我國第一個火星探測器——“天問一號”正在趕赴火星的征途中，計劃飛行約7個月抵達火星，並透過2至3個月的環繞飛行後著陸火星表面，開展探測任務。“天問一號”將怎樣在火星上進行探測、巡視？請聽中國科學院上海技術物理研究所研究員何志平在“造就talk”上講述“天問一號”的故事。以下為演講主要內容。

何志平在演講中。（圖片由“造就talk”提供）

『火星上可能存在過微生物』

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資訊，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”上一共配置了13臺（套）有效載荷，其中環繞器上有7臺（套），火星車上有6臺（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。

為什麼利用光譜可以探測物質成分呢？這裡不得不提到偉大的科學家牛頓。除了牛頓三大定律，光譜也是牛頓發現的，他利用稜鏡把太陽光色散，發現太陽光其實是由很多顏色的光構成的。

人的眼睛也可以被認為是一個光譜成像儀器，能感知不同色彩的影象。而光譜學研究發現，在人眼看不到的地方，也有很多光譜資訊。我們就是利用光譜資訊與物質成分之間的關聯性來進行探測的。

在火星上，環繞器利用分子吸收光譜，分析火星表面反射太陽的光譜特徵資料，相當於給火星拍了一張特殊的照片。在這些光譜照片中，每一個畫素都有一條光譜曲線。由此，我們可以知道每個畫素對應目標位置中的成分資訊，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。

很多國家已經對火星進行了探測，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；火星表面有輝石、橄欖石等礦產資源；在火星的極地有冰，其中大部分是乾冰，小部分是水冰。火星上可能曾經有溫暖溼潤的環境，也可能存在過微生物。這些發現，都進一步激發了人類對火星的興趣。

『“光譜眼”是如何探測火星的』

“天問一號”在環繞器上配置了火星礦物光譜分析儀，這臺儀器的譜段主要是紅外線，我們把它叫作“紅外光譜眼”。在火星車上配置了火星表面成分探測儀，主要是利用鐳射誘導技術，所以也叫“鐳射光譜眼”。

我們先來看紅外光譜眼。它是一臺高整合的儀器裝置，能探測576個不同譜段的資訊，追求的是高靈敏度、高解析度。

在探測過程中，精確定標是另一個技術難點。什麼是定標呢？打個比方，我們以前用機械手錶經常需要對時，以校正它的準確率。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訊號進行校正。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。透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，將探測的資料校對得更準確。

火星車上的鐳射光譜眼則是一臺功能強大、系統複雜的載荷。它能在完成鐳射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。它由5個部件組成，其中3個部件安裝在火星車的外面。

鐳射誘導光譜在火星上探測，就像對火星進行針灸。它是把鐳射匯聚到約0。2毫米的小點上，發出的高能量密度鐳射射在火星表面，由此產生的高溫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。透過探測其中的光譜資訊，我們就能知道探測的火星部位是由什麼元素組成的。

『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。

溫度是繞不過去的一個坎，雖然火星車對儀器有一定的保溫作用，但鐳射光譜眼有3個部件安裝在火星車外，這就意味著它要在接近-100℃的環境中工作。此外，火星上還有很多沙塵暴。

那麼，光譜眼是如何克服這些困難的呢？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”，我們最早研製這個技術，不是為了火星，而是圍繞月球探測任務而研發的。它涉及一個核心器件叫聲光可調濾光器（簡稱aotf）。這個器件當時國內沒有，我們找到美國的一家機構，希望能夠定製購買，但是協調下來沒有成功，只能靠我們自己研製。

整個研製過程非常艱難，因為我們不知道誰能生產原材料，也不知道設計方法與製作工藝，更沒有製造、檢測這個器件的裝置條件。我們首先在國內找到了生產大口徑、高效能的二氧化碲晶體材料的合作單位。接著又找到一家單位，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，我們開始研製專用裝置，支撐產品研發中的最佳化設計、製備工藝確認以及最終產品檢驗所需要的測試。透過與國內多家單位的協作，我們最終高質量地完成了這個器件的國產化研製。

科學儀器探測的資料準確、可靠與否，關係到科學家運用這些資料所開展的科學研究是否能得到同行的認可。讓我們很高興的是，在我們成功研製出月球表面應用的聲光光譜儀器後，歐洲有關專家認為：“這是迄今為止唯一成功實現表面原位探測的aotf光譜儀器，是唯一成功用於空間應用的aotf高光譜成像儀，也是唯一真正意義的畫幅式高光譜成像儀。”因為之前順利完成了月球的紅外光譜探測，所以對於這次在火星上的應用，我們更有信心了。

其實，“天問一號”任務中對火星表面的物質成分探測，只是我們深空探測任務的一小步。我們能不能在火星上找到適合人類生存的地方？我們人類究竟如何走出地球，走向未來的太空時代？這些宏大的目標，都是由無數個“一小步”來實現的。

我們走向深空的征程，才剛剛開始。

欄目主編：龔丹韻

本文作者：何志平

文字編輯：徐蓓

題圖來源：國家航天局供圖

圖片編輯：項建英