从地球走向深空：人类航天探索历程

张保德

　　出品：新浪科技《科学大家》、墨子沙龙

　　撰文：汪毓明 中国科学技术大学地球和空间科学学院执行院长、中科院比较行星学卓越创新中心主任、中科院B类先导专项“类地行星的形成演化及其宜居性”首席科学家。

　　今天的话题放在这个时候讲是很应景，因为今年是我国第一颗人造卫星成功发射50周年。这里必须要提到一位非常伟大的科学家——赵九章先生。他是我所在的中国科学技术大学地球和空间科学学院（当时为“应用地球物理系”）的首任系主任，两弹一星元勋，也是“东方红一号”卫星的总设计师，是中国人造卫星事业的倡导者和奠基人。

　　前不久我国首次深空探测任务“天问一号”成功发射，标志着我国真正迈出了深空和行星探测的第一步。 “天问一号”的13个科学载荷之一星载磁强计就是由我们团队花了将近5年时间研制出来的。

焰王

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　　人类的足迹一直从地球向远处扩展。从陆地，到占领海洋，然后占领天空，后来也占领了近地空间，下一个疆域一定是太阳系的深空和行星。人类走出非洲大草原，走向整个蓝色星球，花了200多万年的时间。从发明望远镜，仰望星空，到第一次进入太空，花了350年的时间。从进入到深空，再到进入星际空间、触摸星际介质，仅花了50年的时间。大家可以看到人类的步伐是越来越快，人类的步伐快到以至于我们无法想象、也无法预期。

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　　星际空间
　　我们再下一站就是星际空间，人类从来没有停止过探索的脚步。现在在星际空间的飞船只有两个，一个是“旅行者一号”，还有一个“旅行者二号”。旅行者号原来是太阳系的行星探测飞船，在2005年前后进入了星际空间，成为人类第一个进入星际空间、触摸星际介质的飞船。“旅行者号”当时还携带了一个使命，号称是穿梭宇宙的时空胶囊。也就是说如果由于某种原因，地球乃至整个太阳系都被毁灭了，宇宙当中还有什么东西能够证明人类曾经存在并如此辉煌过，那就是“旅行者号”。它上面带了一张金唱片，是由特殊材料制成的，可以保存十亿年。如果一不小心被另外一个文明捡到，就知道在宇宙当中还有这么一个文明存在。

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　　差不多5年前，一位科学家提出改造火星大气计划。在火星和太阳的第一拉格朗日点上放一个永磁铁，永磁铁的强度按照他的估计可能也不用太大，1到2个T，也就是1万到2万高斯。现在按照我们实验室等离子体物理技术，瞬时这么高的磁场是可以产生的，在不远的将来，持续的这么大的磁场也是可以预见的。在这种情况下，火星本身的大气逃逸状态就会被改变。可能过个若干年，或许能慢慢恢复出火星原有的宜居环境。这是一个大胆的设想。

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　　在2020年7月底，美国也进行火星探测器的发射。为什么我们扎堆要去火星，而且扎堆在一个时间段，是因为去火星每26个月有一次机会，这是轨道的要求，因为这时去最省燃料。

　　很多学者都认为，火星过去是一个宜居的星球，那它现在为什么不宜居了呢？可能是由于各种原因使大气逃逸而变荒芜了。下一个问题就是，我们有没有办法能够让火星变回宜居状态？就有科学家提出，火星和地球的一个差别就是它没有内禀的磁场。地球有内禀磁场，所以能够屏蔽太阳风，把很多高能粒子挡在外面，降低地球大气的逃逸。火星没有内禀磁场，那我们能不能用人造火星磁层来改造火星的大气呢？

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　　在太阳系的探测里面，最热的还是火星，可以说水和生命一直是火星探测永恒的主题。从上世纪60年代开始，到目前为止，火星探测总共发射有44加3次：44次是前面已经发射的，已经到了火星那边，还有3次就是我们过去一段时间刚发射的，一个是阿联酋的，一个是美国的，还有一个是中国的“天问一号”。

　　在过去已经到达火星的44次探测当中，成功的是23次，可以看到，深空探测、行星探测是非常困难的，风险极大，成功率只有52.3%。中国的“天问一号”还在路上，目前为止都是很顺利的。

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　　除了行星，太阳系还有很多的卫星。木星是一颗非常大的行星，它自己携带了90多颗卫星，其中四颗伽利略卫星是最主要的，所以木星自成一个体系。木星的卫星，我们发现很有可能存在液态水。如果我们看哈勃望远镜所拍的木卫二照片，经常能看到有大的喷泉，当然这个喷泉也可能是其他液体，不一定是水。另外小行星探测器“黎明号”去了太阳系的两个小行星——灶神星和谷神星，发现谷神星有1/4的质量来自水，要比之前的认识多得多。所以可以说在太阳系里确实并不缺水。

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　　探测水是一个非常核心的目标。经过60多年的探索，我们对太阳系有了长足的认识。一句顺口溜概括就是“类地爱氧，类木爱氢”。把这两个结合起来，可以说太阳系从来没缺过“水”，氢、氧合起来就是水。但事实上有液态水的，目前为止发现的只有地球。火星上我们发现有很多河道一样的痕迹，但在古代是不是真的存在水，这还是学术界非常有争议的一个话题。

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　　水还有什么重要的作用呢？它对我们整个地球的板块运动是一种润滑剂。在地球过去漫长的历史当中，大陆分分合合。正是这些板块运动，使得地球上有着物质和能量的循环，如大气循环、碳氮氧各种元素的循环，还有生命的循环。一个造山运动或者一个板块俯冲，就会把地面上的生物带到地面底下，然后若干年之后就成为我们现有的能源：煤、石油。一个宜居的行星之所以宜居，有很多的条件，其中一个条件就是这个行星要足够稳定，不能总是火山爆发、地震，但是也不能死气沉沉，板块运动是一个非常重要的机制。