為了瞭解火星環境，我們決定在火星表面“針灸” | 造就Talk·何志平_風聞

　　我們國家第一個火星探測器——天問一號正在趕赴火星的征途中，明年就會與火星有“第一次的親密接觸”。

　　有人會問，我們為什麼要花這麼大的力氣去研製火星探測器，為什麼要去探測火星？我想主要是“至所未至，知所未知”的好奇心使然。

　　當人們有條件、有能力，也有保障的時候，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。

　　那麼在現實中，我們能把土豆種出來嗎？什麼地方最適合種土豆？什麼地方最適合種植物？什麼地方最適合改造成人類最容易生存的環境呢？

　　《火星救援》中馬克依靠聰明才智來製造水、種土豆，

　　以此維生，最終成功等到救援

　　要解答這些疑問，我們就要研製探測器，配置有效載荷，去探索火星以尋求答案。

何志平

中國科學院上海技術物理研究所研究員

　　火星探測器是如何“看見”火星的？

　　分析火星地表成分要靠“針灸”來實現？

　　火星的極端天氣對探測有何影響？

　　****01火星上有冰、有礦產甚至可能存在過微生物

　　有效載荷相當於****火星探測器的眼睛、耳朵，可以從不同方面探測火星的信息，包括地形地貌、物質成分、環境、地質活動，以及氣候條件等。

　　“天問一號”上配置了13台套有效載荷，其中環繞器上7台套，火星車6台套。我們將利用環繞器在火星上空進行大範圍的宏觀探測，利用火星車到我們最感興趣的地方開展精細探測。

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

　　為什麼光譜可以做到探測物質成分呢？這裏不得不提到偉大的科學家牛頓。

　　提到牛頓，大家常會想到萬有引力，想到牛頓三大定律。其實光譜也是牛頓實驗發現的，利用稜鏡把太陽光色散，發現它其實是由很多顏色的光構成的。

　　人的眼睛也可認為是一個光譜成像儀器，可以感知不同色彩的圖像。而光譜學研究發現，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成分之間的關聯性來探測的。

　　在火星天上，環繞器主要利用分子吸收光譜，分析火星表面反射太陽的光譜特徵數據，相當於給火星拍了一張特殊的照片。

　　平常生活中，數碼照片常會標註參數是100萬像素或1000萬像素，而給火星拍的光譜照片特殊之處在於，每一個像素都有一條光譜曲線。

　　由此我們可以知道每個像素對應目標位置裏面的成分信息，再結合照片中目標的幾何形狀與位置關係，就可以在宏觀範圍對火星進行成分探測了。

　　很多國家已對火星進行了探測，並得到了一系列有意義的探測成果，比如：

　　火星上富含氧化鐵，所以火星看起來才這麼紅；

　　發現火星表面有輝石、橄欖石等礦產資源信息以及分佈情況；

　　在火星的極地有冰，其中大部分是乾冰，小部分是水冰。

　　而在火星表面，除了利用吸收光譜以外，還常常採用激光誘導光譜技術。它主要是通過探測對應元素成分的特徵光譜來分析。就像人的指紋一樣，每一種元素都有對應的光譜特徵信息。

　　在火星表面，利用火星車探測的國家主要是美國，得到了很多有價值的成果，如：

　　火星曾經可能有温暖濕潤的環境；

　　火星曾經可能存在過微生物；

　　這些發現，也進一步激發了人類對火星的興趣。今年的火星探測很熱，原計劃有四次火星探測任務，包括中國、美國、阿聯酋和歐空局。後來歐空局因故推遲，所以現在有三個探測器正在奔向火星。

　　02**“光譜眼”是如何探測火星的？**

　　“天問一號”在環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儀，對火星的物質成分進行探測。

　　環繞器上這台儀器的譜段主要在紅外，我們把它叫紅外光譜眼。火星車上的儀器，主要利用激光誘導技術，所以也叫激光光譜眼。

　　我們先來看紅外光譜眼，它是一台高集成的儀器設備，追求的是高靈敏度、高分辨率。要探測576個不同譜段的信息，期望在火星上有更好、更新的科學發現。探測過程中，精確定標是另一個技術難點。

　　**什麼是定標呢？**打個比方，我們以前用手錶時，需要經常對時，去校正它的準確性。同理，紅外光譜眼在探測過程中，也要將所獲得的火星光譜特徵信號校正的更準。這主要依靠多溯源、綜合性的光譜定標方法。

　　多溯源指的是校準用了多個源，包括太陽，自帶的標準燈，冷空間及火星特定區域。通過對這多個目標溯源的觀測，可以更準確、全面瞭解儀器的響應狀況，將探測的數據校對的更準確。

　　同時，探測火星特定區域，這些美國、歐洲等國家探測過的地方，比對我們的數據與他們的數據，在做科學研究時，特別是有新發現的時候，更容易得到同行認可。

　　在火星車上的激光光譜眼是一台功能強大，系統複雜的載荷。能在完成激光誘導光譜探測和紅外光譜探測的同時，還能顯微照相及靈活地指向想要探測的目標。它是由五個部件組成，其中三個部件安裝在火星車的外面。

　　激光誘導光譜在火星上的探測，就像對火星進行“針灸”。把****激光匯聚到約0.2毫米的小點上，發出的高能量密度激光射在火星表面，由此產生高温使物質形成等離子體而發光，看起來就像一個很亮很亮的小點。

　　通過探測其中的光譜信息，我們就能知道探測的火星部位有什麼元素。

　　03**“被逼出來**”的自主創新

　　火星上還有一個必須面對的難題就是如何適應惡劣和複雜的環境。

　　温度是繞不過去的一個坎，雖然火星車對儀器有一定的保温的作用，但激光光譜眼有三個部件是安裝在火星車外面的，就相當於暴露在室外的空調外機。

　　所以它要經受嚴寒，要在接近零下一百度的環境中活下來，並且在低温下能正常的工作，拿到可靠的數據。同時，還要在多沙塵暴的環境中存活並正常工作。

　　這些工作需要突破很多技術難點，那麼，光譜眼是如何突破難點錘鍊出來的呢？主要是靠自主創新，而且是被“逼出來”的自主創新。

　　舉例來講，紅外光譜探測用到了一個技術叫“聲光光譜探測技術”，我們最早開始研製的時候，不是為了火星，而是圍繞月球探測任務開始研發的。

　　它要用到的一個核心器件叫聲光可調濾光器，英文簡寫是AOTF。這個器件當時國內沒有，最有效可行的方式是全球合作。

　　我們找到美國的一家機構，希望能夠定製購買，在美國現有的器件基礎之上，研製出我們需要的應用器件。但是協調下來並未成功，只能靠我們自己做。

　　整個研製過程很困難，因為我們不知道原材料誰能生產，也沒有設計方法與製備工藝，更沒有支撐製造、檢測的設備條件。

　　我們首先在國內找到生長晶體的單位合作，解決大口徑、高性能的二氧化碲晶體材料。

　　後來，又找到一家單位，雖然他們以前沒有做過聲光可調濾光器，但是他們做過聲光原理的器件，具備設計和工藝基礎；

　　同時，研製專用設備，支撐產品研發中的優化設計，製備工藝確認以及最終產品檢驗所需要的測試能力。通過與國內多家單位的協作，我們最終高質量完成了這個國產化器件的研製。

　　有人就會問，為什麼非要用這個技術不可？這其實也是被科學探測需求“逼出來”的。剛剛提到，這項技術的研發，並不是為了火星，而是月球。

　　月球與火星的不同在於，它的表面温度比較高，而且沒有國家去過月球表面探測紅外光譜，沒有經驗可以借鑑。

　　我們經過分析、驗證，AOTF技術很適合在月球較高温度條件下探測紅外光譜。因為它有一個特性——可以用電控選擇波長。

　　每個物體都在發出紅外光，我們人體也一樣。在疫情期間，我們利用人體發出的紅外光可以測量温度。

　　在月球上也一樣，我們儀器本身也發出紅外光，而我們又要測量月球表面的光譜，兩者之間會互相干擾，很難拿到有效的數據。

　　利用AOTF的特性，把信號光關掉的時候，可以測量儀器自身的紅外光，把它打開的時候，測量儀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，利用它可選擇波長的特性，可以探測到高質量的數據。

　　打個比方，我們平時拍照的時候，如果在場景裏有一個很亮的目標和一個很暗的目標，無論如何設定拍照的參數都不太好。要麼亮的地方過曝，白花花的一片，要麼暗的地方很暗，看不清細節。

　　但是我們可以單獨分別針對暗的及亮的地方設置曝光時間和光圈，就都能得到質量較好的圖像效果。

　　同理，要探測目標的幾百個光譜，利用波長選擇特性，我們可以根據每個波長的強度，單獨針對它設定參數進行探測，可以獲得這幾百個光譜最優的信息，最終能拿到好的數據。

　　通過這兩個特性，我們完成了月球的紅外光譜探測，所以這次在火星上應用，我們就有信心多了。

　　歐洲科學家對聲光技術的評價

　　科學儀器探測的數據準確、可靠與否，關係到科學家運用這些數據所開展的科學研究是否能得到國際同行的認可。

　　我們很高興的是，在我們成功研製出月球表面應用的聲光光譜儀器之後，歐洲光譜儀器的首席科學家在期刊上發表了一篇文章，對我們的技術和數據有一個評價——

　　「這是迄今為止，唯一成功實現表面原位探測的AOTF光譜儀器，唯一成功空間應用的AOTF高光譜成像儀，唯一真正意義的畫幅式高光譜儀。」

　　現在，距離“天問一號”發射已經過去50多天了，它仍然在路上。

　　回到開頭的問題——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？我們人類究竟如何走出地球，走向未來的太空時代？

　　“天問一號”任務中對火星表面的物質成分探測，其實是我們深空探測任務中“一小步”。

　　這些宏大目標，都是由無數個這樣的“一小步”來實現的，“積跬步以致千里”，我們走向深空的征程才剛剛開始。