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火星，因表面遍布赤铁矿而在夜空中呈现红色。在古罗马，火星被视为战争之神，火星英文名“Mars”正来源于此。我国五行学说认为，“金木水火土”这五种元素分别在天上形成了金星、木星、水星、火星、土星。火星又因其亮度和运行轨迹经常变化而令古人迷惑，故被称为“荧惑”。荧惑在“心宿二”附近逆行，这种现象被称为“荧惑守心”，是古代中国占星学中最凶的天象，被视作皇帝驾崩的征兆。而实际上，火星亮度和运行轨迹的周期性变化只不过是由火星绕太阳公转时相对于地球的位置和间距发生变化引起的。
火星与地球的轨道会合周期为780天，即地、火两星每隔780天出现一次最短间距，因此火星探测器的发射窗口之间相隔约26个月。作为发射窗口年的2020年，是一个热闹的火星探测年。2020年7月20日，阿联酋的“希望号”（Al-Amal）火星探测器发射升空，拉开了年度火星探测的序幕。随后，7月23日我国首颗独立设计并制造的火星探测器“天问一号”顺利发射，拟对火星开展综合性探测，研究火星演化，以及火星磁层、大气、表面环境和内部构造 ［1］ 。7月30日，美国发射了“毅力号”（Perseverance）火星车，开启了对火星微生物的搜寻之旅。迄今为止，人类已经开展了47次火星探测计划，火星成为除地球之外人类探测次数最多的行星。
为什么各国都如此热衷于探测火星呢？
作为太阳系中的近邻，火星和地球拥有太多相似之处（参数对比如图1-1所示）。火星是一颗类地行星，和地球在同一时期形成，拥有和地球类似的早期环境，理论上也和地球一样位于宜居带之中。虽然现在的火星干燥、荒芜、大气稀薄，但是其表面干涸的水系、湖泊、海洋盆地，以及大气层中氩同位素丰度 ［2］ ，都表明火星早期也曾是一个温暖、湿润的星球。既然生命可以在地球上出现，那么就没有理由排除早期火星上存在生命的可能性。
●图1-1 火星和地球的基本参数对比图
注：1mbar=100Pa。
火星上是否存在过生命？现今是否依然存在生命？这些问题吸引着人们不断开展火星探测行动。
人们对火星生命的好奇可以追溯到19世纪。1877年，意大利天文学家乔瓦尼·维尔吉尼奥·斯基帕雷利（Schiaparelli Giovanni Virginio）绘制了第一张火星“地图”。他通过望远镜在火星的明亮区域观测到一些细长的条纹，便将其命名为“渠道”（Canali，有“运河”的意思）。此后，火星生命和火星的宜居性进入了大众视野，火星人成为科幻小说的常客。1938年，美国哥伦比亚广播公司播发了一部关于火星人入侵地球的科幻小说，因其以新闻形式播出，引发了数百万听众的恐慌，很多美国人甚至举家逃亡。
1957年，随着世界上第一颗人造卫星顺利升空，人类进入了太空时代，对火星的探测也提上了日程。1965年，美国探测器“水手”（Mariner）4号首次飞掠火星，传回了22张火星照片。通过这些照片，人类才发现火星表面是一个干燥、荒凉、没有显著地质活动的世界。自那以后，学界不再认为火星上存在高等生物，即使有生物存在，估计也只是像细菌一样的微生物。火星地质活动十分微弱，表面依然存留着几十亿年前的样貌。如果火星存在过生命，那么生命起源时的各种化学活动迹象就有可能保存到现在，这些迹象将为我们解答生命如何起源这一重大问题。因此，火星探测成为研究生命起源的最佳手段。
1971年，“水手”9号进入火星轨道，成为火星的第一颗人造卫星，它为人类拍摄了很多地面望远镜无法获得的火星地表细节特征。1976年，“海盗”（Viking）1号和2号先后完成了在火星表面软着陆的壮举，并拍摄了大量火星河谷的照片，自此开启了搜寻火星地表生命的征途。之后，美国的“机遇号”（Opportunity）和“勇气号”（Spirit）发现火星地表下面有水存在，欧洲航天局（简称欧空局或ESA）的“火星快车”（Mars Express）利用雷达在火星南极冰层下面发现了一处充满液态水的湖泊。2018年，美国“好奇号”（Curiosity）在火星盖尔环形山发现有机物。2019年，美国的“洞察号”（InSight）观测到火震（类似于地球的地震）信号，意味着火星还存在着微弱的地质活动。
至此，水、有机物和能量来源这三大生命存在的必需要素都已经在火星上被发现，但是人们始终没有发现火星生命存在的直接证据。2020年美国发射的“毅力号”携带7种科学载荷、多个摄像头、2个麦克风及首台火星无人机“机智号”（Ingenuity），试图去寻找火星微生物存在的直接证据。
火星探测不仅是我们追寻生命起源这一终极问题的强有力手段，也是拓展人类未来生活可能性的必要途径。地球资源总会耗尽，而火星不仅具有丰富的原位资源和相对宜居的环境，还是人类未来开展外太阳系探测的优质航天基地。因此，虽然火星探测技术难度高，存在着被称为“火星诅咒”（Mars curse）的极高失败率，但是仍然没能消减人类探测火星的热情。美国、俄罗斯、欧洲航天局、中国、印度、日本、阿联酋等国家和机构，甚至民营航天公司SpaceX都在积极开展火星探测活动。尽管火星探测窗口每26个月才会出现一次，但是21世纪以来人类抓住了每一次机会。
2020年顺利发射的“天问一号”是我国首次独立设计研发的火星探测器（图1-2）。通过一次任务完成火星环绕、着陆和巡视三个目标，实现跨越发展，是我国火星探测的特色。
●图1-2 “天问一号”火星探测项目
为了顺利完成这一任务，数十年来我国科研人员努力开展科学研究和技术攻关，在大推力运载火箭制造、软着陆技术开发、深空探测网构建、火星车研制等方面取得了突出成就。2021年5月15日7时18分，“天问一号”火星探测器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区，标志着我国首次火星探测任务取得成功。以“天问一号”的成功发射为开端，我国进入了行星探测新时代。在这个新时代，我们国家需要更多仰望星空的人，因此，2019年，我国30多所高校和研究所成立了中国高校行星科学联盟，新时代火星探测的火种将随着这个联盟的诞生而不断延续。
吴明雨
哈尔滨工业大学（深圳）副教授，深圳市高层次人才，张铁龙教授行星科学研究团队的核心成员之一。主要研究方向为磁层物理和行星物理，获得国家自然科学基金等支持，共主持或参加了相应项目10余项。
张铁龙
哈尔滨工业大学（深圳）教授，国际宇航科学院院士，长江学者讲座教授，“天问一号”环绕器磁强计主任设计师。曾主持过中欧“双星空间计划”和欧洲航天局“金星快车”卫星计划磁场探测项目。主要从事行星科学和深空探测领域的研究，在空间磁场探测领域有杰出贡献。