科普中国中央厨房 2021-06-10
近日，天问一号探测器发回了在火星着陆区的第一张高清“自拍”，火星表面看来一片荒凉。那么，是什么吸引我们去探索这些荒凉星球？
天问一号传回的火星着陆区域高清图。左图为着陆前，右图为着陆后，可以看到天问一号的着陆平台和“祝融号”火星车。｜国家航天局
来源 | 科普中国-未来耀科学
月球是地球唯一的天然卫星，是人类登陆过的第一个地外星球。红色的火星，位于太阳系的宜居带，与地球很像，前后也有数十个航天器探索过。
我们为什么要探测月球和火星？50多年前美国登月是真的吗？今天人类的探月和探火计划进展到了哪一步？以目前的证据，火星上有生命么？我们能改造火星让它更宜居吗？
在4月27日的科普中国-未来耀科学“空间探索”特别直播中，国家空间科学中心的研究员刘勇、孔令高和周炳红，为我们揭开了地球这两位“近邻”的神秘面纱。
为什么要探测荒凉月球？
地球有大气层和磁场，保护我们人类安全生活在上面，月球大气则非常稀薄、接近真空，磁场更是不到地球的百分之一，非常微弱。这使得月球难以阻挡小天体撞击，也不能屏蔽宇宙辐射，表面一片荒凉，并不适合人类生存。那么，人类为何对探月如此神往呢？
孔令高介绍，人类可以通过肉眼观察到月亮阴晴圆缺的变化，这自然而然会激发人的好奇心，驱使我们去探索月球。
另一个重要因素是，地球人口急剧增长，人类要想可持续发展，就需要将活动范围向外扩展，所以就想去月球上看有没有可利用的资源。比如，氦-3是一种非常清洁高效的核聚变燃料，100吨的氦-3发电，可以供地球使用一年；月球由于没有大气层和磁场保护，太阳风可以直接打到月球表面，使氦-3在月壤和矿石中富集，储量目前估算有一百万吨左右。
周炳红介绍，我们探测月球还有一个原因，那就是月球比地球小很多，表面的重力只有地球的1/6左右，从月面起飞比较容易。因此，月球可以作为人类未来探索深空的中转站。
月球虽然荒凉，却蕴藏有丰富的资源，还可以作为探测深空的中转站。｜SETI.org
人类探月进展到了哪一步？
月球距离我们如此之近，但迄今为止，登上月球的只有12名美国宇航员，有人甚至对此表示怀疑。美国登月是真的吗？人类探月如今进展到了哪一步？
周炳红认为，从系统工程的角度来看，美国登月是真是假，或许不是特别重要。更重要的是，美国当时为了登月，发展了庞大的月球探测计划——阿波罗计划，进行了绕月飞行等一系列试验，就像今天我们的嫦娥工程一样。另外，后来有证据表明，月球上有宇航员的脚印、排泄物，由于没有地球上的风化作用，这些痕迹还在那儿。
刘勇介绍，美国在登月之前其实做了大量的准备工作。比如，先驱者计划为了探测月球，接连很多次都以失败告终。一个计划失败这么多次，花了这么多钱，从大的层面来说，它应该是真的。在航天上人们经常讲，失败其实是差一点点成功，成功其实是差一点点就失败，这个探索的过程很重要。
1969年，人类第一次踏上月球。左图为阿波罗11号宇航宇阿姆斯特朗拍摄的奥尔德林。右图为阿波罗15号宇航员在使用月球车。
月球是我们探索宇宙深空，走向星辰大海的前哨站，我们什么时候才能建立月球基地呢？
周炳红介绍，探月工程分几步，首先是掌握一些关键技术，例如采样返回技术，确定要去哪儿去寻找资源、找水；现在目标也很明确，各个国家都聚焦在月球南极找水。第二步是建立月球科研站，验证这些关键技术，为建设月球基地作准备。第三步就是建设月球基地了。所有大工程都会有一个从不成熟到成熟的过程，按照这个脉络，我们大概需要十年时间完成前两个步骤。
为什么要探测火星？
在太阳系的行星中，金星距离地球更近，我们为什么不去探索金星，而对火星情有独钟？
孔令高介绍，人类探索火星，很重要的原因是，火星和地球很像，自转周期与地球接近，大概是24小时，也有白天黑夜，和四季交替。有说法认为，火星上可能存在生命，甚至地球上的生命可能来自火星。
例如，有研究发现，地球产生生命的时期，环境其实非常恶劣，不断有小行星撞击，到处都是火山熔岩，温度非常高，反而那个时候的火星，气候温暖湿润，有大量江河湖泊，特别适合孕育生命。所以人们据此推测，有可能生命是在火星上诞生，然后有小天体撞击火星，撞出的碎片携带着生命物质，经过漫长的旅途，把生命的种子带到了地球。
火星表面遍布赤铁矿，在夜空中呈现橙红色。它和地球有着相近的自转周期，和相似的四季交替。｜Earth: NASA/Apollo 17 crew; Mars: ESA/MPS/UPD/LAM/IAA/RSSD/INTA/UPM/DASP/IDA
至于为什么不去探测金星，刘勇介绍，金星离地球更近，但金星表面有浓密的大气，主要都是二氧化碳，这些温室气体使金星表面温度高达400多度，再加上大气压，可以想象那就是一个高压锅。苏联曾向金星发射过一个探测器，着陆后不到一分钟就挂了，可见金星环境非常恶劣。
金星表面有着极端的气候环境。（艺术构想图）｜NASA
周炳红则从航天技术角度，比较了探测月球、火星和金星的难度差异。他介绍，从飞行难度上看，去金星比火星和月球难得多，因为金星离太阳更近，去那儿需要的火箭速度增量其实要更高。相对而言，去火星和月球在火箭飞行方面难度其实差不多，只不过月球距离地球大约40万公里，火星最近大约5500万公里、最远大概4亿公里，去火星要飞行更长时间，比如天问一号用了大半年时间，飞行4.5亿公里，才到达火星。
但是，在火星表面着陆和起飞要比月球上难很多。这是因为，月球比火星小很多，引力也小，因此在月球表面刹车很容易，在火星刹车更难；同样地，要摆脱引力束缚，从火星上起飞也更难，需要的火箭更大，所以人类至今还没有从火星上取一块样品回来。现在，美国和欧洲有一个计划要从火星取样，需要先发射一个火箭收集火星样品，然后用另一个火箭把样品送到火星轨道上，接着再用一个火箭把样品从火星轨道返回地球，像接力一样来完成。
火星上有生命吗？
直到现在，并没有明确证据表明，火星上有生命。可是，我们要探测到什么，才算在火星上找到生命物质呢？
孔令高认为，如果探测到有机大分子，那肯定表明火星上存在生命，但是目前还没有看到。另外，科学家观测到火星上甲烷浓度的变化，我们知道，很多生命活动都与甲烷息息相关，比如消化过程、生物腐烂、古菌活动，都会产生甲烷气体，所以这也可能是生命存在的一个证据。…
