喬輝

北京時間2018年11月27日凌晨4時，美國宇航局（NASA）發(fā)射的“洞察號”探測器在火星軟著陸成功。在此之前，“洞察號”已經(jīng)在太空飛行了半年多，行程超過4.84億千米。

自從登陸火星以來，“洞察號”就不緊不慢地逐步開展工作。它首先展開直徑2米的2個太陽能電池板，然后給自己來了個自拍。隨后，科學(xué)家遠(yuǎn)程遙控“洞察號”上的機(jī)械臂把探測火星震動的“火震儀”抓起來放在火星表面，用來測定火星的震動。

這是“洞察號”降落火星后傳回地球的第一張照片。由于是透過布滿灰塵的鏡頭蓋拍攝的，所以視野看起來很臟。

“240萬人”一起飛火星

雖然我們一輩子恐怕都無法去火星旅游，但“洞察號”給了大家一個親密接觸火星的機(jī)會。在發(fā)射前，美國宇航局通過網(wǎng)絡(luò)從世界各地收集到了包括本文作者在內(nèi)的240多萬人的姓名（中國有26萬人參與），然后將這些姓名刻在2枚硅質(zhì)薄片上，準(zhǔn)備一起飛往火星。雖然這不是航天界的首創(chuàng)，但確實(shí)是最火爆的一次。此次收集到的姓名數(shù)量是大名鼎鼎的“好奇號”火星車收集到的姓名數(shù)量的2倍。

其實(shí)，第一次征集早在2015年8月就開始了，22天內(nèi)一共征集到了826923個名字。NASA工程師將這些名字用電子束寫在了硅質(zhì)微薄片上，薄片只有0.8平方厘米，字母的寬度僅為頭發(fā)絲寬度的千分之一。

“洞察號”原計劃于2016年3月4日發(fā)射，但由于法國提供的火震儀臨時出了問題，任務(wù)被迫延期。由于火星發(fā)射窗口每26個月才有一次，“洞察號”只能延遲到了2018年5月5日才發(fā)射。在延期發(fā)射的這2年時間里，美國宇航局又啟動了第二輪的征集工作，最終收集到2429807個姓名。

科學(xué)家在“洞察號”成功登陸火星后歡呼雀躍。

“洞察號”的降落地點(diǎn)與任務(wù)

2017年3月，來自噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家宣布，“洞察號”最終選定的降落地點(diǎn)位于火星西埃律西昂平原（北緯4.5度，東經(jīng)135.9度），距離“好奇號”火星車以北600千米。

“洞察號”是考察火星全球物理狀態(tài)的探測器，因此與以往的探測器選址的思路是不同的，只需考慮有利于探測器工作的區(qū)域即可。

登陸火星的探測器在火星表面的分布情況。橫坐標(biāo)是經(jīng)度，縱坐標(biāo)是緯度。顏色不同表示地勢不同，顏色越紅，地勢越高;顏色越藍(lán)，地勢越低。

首先，要保證降落區(qū)域有充足的陽光照射，這樣才能有充足的電能驅(qū)動探測儀器;其次，要保證降落區(qū)域地形足夠平坦、地層相對疏松。經(jīng)過4年多的考察后，科學(xué)家篩選出4個備降區(qū)，這些區(qū)域都位于火星北緯3度到5度之間的赤道附近。

迄今人類向火星發(fā)射了40多顆大大小小的探測器，火星可以說是太陽系內(nèi)人類最了解的地外星球。之前所有的探測器都是對火星的地表、大氣和磁場進(jìn)行研究。例如，著名的“好奇號”火星車主要對火星的表面地質(zhì)情況和物質(zhì)化學(xué)成分進(jìn)行分析。而“洞察號”是首個探測火星內(nèi)部的探測器，主要目的是通過摸清火星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及熱狀態(tài)，推算太陽系內(nèi)類地行星，乃至太陽系外類地行星的演化過程。

“洞察號”攜帶的三大儀器

“ 洞察號”采用減速傘和反推發(fā)動機(jī)的方式降落在火星表面，這與此前的“鳳凰號”火星探測器一樣。

這是“ 洞察號”登陸當(dāng)日傳回的遠(yuǎn)眺火星地平線的清晰照片。

地球、火星和月球內(nèi)部的層狀結(jié)構(gòu)示意圖

“洞察號”著陸后，分別在火星表面放置了一臺火震儀，一個能打入火星內(nèi)部5米深的熱流探頭和一個利用無線電通信測量火星自轉(zhuǎn)軸晃動情況的裝置。這三大儀器均被用來研究火星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以便讓我們更好地了解巖石行星是如何誕生的。如果說“好奇號”火星車是地質(zhì)學(xué)家和化學(xué)家的化身，那么“洞察號”就是研究火星全局結(jié)構(gòu)的“物理學(xué)家”了。

這三大儀器均被用來研究火星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以便讓我們更好地了解巖石行星是如何誕生的。如果說“好奇號”火星車是地質(zhì)學(xué)家和化學(xué)家的化身，那么“洞察號”就是研究火星全局結(jié)構(gòu)的“物理學(xué)家”了。

1.火震儀

日常生活中，大家在挑選西瓜的時候都習(xí)慣拍一拍，通過聲音來判斷品質(zhì)。同理，要想了解地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，最常見的設(shè)備就是能測量大地震動的地震儀了。地震儀在火星使用，就成了“火震儀”。“洞察號”攜帶的火震儀可以測量由于火星本身以及隕石撞擊火星產(chǎn)生的震動，通過對這些震動的測量，科學(xué)家就能推算出火星的內(nèi)部狀況。

火震儀是由法國空間局主導(dǎo)，多國參與制造的設(shè)備，它能探測到低頻的火星大氣波動、“火衛(wèi)一”對火星產(chǎn)生的潮汐漲落信號，以及高頻的火星震動信號。

2.熱流探頭

當(dāng)我們感冒發(fā)燒時，通常會用溫度計測量體溫，而熱流探頭就是測量火星體溫的溫度計。它能測量火星內(nèi)部的熱量散失情況，科學(xué)家可以據(jù)此研究火星內(nèi)部的熱狀態(tài)以及隨時間演變的情況。熱流探頭通過電纜和數(shù)據(jù)線與“洞察號”相連，將探測到的信息實(shí)時傳回計算機(jī)處理。

熱流探頭由德國制造，是一種能自我驅(qū)動鉆入大地的探針。此次在火星上預(yù)設(shè)的深度是5米。

3.旋轉(zhuǎn)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)裝置

要在不打碎雞蛋的前提下區(qū)分生熟，只要把它們旋轉(zhuǎn)起來便可：生雞蛋通常轉(zhuǎn)動幾下就停止了，而熟雞蛋則能轉(zhuǎn)好久。這就是由于雞蛋內(nèi)部的物理狀態(tài)不同所致。同樣的道理，這套裝置也是通過測量火星晃動情況來判定內(nèi)部物理狀態(tài)的。

該裝置由美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）牽頭研制。它利用“洞察號”X波段信號的多普勒效應(yīng)，對火星自轉(zhuǎn)軸的晃動情況進(jìn)行精細(xì)測量，然后反推火星的內(nèi)部物理狀態(tài)。X波段信號能把火星晃動信息精確到2厘米之內(nèi)。

此前，“海盜號”探測器和“火星探路者”探測器也做過類似的實(shí)驗(yàn)，但精度不是很高，只能估算出火星內(nèi)核的大小。一旦“洞察號”把火星自轉(zhuǎn)軸的自轉(zhuǎn)、進(jìn)動和章動等晃動信息傳回地球，科學(xué)家就可以更精確地計算出火星地核和地幔的大小。這將有助于我們了解太陽系內(nèi)類地行星以及太陽系外類地巖石行星的形成。

名詞卡片：

進(jìn)動：一個自轉(zhuǎn)的物體受外力作用導(dǎo)致其自轉(zhuǎn)軸繞某一中心旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為“進(jìn)動”，也叫作“旋進(jìn)”。

章動：當(dāng)陀螺的自轉(zhuǎn)角速度不夠大時，則除了自轉(zhuǎn)和進(jìn)動外，陀螺的對稱軸還會在鉛垂面內(nèi)上下擺動，稱為“章動”。