我們國(guó)家第一個(gè)火星探測(cè)器——天問(wèn)一號(hào)正在趕赴火星的征途中，明年就會(huì)與火星有“第一次的親密接觸”。

有人會(huì)問(wèn)，我們?yōu)槭裁匆ㄟ@么大的力氣去研制火星探測(cè)器，為什么要去探測(cè)火星？我想主要是“至所未至，知所未知”的好奇心使然。

當(dāng)人們有條件、有能力，也有保障的時(shí)候，總是希望去未知的地方看一看。

在科幻電影《火星救援》中，主角成功地在火星上種出了土豆。

那么在現(xiàn)實(shí)中，我們能把土豆種出來(lái)嗎？什么地方最適合種土豆？什么地方最適合種植物？什么地方最適合改造成人類最容易生存的環(huán)境呢？

《火星救援》中馬克依靠聰明才智來(lái)制造水、種土豆，以此維生，最終成功等到救援

要解答這些疑問(wèn)，我們就要研制探測(cè)器，配置有效載荷，去探索火星以尋求答案。

何志平

中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員

火星探測(cè)器是如何“看見(jiàn)”火星的？

分析火星地表成分要靠“針灸”來(lái)實(shí)現(xiàn)？

火星的極端天氣對(duì)探測(cè)有何影響？

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01 火星上有冰、有礦產(chǎn)甚至可能存在過(guò)微生物

有效載荷相當(dāng)于火星探測(cè)器的眼睛、耳朵，可以從不同方面探測(cè)火星的信息，包括地形地貌、物質(zhì)成分、環(huán)境、地質(zhì)活動(dòng)，以及氣候條件等。

“天問(wèn)一號(hào)”上配置了13臺(tái)套有效載荷，其中環(huán)繞器上7臺(tái)套，火星車6臺(tái)套。我們將利用環(huán)繞器在火星上空進(jìn)行大范圍的宏觀探測(cè)，利用火星車到我們最感興趣的地方開(kāi)展精細(xì)探測(cè)。

這張照片是環(huán)繞器上，利用光譜圖像觀察火星的水冰分布，另一張是在火星表面探測(cè)元素成分的光譜示意圖。

為什么光譜可以做到探測(cè)物質(zhì)成分呢？這里不得不提到偉大的科學(xué)家牛頓。

提到牛頓，大家常會(huì)想到萬(wàn)有引力，想到牛頓三大定律。其實(shí)光譜也是牛頓實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的，利用棱鏡把太陽(yáng)光色散，發(fā)現(xiàn)它其實(shí)是由很多顏色的光構(gòu)成的。

人的眼睛也可認(rèn)為是一個(gè)光譜成像儀器，可以感知不同色彩的圖像。而光譜學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在人眼看不到的地方，也有很多光譜信息。我們就是利用光譜信息與物質(zhì)成分之間的關(guān)聯(lián)性來(lái)探測(cè)的。 在火星天上，環(huán)繞器主要利用分子吸收光譜，分析火星表面反射太陽(yáng)的光譜特征數(shù)據(jù)，相當(dāng)于給火星拍了一張?zhí)厥獾恼掌?/p>

平常生活中，數(shù)碼照片常會(huì)標(biāo)注參數(shù)是100萬(wàn)像素或1000萬(wàn)像素，而給火星拍的光譜照片特殊之處在于，每一個(gè)像素都有一條光譜曲線。

由此我們可以知道每個(gè)像素對(duì)應(yīng)目標(biāo)位置里面的成分信息，再結(jié)合照片中目標(biāo)的幾何形狀與位置關(guān)系，就可以在宏觀范圍對(duì)火星進(jìn)行成分探測(cè)了。

很多國(guó)家已對(duì)火星進(jìn)行了探測(cè)，并得到了一系列有意義的探測(cè)成果，比如：

火星上富含氧化鐵，所以火星看起來(lái)才這么紅；

發(fā)現(xiàn)火星表面有輝石、橄欖石等礦產(chǎn)資源信息以及分布情況；

在火星的極地有冰，其中大部分是干冰，小部分是水冰。

而在火星表面，除了利用吸收光譜以外，還常常采用激光誘導(dǎo)光譜技術(shù)。它主要是通過(guò)探測(cè)對(duì)應(yīng)元素成分的特征光譜來(lái)分析。就像人的指紋一樣，每一種元素都有對(duì)應(yīng)的光譜特征信息。

在火星表面，利用火星車探測(cè)的國(guó)家主要是美國(guó)，得到了很多有價(jià)值的成果，如：

火星曾經(jīng)可能有溫暖濕潤(rùn)的環(huán)境；

火星曾經(jīng)可能存在過(guò)微生物；

這些發(fā)現(xiàn)，也進(jìn)一步激發(fā)了人類對(duì)火星的興趣。今年的火星探測(cè)很熱，原計(jì)劃有四次火星探測(cè)任務(wù)，包括中國(guó)、美國(guó)、阿聯(lián)酋和歐空局。后來(lái)歐空局因故推遲，所以現(xiàn)在有三個(gè)探測(cè)器正在奔向火星。02 “光譜眼”是如何探測(cè)火星的？

“天問(wèn)一號(hào)”在環(huán)繞器上配置火星礦物光譜分析儀，在火星車上配置火星表面成分探測(cè)儀，對(duì)火星的物質(zhì)成分進(jìn)行探測(cè)。

環(huán)繞器上這臺(tái)儀器的譜段主要在紅外，我們把它叫紅外光譜眼?；鹦擒嚿系膬x器，主要利用激光誘導(dǎo)技術(shù)，所以也叫激光光譜眼。

我們先來(lái)看紅外光譜眼，它是一臺(tái)高集成的儀器設(shè)備，追求的是高靈敏度、高分辨率。要探測(cè)576個(gè)不同譜段的信息，期望在火星上有更好、更新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。探測(cè)過(guò)程中，精確定標(biāo)是另一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

什么是定標(biāo)呢？打個(gè)比方，我們以前用手表時(shí)，需要經(jīng)常對(duì)時(shí)，去校正它的準(zhǔn)確性。同理，紅外光譜眼在探測(cè)過(guò)程中，也要將所獲得的火星光譜特征信號(hào)校正的更準(zhǔn)。這主要依靠多溯源、綜合性的光譜定標(biāo)方法。

多溯源指的是校準(zhǔn)用了多個(gè)源，包括太陽(yáng)，自帶的標(biāo)準(zhǔn)燈，冷空間及火星特定區(qū)域。通過(guò)對(duì)這多個(gè)目標(biāo)溯源的觀測(cè)，可以更準(zhǔn)確、全面了解儀器的響應(yīng)狀況，將探測(cè)的數(shù)據(jù)校對(duì)的更準(zhǔn)確。

同時(shí)，探測(cè)火星特定區(qū)域，這些美國(guó)、歐洲等國(guó)家探測(cè)過(guò)的地方，比對(duì)我們的數(shù)據(jù)與他們的數(shù)據(jù)，在做科學(xué)研究時(shí)，特別是有新發(fā)現(xiàn)的時(shí)候，更容易得到同行認(rèn)可。

在火星車上的激光光譜眼是一臺(tái)功能強(qiáng)大，系統(tǒng)復(fù)雜的載荷。能在完成激光誘導(dǎo)光譜探測(cè)和紅外光譜探測(cè)的同時(shí)，還能顯微照相及靈活地指向想要探測(cè)的目標(biāo)。它是由五個(gè)部件組成，其中三個(gè)部件安裝在火星車的外面。

激光誘導(dǎo)光譜在火星上的探測(cè)，就像對(duì)火星進(jìn)行“針灸”。把激光匯聚到約0.2毫米的小點(diǎn)上，發(fā)出的高能量密度激光射在火星表面，由此產(chǎn)生高溫使物質(zhì)形成等離子體而發(fā)光，看起來(lái)就像一個(gè)很亮很亮的小點(diǎn)。

通過(guò)探測(cè)其中的光譜信息，我們就能知道探測(cè)的火星部位有什么元素。 03 “被逼出來(lái)”的自主創(chuàng)新

火星上還有一個(gè)必須面對(duì)的難題就是如何適應(yīng)惡劣和復(fù)雜的環(huán)境。

溫度是繞不過(guò)去的一個(gè)坎，雖然火星車對(duì)儀器有一定的保溫的作用，但激光光譜眼有三個(gè)部件是安裝在火星車外面的，就相當(dāng)于暴露在室外的空調(diào)外機(jī)。

所以它要經(jīng)受嚴(yán)寒，要在接近零下一百度的環(huán)境中活下來(lái)，并且在低溫下能正常的工作，拿到可靠的數(shù)據(jù)。同時(shí)，還要在多沙塵暴的環(huán)境中存活并正常工作。

這些工作需要突破很多技術(shù)難點(diǎn)，那么，光譜眼是如何突破難點(diǎn)錘煉出來(lái)的呢？主要是靠自主創(chuàng)新，而且是被“逼出來(lái)”的自主創(chuàng)新。

舉例來(lái)講，紅外光譜探測(cè)用到了一個(gè)技術(shù)叫“聲光光譜探測(cè)技術(shù)”，我們最早開(kāi)始研制的時(shí)候，不是為了火星，而是圍繞月球探測(cè)任務(wù)開(kāi)始研發(fā)的。

它要用到的一個(gè)核心器件叫聲光可調(diào)濾光器，英文簡(jiǎn)寫(xiě)是AOTF。這個(gè)器件當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)沒(méi)有，最有效可行的方式是全球合作。

我們找到美國(guó)的一家機(jī)構(gòu)，希望能夠定制購(gòu)買，在美國(guó)現(xiàn)有的器件基礎(chǔ)之上，研制出我們需要的應(yīng)用器件。但是協(xié)調(diào)下來(lái)并未成功，只能靠我們自己做。

整個(gè)研制過(guò)程很困難，因?yàn)槲覀儾恢涝牧险l(shuí)能生產(chǎn)，也沒(méi)有設(shè)計(jì)方法與制備工藝，更沒(méi)有支撐制造、檢測(cè)的設(shè)備條件。

我們首先在國(guó)內(nèi)找到生長(zhǎng)晶體的單位合作，解決大口徑、高性能的二氧化碲晶體材料。

后來(lái)，又找到一家單位，雖然他們以前沒(méi)有做過(guò)聲光可調(diào)濾光器，但是他們做過(guò)聲光原理的器件，具備設(shè)計(jì)和工藝基礎(chǔ)；

同時(shí)，研制專用設(shè)備，支撐產(chǎn)品研發(fā)中的優(yōu)化設(shè)計(jì)，制備工藝確認(rèn)以及最終產(chǎn)品檢驗(yàn)所需要的測(cè)試能力。通過(guò)與國(guó)內(nèi)多家單位的協(xié)作，我們最終高質(zhì)量完成了這個(gè)國(guó)產(chǎn)化器件的研制。

有人就會(huì)問(wèn)，為什么非要用這個(gè)技術(shù)不可？這其實(shí)也是被科學(xué)探測(cè)需求“逼出來(lái)”的。剛剛提到，這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)，并不是為了火星，而是月球。

月球與火星的不同在于，它的表面溫度比較高，而且沒(méi)有國(guó)家去過(guò)月球表面探測(cè)紅外光譜，沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。

我們經(jīng)過(guò)分析、驗(yàn)證，AOTF技術(shù)很適合在月球較高溫度條件下探測(cè)紅外光譜。因?yàn)樗幸粋€(gè)特性——可以用電控選擇波長(zhǎng)。

每個(gè)物體都在發(fā)出紅外光，我們?nèi)梭w也一樣。在疫情期間，我們利用人體發(fā)出的紅外光可以測(cè)量溫度。

在月球上也一樣，我們儀器本身也發(fā)出紅外光，而我們又要測(cè)量月球表面的光譜，兩者之間會(huì)互相干擾，很難拿到有效的數(shù)據(jù)。

利用AOTF的特性，把信號(hào)光關(guān)掉的時(shí)候，可以測(cè)量?jī)x器自身的紅外光，把它打開(kāi)的時(shí)候，測(cè)量?jī)x器的紅外光疊加月球紅外光，這樣就很容易算出月球表面光譜的信息。

除此之外，利用它可選擇波長(zhǎng)的特性，可以探測(cè)到高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。

打個(gè)比方，我們平時(shí)拍照的時(shí)候，如果在場(chǎng)景里有一個(gè)很亮的目標(biāo)和一個(gè)很暗的目標(biāo)，無(wú)論如何設(shè)定拍照的參數(shù)都不太好。要么亮的地方過(guò)曝，白花花的一片，要么暗的地方很暗，看不清細(xì)節(jié)。

但是我們可以單獨(dú)分別針對(duì)暗的及亮的地方設(shè)置曝光時(shí)間和光圈，就都能得到質(zhì)量較好的圖像效果。

同理，要探測(cè)目標(biāo)的幾百個(gè)光譜，利用波長(zhǎng)選擇特性，我們可以根據(jù)每個(gè)波長(zhǎng)的強(qiáng)度，單獨(dú)針對(duì)它設(shè)定參數(shù)進(jìn)行探測(cè)，可以獲得這幾百個(gè)光譜最優(yōu)的信息，最終能拿到好的數(shù)據(jù)。

通過(guò)這兩個(gè)特性，我們完成了月球的紅外光譜探測(cè)，所以這次在火星上應(yīng)用，我們就有信心多了。

歐洲科學(xué)家對(duì)聲光技術(shù)的評(píng)價(jià)

科學(xué)儀器探測(cè)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠與否，關(guān)系到科學(xué)家運(yùn)用這些數(shù)據(jù)所開(kāi)展的科學(xué)研究是否能得到國(guó)際同行的認(rèn)可。

我們很高興的是，在我們成功研制出月球表面應(yīng)用的聲光光譜儀器之后，歐洲光譜儀器的首席科學(xué)家在期刊上發(fā)表了一篇文章，對(duì)我們的技術(shù)和數(shù)據(jù)有一個(gè)評(píng)價(jià)——

「這是迄今為止，唯一成功實(shí)現(xiàn)表面原位探測(cè)的AOTF光譜儀器，唯一成功空間應(yīng)用的AOTF高光譜成像儀，唯一真正意義的畫(huà)幅式高光譜儀?！?/p>

現(xiàn)在，距離“天問(wèn)一號(hào)”發(fā)射已經(jīng)過(guò)去50多天了，它仍然在路上。

回到開(kāi)頭的問(wèn)題——我們究竟能不能在火星上找到最適合種土豆的地方？我們究竟能不能在火星上找到最適合人類改造、生存的地方？我們?nèi)祟惥烤谷绾巫叱龅厍?，走向未?lái)的太空時(shí)代？

“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)中對(duì)火星表面的物質(zhì)成分探測(cè)，其實(shí)是我們深空探測(cè)任務(wù)中“一小步”。

這些宏大目標(biāo)，都是由無(wú)數(shù)個(gè)這樣的“一小步”來(lái)實(shí)現(xiàn)的，“積跬步以致千里”，我們走向深空的征程才剛剛開(kāi)始。

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