順利完成地火轉(zhuǎn)移段第四次軌道中途修正，并傳回首幅火星圖像，振奮華夏?！疤靻?wèn)一號(hào)”自2020年7月23日12時(shí)41分在我國(guó)海南島文昌發(fā)射升空，由此拉開(kāi)我國(guó)自主火星探測(cè)的序幕。春節(jié)除夕前后，“天問(wèn)一號(hào)”進(jìn)行“近火制動(dòng)”（即“剎車(chē)”）減速，被火星引力捕獲，將開(kāi)啟驚險(xiǎn)刺激的環(huán)繞火星之旅。
那么，在“天問(wèn)一號(hào)”傳回更多好消息之前，看看你還有哪些功課需要補(bǔ)上？
人類(lèi)此前開(kāi)展了多少次火星探測(cè)？
剛剛過(guò)去的2020年，堪稱(chēng)火星年，上演了多國(guó)登臺(tái)的“探火”大戲。7月20日，阿聯(lián)酋的“希望號(hào)”火星探測(cè)器發(fā)射升空；緊接著7月23日，我國(guó)“天問(wèn)一號(hào)”啟程；隨后7月30日，美國(guó)“毅力號(hào)”也奔向火星。
國(guó)際火星探測(cè)起步于20世紀(jì)60年代，2020年以前人類(lèi)共開(kāi)展了44次探測(cè)活動(dòng)，其中美國(guó)21次，蘇聯(lián)/俄羅斯19次，日本1次，歐空局2次，印度1次。完全成功或部分成功23次，成功率約53%，其中成功著陸火星表面的只有8次（均為美國(guó)）。
火星探測(cè)的艱難在于：火星離地球比較遠(yuǎn)，要到達(dá)火星軌道，需要攜帶大量的燃料經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的漫長(zhǎng)飛行；要著陸火星表面，探測(cè)器需要找到一個(gè)合適的切入點(diǎn)，被火星引力場(chǎng)捕獲，在火星大氣十分稀薄的環(huán)境下，探測(cè)器要將極高的飛行速度降到零才能著陸，這是每個(gè)探測(cè)器都要經(jīng)歷的“恐怖七分鐘”，迄今為止的火星著陸任務(wù)近一半折戟于此。
2020年以前人類(lèi)開(kāi)展的火星探測(cè)任務(wù)統(tǒng)計(jì)。（圖片來(lái)源：改編自網(wǎng)絡(luò)）
為什么說(shuō)火星是地球的“姐妹”？
火星是距離太陽(yáng)第四遠(yuǎn)的巖質(zhì)行星，是太陽(yáng)系中與地球最相似的行星。它的白晝長(zhǎng)度和自轉(zhuǎn)軸的傾角幾乎與地球相同，火星上的季節(jié)、極冠和云層也與地球相似。兩者的主要區(qū)別在于火星的表面平均溫度更低。火星上沒(méi)有液態(tài)水，大氣層很稀薄，主要由二氧化碳構(gòu)成，其表面大氣壓只有 700 帕斯卡（不到地球的 1% ）。盡管火星比地球更?。ㄖ睆酱蠹s為地球的一半）、更輕（重力大約是地球的1/3，因此如果你在地球上是100斤，在火星上就只有30多斤哦），甚至不是我們最近的鄰居（金星才是離地球最近的行星），但它被認(rèn)為是地球的一顆姊妹行星，有可能成為人類(lèi)未來(lái)的首選殖民地。
火星和地球?qū)Ρ?/em>
為什么火星看起來(lái)是紅色的？
我們看到的火星圖像，表面都是紅色的，火星又被稱(chēng)為紅色星球。這是因?yàn)榛鹦堑耐寥乐泻写罅康某噼F礦（鐵氧化物），這些礦物易于反射太陽(yáng)光中橙紅色的部分，所以火星看起來(lái)是紅色的。也就是說(shuō)，火星的土壤中含有大量的鐵銹。
火星上是否存在生命？
1996年，一顆編號(hào)為ALH 84001的火星隕石登上全球新聞?lì)^條。美國(guó)科學(xué)家在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇文章，聲稱(chēng)在這塊隕石中找到了含有火星細(xì)菌的微化石。這一重磅消息，引發(fā)了全球熱議，就連當(dāng)時(shí)的美國(guó)總統(tǒng)比爾·克林頓也就此發(fā)表了正式的電視聲明，引發(fā)人們對(duì)于火星生命的無(wú)限遐想。不過(guò)那些疑似細(xì)菌的桿狀結(jié)構(gòu)過(guò)于微小，直徑只有20-100納米，雖然大小與理論上的納米細(xì)菌相似，但是更多的科學(xué)家認(rèn)為這些結(jié)構(gòu)不能代表任何形式的生命，因?yàn)椤靶螒B(tài)學(xué)不能用作探測(cè)原始生命的證據(jù)”。
2014年，中國(guó)科學(xué)家在另一塊火星隕石（Tissint）的裂隙以及沖擊熔融脈中發(fā)現(xiàn)了大分子復(fù)雜有機(jī)物，更準(zhǔn)確地說(shuō)，是生油母質(zhì)，或稱(chēng)“干酪根”。地球上的生油母質(zhì)，是埋藏在地下的生物經(jīng)過(guò)上百萬(wàn)年的高溫高壓作用后形成的一種類(lèi)似石油和煤這樣的大分子有機(jī)物。這些有機(jī)物富集較輕的碳同位素，在地球上這是非常顯著的生物活動(dòng)形成的，因?yàn)榈厍蛏系纳顒?dòng)（如植物的光合作用等）都明顯傾向于富集更輕的碳同位素。然而，我們也無(wú)法排除另一種可能性：某些未知的非生物地質(zhì)過(guò)程也可能產(chǎn)生類(lèi)似的結(jié)果。
盡管火星隕石中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多種有機(jī)物，如多環(huán)芳香族碳?xì)浠衔锖秃袡C(jī)物等，然而有機(jī)物的發(fā)現(xiàn)與外星生命還相去甚遠(yuǎn)。但可以肯定的是，ALH 84001在40多億年前形成時(shí)，火星正處于溫暖濕潤(rùn)的時(shí)期，火星表面很有可能曾經(jīng)存在大量的液態(tài)水甚至古海洋，因此這顆行星上很可能曾存在某種形式的生命。但是，隨著環(huán)境的變化，火星變成了我們今天所認(rèn)識(shí)的極為干燥、寒冷的星球。火星生命的探尋道阻且長(zhǎng)，我們希望“天問(wèn)一號(hào)”逐漸揭開(kāi)這顆紅色星球的神秘面紗。
掃描電子顯微鏡下ALH 84001火星隕石中疑似細(xì)菌的桿狀結(jié)構(gòu)（左）和Tissint火星隕石中的有機(jī)碳——干酪根（右）。（圖片來(lái)源：改編自NASA和文獻(xiàn)２）
神秘的甲烷
火星大氣的主要成分是二氧化碳，除此之外，不管是地基望遠(yuǎn)鏡，還是火星探測(cè)器都探測(cè)到一種特殊的氣體——甲烷。甲烷之所以特殊，是因?yàn)檫@種氣體會(huì)不斷被紫外輻射等化學(xué)反應(yīng)所分解，通常只能存在幾百年。也就是說(shuō)，如今的火星大氣中能觀測(cè)到甲烷，意味著火星至少近期還在不斷產(chǎn)生甲烷。在地球上，甲烷是生物制造出的氣體，因此當(dāng) 2004 年火星快車(chē)在火星大氣中發(fā)現(xiàn)甲烷時(shí)，科學(xué)家不免對(duì)火星生命再次浮想聯(lián)翩。
火星上的甲烷還非常神秘。不同探測(cè)設(shè)備在不同時(shí)期觀測(cè)到的甲烷含量是變化莫測(cè)的，有時(shí)候“排山倒海”般出現(xiàn)，有時(shí)候又“風(fēng)平浪靜”，令人頭大。2018年，好奇號(hào)通過(guò)過(guò)去長(zhǎng)達(dá)五年多（橫跨3個(gè)火星年）的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，才終于摸清規(guī)律：甲烷的出現(xiàn)與季節(jié)有關(guān)，在火星的夏秋之際達(dá)到最大，而之前和之后都顯著減小。時(shí)至今日，我們?nèi)匀徊恢郎衩氐募淄槭侨绾涡纬傻?，又是如何消失的?/p>
火星上產(chǎn)生甲烷的幾種可能來(lái)源。（圖片來(lái)源：改編自網(wǎng)絡(luò)）
火星的“兩面性”
我們知道月球有明顯的“兩面性”：月球正面是光滑平整的黑色“月?！?，月球背面是崎嶇不平的明亮“陸地”（由于潮汐鎖定，我們地球上的人永遠(yuǎn)看不到這一面）。和月球一樣，火星也具有“兩面性”。不過(guò)不同的是，火星是南北半球不一樣。火星靠近南極的2/3 的表面有大量的撞擊坑，表面年齡更古老（幾十億年）；而靠近北極的 1/3 的表面則大多是平坦的平原，表面年齡更年輕（幾億年）。南部是崎嶇的高原，北部是平坦的低地，兩個(gè)半球之間高度差異顯著，這是火星最明顯的地理特征。
關(guān)于火星南北分界的起源，一直是科學(xué)界爭(zhēng)論不休的話(huà)題?？茖W(xué)家們對(duì)于這一現(xiàn)象的形成提出過(guò)多種理論，但是至今沒(méi)有定論。少數(shù)人認(rèn)為這是火星自身的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)形成的，大多數(shù)科學(xué)家則認(rèn)為來(lái)自外部的猛烈碰撞（一次或多次撞擊）。按照“碰撞說(shuō)”的觀點(diǎn)，火星的北半球曾經(jīng)與南半球差不多，來(lái)自太空的小行星猛烈地撞擊了北半球，完全摧毀了北半球的外殼，降低了它的高度，抹掉了那里的深坑。接著，新鮮的熔巖從火星內(nèi)部奔涌出來(lái)，重塑了北半球地貌，形成了平坦的低地。當(dāng)然也有觀點(diǎn)認(rèn)為，小行星撞擊的不是北半球，恰恰相反，是南半球?？傊?，火星的“兩面性”一直是火星諸多尚未解決的最大謎團(tuán)之一，需要更多的探測(cè)數(shù)據(jù)才能揭開(kāi)。
火星全球勘探者號(hào)獲取的火星全球地形圖（越紅越高，越藍(lán)越低），可明顯看出火星南北半球之間的差異。（圖片來(lái)源：改編自NASA/MOLA）
太陽(yáng)系最高的山和最長(zhǎng)的峽谷
火星上沒(méi)有板塊運(yùn)動(dòng)，地下的熱點(diǎn)只能停留在一個(gè)固定區(qū)域，加上火星的引力較弱，因此火星上的火山具有巨大的噴發(fā)威力，熔巖流持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，規(guī)模大，位于太陽(yáng)系中最高的山峰之列，其中最大的是塔爾西斯地區(qū)的奧林帕斯火山，高約 22 千米，是太陽(yáng)系的火山之王，比地球上的珠穆朗瑪峰（8848米）高出近兩倍。奧林帕斯火山的山頂有一個(gè)令人印象深刻的破火山口（因火山坍陷而形成的碗狀圓坑）。由于它是如此高聳巍峨，人們便用古希臘十二主神之家為它命名?；鹦巧狭硗庖恍┗鹕揭卜浅Ｒ俗⒛?。例如，巨大的亞拔火山是火星上面積最大的火山，它的表面積與中國(guó)的國(guó)土面積相當(dāng)。
除此之外，火星上另一個(gè)引人注目之處便是水手峽谷，它看起來(lái)猶如一道巨大的傷疤。它的命名來(lái)自水手9號(hào)，是火星上最大的峽谷，也是太陽(yáng)系最長(zhǎng)的峽谷。它位于塔爾西斯火山高原的東側(cè)，長(zhǎng)3769公里，最深處7公里，可能是火星殼拉張陷落而成，可與地球的東非大裂谷相比較。
火星上的奧林帕斯火山是太陽(yáng)系最高的山，比地球上的珠穆朗瑪峰高出近兩倍（圖片來(lái)源：改編自文獻(xiàn)４）
如何判斷一塊隕石是否來(lái)自火星？
根據(jù)國(guó)際隕石學(xué)會(huì)數(shù)據(jù)，截至2021年2月6日，一共有291塊（包括成對(duì)隕石）火星隕石獲得正式命名?；鹦请E石是目前人類(lèi)獲得的唯一火星巖石樣品，因而異常珍貴。那么如何判斷一塊隕石是來(lái)自火星，而不是月球或者小行星呢？
捕獲氣體：火星隕石從火星表面濺射出來(lái)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生沖擊熔融玻璃，這些玻璃會(huì)捕獲一些氣體。這些氣體的組成與火星大氣（CO2、N2、Ar及其它惰性氣體）匹配。
氧同位素成分：所有火星隕石的氧同位素成分都沿著一條獨(dú)特的質(zhì)量分異線(xiàn)分布，與地球-月球和小行星不同。
形成年齡：來(lái)自小行星的隕石年齡約為45億年，月球隕石的年齡約為三四十億年，而火星作為一個(gè)大行星，2億年前甚至還有火山活動(dòng)。因此如果用放射性同位素衰變測(cè)出一塊隕石的形成年齡比較年輕，那么它就很有可能來(lái)自火星。
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)
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