魏勇:穿越時空遇見火星_風聞
CC讲坛-CC讲坛官方账号-创新引领未来,传播改变世界。2021-03-18 14:17
藍色地球,紅色火星,孿生又殊途。穿越時空阻隔,遇見火星,方知何為地球。深空探測看當代,行星科學靠未來。
我是研究火星的,今天講一個關於天問一號的故事。
我們先看一張照片,這是中國自己設計的探測器,第一次在另外一個行星上發回來的行星的照片,具有非常偉大的歷史意義。我覺得每一箇中國人看到這張照片,都應該感到自豪,我作為一個研究行星科學的,看到這張照片的感受是:這個照片太酷了。
我們來想一想,手機、互聯網、電腦,這些東西徹底地改變了我們的生活。但是大家有沒有想過,這些東西給我們的感受是從羣居變成了獨居。因為我們人類從靈長類動物演化而來,我們看所有的靈長類動物,甚至絕大多數的動物都是羣居的,羣居有利於它們的生存。但是這些發明,居然令我們變得獨居了,這個事情是很奇怪的。
我們人類為什麼會發明這些東西?我們人類一旦要發明一個東西,通常是有一些需求,比如説:我們人類想跑得更快一點,我們就發明一個自行車;還想跑得更快,我就發明汽車;我還想更快,我就發明飛機;這中間是有一種需求在驅動,但是我們人類什麼時候需要去發明手機,互聯網,還有電腦,這些東西呢?答案是為了深空探測而設計的。
深空探測,可以説是我們整個20世紀,人類幹過的最酷的事。
1969年美國人登上了月球,他們開了輛月球車,甚至在月球上飆車, 帶回來382公斤的月壤,很酷。
1986年的時候,蘇聯、日本和德國組成了一個聯合艦隊,成功穿越了哈雷彗星。哈雷彗星每隔七十六年迴歸一次,1986年的時候迴歸。
哈雷彗星它是一個什麼東西呢?它是一個大約直徑十幾公里的大石頭,大概相當於北京的三環以內的區域那麼大。你要在茫茫的太空中,去探測這樣一個東西,是非常困難的,但當時五個探測器就做到了。
我們中國的彗星探測什麼時候要進行呢?將於2024年發射,2035年飛到。這是一件非常酷的事,可惜當年沒有電視直播,我們誰都沒趕上,很遺憾。
不過現在機會來了,我們將見證另外一件非常酷的事,由中國、美國和阿聯酋共同組建了一個火星艦隊,它們馬上就要飛到火星上去,我們將有幸親眼見證,這麼一個偉大的時刻,偉大的事件。
這是我們的天問一號,它有一個環繞器,還有一個火星車或者叫做巡視器,能夠對火星進行天上和地下聯合全方位的探測。那麼問題來了,天問一號要探什麼呢?
時間倒回到2010年的8月份,這張照片是我們一次開會的間歇拍下來的,最右邊看着鏡頭的就是我,當年我29歲,研究生剛畢業兩年,當時還在做博士後。我要研究火星的水為什麼會消失掉,但是並沒有想到我所研究的內容,將來會成為國家戰略的重要組成部分。而我旁邊這位是我的老師,他叫萬衞星,當年他52歲,他心裏面在考慮的是中國的行星探測將來要探什麼。
這是2010年我們當時開會的場景,第二次金星探測會議,因為當時我們接到國家給的任務,要研討一下中國的行星探測探什麼,不光是有火星,還有金星,還有其他的行星。雖然第二次的“二”下面坐的是我,但我並不是主角,當時我只是一個博士後,真正的主角在最左邊穿藍衣服的,我的導師萬衞星,他就是後來的天問一號的首席科學家。
他當時給我們提出來一個研討的方案:人類的深空探測已經探了這麼多年,我們知道什麼呢?我們還不知道什麼?我們中國人在這方面將來要探什麼?我們要有一個定位,深空探測、行星探測、它不是一個國家的事,它是全人類的事,我們先搞清楚,別的國家探明白什麼了,然後再去定我們中國人要探什麼。
從2010年一直到現在,十來年的功夫,我們一直都是在緊密地關注國外的深空探測,關注國外的行星科學的成果,去準確地把握行星知識的最前沿,就能知曉下一步中國人應該在哪一個方面做貢獻。
在過去大約六十年裏,基本上人類的探測器已經探遍了太陽系的所有的行星,還包括一些彗星、小行星、還有一些木星和土星的衞星等等。這麼多探測器發出去,我們可以看到,每一個圓環上面有很多同心圓,每一條線都是代表着一次探測計劃。我們看到探的最多的是月球,其次就是火星和金星,我們現在有一個什麼樣的結論呢?
這是我們所有的着陸器着陸到其它天體上拍攝的照片,這些全都是真實的照片,目前我們就只着陸過這麼多天體。
我們從最左邊開始看,第一個是金星,金星的地表400多攝氏度的高温,92個大氣壓,這是一個標準的地獄;第二個是地球,我們的家園;第三個是月球,我們看到一片荒涼貧瘠;再接下來三個是小行星,除了亂石,別的我們也什麼都看不到;倒數第三個是火星,我們熟悉的這種很荒涼的景象;倒數第二個是一顆彗星,彗星的地表,大家可以看到它其實就是一塊石頭,如果不接近太陽是不會噴發的,沒有那麼美麗的尾巴;最後土衞六,曾經被我們寄予厚望,覺得我們一定可以在上面找到生命,隨着探測的越來越深入,希望變得越來越小,但是科學家們並沒有放棄,我們希望能有更多的探測器,去加入到探測的行列。
那麼問題就來了,我們看到的行星是這樣,它們是不是本來就是這樣?太陽系是在四十六億年前形成的,太陽和所有的行星同期形成,到現在我們看到它們不同的樣子。那在四十六億年前本身就是這樣,還是説後來它逐漸地變成這樣呢?
我們探測最多的是火星,我們看到了什麼呢?這個學名叫做沖積扇,在地球上有很多,是由於河流沖刷所形成的特殊的地貌。好奇號火星車,跑到這些看起來像遠古河道的地方,發現了什麼呢?如果這張照片,我不説它是火星,可能你還以為是地球。
我們知道在地球上,只有河流沖刷,就能形成鵝卵石,所以這個火星上的鵝卵石應該就是在四十多億年前,由於河流沖刷所形成的,這是目前科學界給的一個比較公認的結論。
今天我們看到,火星是不毛之地,很貧瘠、很荒蕪。但是種種的科學證據告訴我們,在四十二億年前,它跟地球是非常相像的,它也有過河流,有過海洋,只不過是後來逐漸地變成了今天這個樣子。經過四十多億年火星乾涸了,地球為什麼沒有乾涸?再過四十多億年,地球會不會走上火星的老路,也會變成乾涸的呢?地球是不是也會變成火星這個樣子,從此再無生命?所以地球的未來是不是今天我們看到火星的樣子,這就是我們要研究的一個問題。基於這個目的,在過去十年裏面,我們做了很多的佈局,我們要從火星入手,對行星進行研究。
我們有三個地方可以研究火星:
第一個離我們最近的、每個人都可以去的柴達木盆地。柴達木盆地在青海省,它的地貌是跟火星的古湖泊盆地非常的相似,乾旱、低温、高鹽、高輻射,已經是被公認為典型的地球、火星類比的研究基地之一。
這張照片是我用手機拍攝於去年的八月份,從青海的賽什騰山,海拔4300米拍攝的。這是十二月份,雖然大雪已經封山,但是你可以看到一個非常巨大的變化,在青海省政府的支持下,我們把整個山頭削平了,修上了路,在上面建起了中國第一座行星望遠鏡。
目前已經即將竣工,將會對天問一號,開展聯合的觀測。這個望遠鏡也可以説不是我們中國人的自己的事,它是整個國際行星科學界的事。在2018年的時候,我們就在《Nature Astronomy》上發了一篇文章,介紹中國的行星探測計劃,未來十年,二十年,我們都有什麼樣的計劃。我們就介紹了這個望遠鏡,它不僅可以探測火星,還可以探測木星,因為中國特殊的地貌,所以在中國建設這個望遠鏡,可以跟歐洲的望遠鏡聯合觀測,形成24小時不間斷的觀測,會對世界的行星科學界,有關火星和木星的研究,起到一個非常大的促進的作用,可以説這個望遠鏡是國際行星科學界都是非常期待的事情。
第二個我們可以研究的地方叫做臨近空間。臨近空間是指大約距離地面20~100公里的區域,它的環境參數比青海省是更加接近火星,缺氧、低温、高UV輻射、強宇宙射線、還有低重力。我們最高的跳傘記錄就是從這個區域誕生的,最高紀錄大概是41000米,是谷歌的副總裁創造的。我們可以看到他跳傘時穿了宇航服,因為在這個地方有很強的宇宙射線輻射,如果不穿宇航服,很可能對身體有致命的傷害。要到達這個高度飛機是不行的,普通的民航飛機通常最高飛到12000米,而這個地方比較核心的區域是3~4萬米之間,只有一種工具比較適合就是氣球。
這個氣球裏面充的是氦氣,我們中國科學院成立了一個先導專項,叫做“鴻鵠專項”,我本人是擔任這個專項的首席科學家。我們整個專項最核心的科學目標,就是要利用氣球,利用浮空器,浮空平台,來研究行星科學。
下面可以看一下我們做實驗的場景,這個氣球在起飛的時候它是癟的,上面會攜帶一個載荷艙,我們的科學儀器都在這個黑色的載荷艙裏面保存着。你可以看到這個氣球目前還不是飽的,這是因為靠近地面氣壓比較高,越往上氣壓越低,它就會膨脹,到達平飛高度,也就是30公里以上,載荷儀器就可以開始工作了,這個階段氣球就變得脹滿了,變成很圓的。當實驗結束之後,它就會啓動一個切割器,把氣球拋棄掉,啓動降落傘,然後讓科學載荷能夠安全地到達地面,重複利用,因為載荷科學儀器也都是比較昂貴的。
第三個我們一直在佈局做的,就是我們要充分地利用歷史上的,其他國家火星探測所產生的科學數據,來進行一個綜合性的研究。大家可以看到,曾經有過幾十次的探測,當然美國貢獻的是最多的,其次還有蘇聯、日本、法國等等,除了飛行器,還有火星車。利用這些已有的觀測數據,結合我們的數據分析,對於火星的水為什麼會消失掉,我們現在有一個什麼樣的結論呢?
太陽時刻在噴出一種叫做太陽風的物質,它的時速高達150萬公里,這麼高速的一個太陽風,它的主要成分是氫離子,它如果衝擊到一個行星的大氣上,是足以把行星的大氣給吹得脱離行星,逃逸到行星系空間去。而大氣和海洋,它是一整套的系統,是有循環的,如果大氣跑了,那麼海洋也會跟着消失。什麼東西能擋住太陽風呢?就是磁場,因為帶電粒子遇到磁場會偏轉,它的路徑會發生改變。所以地球是因為有了一個很強大的地磁場的存在,它就像一把雨傘擋住了雨的沖刷,而火星甚至包括金星是沒有磁場的,沒有磁場的保護,高速的太陽風衝擊到火星的大氣上去,經過了幾十億年,把火星的水全部給吹的逃逸掉了。
這是我們關於這個猜想的一個動畫:最開始的時候太陽噴出太陽風,火星也是有磁場的,但是不知道為什麼,三十八億年前的時候,火星的磁場突然消失了,消失之後太陽風就可以直接吹到火星的大氣,然後逐漸把大氣和水全部都吹走了。經過了將近四十億年,火星逐漸地乾涸,變成我們今天所看到的樣子。
磁場這麼重要,是不是有磁場就行了呢?其實不光是我們普通人會這麼想,美國行星科學界最頂尖的一批科學家也是這麼想的。美國國家航天局NASA行星科學部的主任,首席科學家Jim Green教授,在2017年就提出利用磁場,復活火星:我們在火星的L1點,放上一個人工大磁鐵,是不是火星就可以重新變成地球了?
當然這個説法遭到了另外一批頂尖科學家的反駁,其中一位叫做Jakosky,這位教授他在經過詳細的研究之後,他發現這個想法是不現實的。不現實的原因,可能超乎大家的想象,原因居然是二氧化碳太少了。二氧化碳在地球上,我們覺得這是一個很討厭的東西,導致全球變暖。可是在火星上,就變成一個好東西,因為火星最高温度20多攝氏度,最低温度零下100多攝氏度,它是一個比較寒冷的星球,如果有足夠多的二氧化碳,就可以讓它變暖。但是很可惜,火星沒有那麼多二氧化碳,所以即使加上磁場,火星也不能再變成地球。
那麼現在得到一個什麼印象呢?火星和地球,四十六億年前同時出生,它們就像一對孿生兄弟,但是後來隨着它們的成長,走上了不同的人生路徑。當我們看到這對兄弟的時候,我們能看見它們身上有對方的影子,但是是兩個完全不同的人。它們的過去發生了什麼我們不知道,但是如果我們想知道它們發生了什麼,它們彼此互為最好的參照。
**我們還有那麼多的未知,新的探索即將開始。天問一號、希望號和毅力號即將到達火星,未來還將繼續,這些探索要靠誰呢?我們要靠一批又一批的年輕人。**那麼這些年輕人會從哪裏產生呢?我們需要有行星科學的教育。2021年中國科學院大學,將會率先成立行星科學一級學科,目前我們已經開展了研究生的招生,本科生的招生下一步會繼續。一級學科是深空探測國家戰略,將會是未來十年,我們中國高等教育界的一件非常重大的事件。
什麼是一級學科呢?我們知道物理、化學、數學、天文這叫一級學科。我們為什麼要分學科呢?我們説一個科學家,他是研究物理的,他是研究化學的,但是我們現在如果説一個人是研究行星科學的,比如我就歸不到我們現在的教育體系裏面去。我的研究生現在拿的學位才剛剛變成行星科學,之前我們也是放在物理學或者地球科學裏面。只有當行星科學一級學科正式的建立起來,並且是要在我們很多的高校推廣的情況下,我們才有可能去把中國的行星科學家團隊建立起來。
天問一號的首席科學家萬衞星老師,他是2020年5月20號去世的。我總覺得他其實並沒有走也並沒有離開,他只是太心急了,自己先去火星探測這些很令人費解的問題。臨走之前他留下了一句話,他説你在跟年輕人做講座的時候,你要把這句話告訴大家,那就是:“深空探測看當代,行星科學靠未來。”