中国为什么要紧随探索太阳系的步伐？

航天 · 2016-11-4 10:57:12

耗资26亿美元、迄今最先进的好奇号火星车探测任务。　　科技立场。　　文/郑永春（赛先生微信公众号：iscientists）　　一、引子　　1970年，NASA科学家恩斯特·史都林格博士以《为什么要探索宇宙》一文，回复了赞比亚修女对航天工程的质疑。　　今天的中国面临着同样的问题，我们的医疗、教育、住房等民生项目需要大量经费，为什么还要花钱去探索月球、火星和太阳系？其实，我们用于太阳系探索的经费非常微不足道，即使我们停下探索项目，也无法立即满足这些民生需求。世界航天强国已经探测了太阳系内的所有天体类型，而我们才刚刚开始探测月球。太阳系探索是全人类共同的事业，这一事业关乎人类未来的命运，关乎我们国家和民族的未来。一个国家的目光看得足够远，这个国家才有光明的未来。如果几十亿投资能够牵引航天技术的跨越式发展，能够扩充人类的认知疆界，被全人类持久关注和深刻记忆，这无疑是占世界人口四分之一的中华民族对全人类的贡献。 　　二、好奇，遂上下而求索 　　好奇是创新的源泉，探索未知世界是人类的天性。太空探索的本质是鼓励创新和探索，浩瀚的宇宙，壮丽的星空，让人类的好奇心得到充分释放。　　从空间上讲，宇宙无边无际，即使小到太阳系，其半径也达10—15万个天文单位，是一个非常广阔、非常巨大的空间。从太空中回望地球，我们发现，相比宇宙、太阳系而言，地球只是茫茫宇宙中一个暗淡的蓝色圆点，一个非常小的、毫不起眼的地方。　　从时间上讲，宇宙的年龄为137亿年，太阳系的年龄为46亿年，都经历了非常古老、极其复杂的演化历史。相比之下，人类在地球上的历史只有200万年，人类文明的历史只有短短5000年，工业革命至今只有数百年，而人的一生只有短短的几十年，相对于宇宙和太阳系的历史而言可谓白驹过隙。　　人类数千年来只能用肉眼观察星空，借助望远镜观测宇宙的历史只有四百年，利用航天器开展太空探索的时间仅有半个多世纪，人类迄今为止对宇宙的认识仍然非常有限。无论我们多么努力地探索和求知，面对广阔而巨大的宇宙，我们始终是那么的无知。因此，人类探索太阳系的第一个原动力来自探索未知世界和未知领域的冲动，我们渴望了解地球以外的世界，希望探访太阳系中的各类天体，这一过程显著推动了基础科学的进步。 　　三、探索，促技术之进步 　　探索太阳系使人类的技术能力得到了显著提升。太阳系探索面对的是未知的天体目标、特殊的天体环境，从地球出发，要历经长期飞行，才能实现对这些天体的飞越、环绕、着陆和表面巡视探测，这一过程几乎逼近人类航天技术能力的极限，一旦实现，将使航天技术得到显著提升。　　探索太阳系的起源和演化是人类开展太阳系探测的终极目标，日益增长的科学需求是牵引航天技术跨越式发展的主要动力。太阳系不同类型天体的环境往往与地球环境存在很大差异，需要采用创新性的技术才能适应和克服这些环境。例如，木星以远的行星探测需要穿越小行星带，奔赴探测目标需要先从其他行星附近飞越以实现借力飞行；小行星带以远的太阳系探测，由于太阳辐射微弱，太阳能电池板已无法满足需求，必须开发太空核能技术以供应探测器所需的能源，由于距离遥远又对航天器的轨道设计、测控通信、数据传输和能源供应提出了更高的要求；金星表面大气压力约为地球的90倍，降的是强腐蚀性的酸雨，登陆探测难度极大，采用浮空气球是探测金星的可能途径，但这一技术在行星探测中还没有任何成功先例；彗星和小行星的直径一般只有数千米至数十千米，结构松散，体积和重量较小，探测器无法被其引力捕获，如何才能实现对这种“不合作”天体的环绕伴飞和表面附着，又能避免撞击，这对航天器的控制精度提出了很高的要求。　　随着对太阳系天体的了解不断深入，针对新提出的科学问题，探测任务早已不再局限于拍一些照片，探测需求变得十分多样化。例如，为了精确测定天体表面的磁场强度，需要将测量磁场的探头从舱内向外伸出10米以上，以避免金属制造的航天器舱体对磁场测量产生干扰和屏蔽。而航天器发射时都是紧密包裹在一起的，如何实现太空伸杆又是一个新的命题；由于天体表面的岩石长期暴露在太空中，受到了风化，行星地质学家们非常希望像在地球上进行野外调查那样，敲开行星表面的石块，通过放大镜观察岩石的新鲜断面，以研究行星的形成和演化过程，为实现这一功能，需要行星表面探测器的机械臂具备敲击、研磨、钻孔和显微成像的能力。　　总之，太阳系探测需要优化的轨道设计，新的测控体制、激光通信和数传技术，小型化的太空核能反应堆，以及多功能、轻小型、长寿命的科学探测设备等，这些探测需求直接推动了航天技术的跨越式发展，牵引人类的知识、能力、技术取得新的进展。因此，太空探索是人类社会文明进步的动力源泉。

每一条细线代表一次太阳系探索任务。图片来源：美国国家地理图片来源：美国国家地理　　四、寻“宝”，缓环境之重压 　　为缓解人类对地球资源和环境的焦虑，我们应该在太阳系中寻找另一个家园。随着人口数量的增长，石油、天然气、金属矿产等地球资源将逐渐枯竭，难以承受我们日益增长的需求。随着生活水平的提高，人均资源消耗量和污染排放量也快速增加，人类面临巨大的环境压力。　　然而，地球环境的容量是有限的，不会允许我们这么折腾，一旦突破环境容量的阈值，人类将受到大自然的报复。我们已经看到，由于人口过多，生存的竞争让许多人变得只顾眼前，我们无暇看看壮丽的星空，无法思考关系人类未来的深远问题。挤公交、闯红灯、抢电梯、捞实惠，我们争先恐后，唯恐慢了半步；面对弱者和不幸，我们没有及时伸出援手；有的人在公共场所乱涂乱画，大声喧哗，完全不顾及他人感受；有的人在万米高空大打出手，全然不顾在飞上高空的瞬间航班上的每个人就已成为命运的共同体；我们只看重眼前的物质财富，只看重对我们“有用”的东西，我们对周围事物的容忍度越来越低。　　由于星际飞行理论还没有实质性突破，人类的探索范围在相当长的时期内将局限在太阳系内。因此，太阳系探索的一个重要目的是在太阳系中寻找人类的第一个家园。虽然我们尚不具备向那里移居或实现大规模移民的能力，但一定要先找到这样的行星，了解他们的环境，研究开发利用之道。从长远看，当未来航天技术高度发达，行星际运输成本大幅下降的时候，现在的月球、火星、木卫二、土卫六将成为太阳系中人类定居的一个个“岛屿”，而地球是这些岛民共同的故乡。

美国计划在月球上设立基地，开发利用月球资源。　　五、灾难，宜未雨绸缪 　　地球和人类面临的重大天文灾难是太阳系探索的主要动力。纵观地球历史，人类将面临超级太阳爆发、小天体撞击地球、地球磁极倒转、伽玛暴和高能射线爆发、超新星爆发、外星生命攻击等不同类型的重大天文灾难。其中，小天体撞击地球是危险等级最高的天文灾难，时刻威胁着地球和人类的可持续发展，需要全世界科学界共同应对。　　根据太阳系探测的结果，我们在月球、水星、火星、行星的卫星、小行星等天体的表面都发现了密密麻麻的撞击坑，这正说明地球也曾经遭受过大规模的、频繁的小天体撞击。目前全世界已经确认的撞击坑已经将近200个，未发现和未确认的撞击坑更多。小天体撞击曾经导致地球环境的剧烈变化和大规模生物灭绝。例如，6500万年前有一颗小行星撞击地球，撞击地点可能在现在的墨西哥湾。这次撞击激起的大量尘埃进入地球大气对流层之上的平流层，挡住了太阳光，导致全球海洋冻结，极地冰盖扩大，地球表面气温骤降，气候环境发生剧烈变化，大约80%的生物种类灭绝，曾经独霸地球的恐龙从此消失。　　离我们较近的小天体撞击发生在1908年，俄罗斯西伯利亚的通古斯地区遭受了小天体撞击，引起数千平方公里的森林大火，大量动植物遭受生态灾难。　　1994年，“苏梅克—列维9号”彗星被木星强大的引力捕获，整颗彗星被撕裂成21块碎片，像一列太空列车一般先赴后继地撞击木星，在气液态的木星表面形成了一连串斑块，每个斑块的大小甚至相当于整个地球。假如“苏梅克—列维9号”彗星的碎片撞击地球，很可能现在人类已经不存在了。

1994年7月17日4:15至22日8:12的5天内，苏梅克—列维9号彗星被木星强大的引力撕裂成21块碎片，前赴后继地撞向木星，释放的能量相当于在木星上引爆了20亿颗原子弹，在木星上形成的伤疤几乎可以装下整个地球。　　最近的例子发生在2013年2月15日，恰逢阖家团圆的中国农历春节，人们通过电视镜头目睹了发生在俄罗斯西西伯利亚的车里亚宾斯克的小天体撞击事件。伴随着一道白光划过天际，几声巨响之后，一个小天体穿过大气层撞击地表。孩子们上学的教室和工厂厂房被破坏，造成大约1500人受伤和7200座建筑物损毁。而后的研究发现，这个小天体只是一个非常小的小行星碎片，进入地球大气层之前的直径仅为18米左右。如果是直径为公里级的小行星撞击地球，则完全可以摧毁一座城市，引发大规模的自然灾难。 　　这些小天体撞击地球的例子并非危言耸听，而是希望提醒大家，地球和人类社会时刻面临着这些毁灭性的重大天文灾难。为应对小天体撞击灾难，我们首先需要监测这些对地球具有潜在危险的小天体，精确测定他们的轨道，预测和预报小天体撞击地球的可能性。其次需要开发新一代航天技术，改变这些具有潜在威胁的小天体的运行轨道，规避撞击地球的风险。在确有把握规避小天体撞击之前，我们需要发展载人航天和地外生存技术，让人类的足迹从地球出发，登陆月球和火星，在地球之外开辟另一个生存家园。只有进行充分的准备，在人类面临灭顶之灾的时候，才有能力避免像恐龙那样成为仅仅出现在地层中的化石，在地球或外星球上延续人类的火种。

小行星撞击地球是人类未来面临的最大危险之一。　　从根本上说，人类未来的命运取决于我们对自然界的理解。开展太阳系探索的主要目的是促进科学探索和技术创新，寻找资源和预防灾难，加深对自然界的理解，造福人类社会。因此太阳系探索是全人类共同的事业。 　　从地球出发，月球是离地球最近的一个天体，离我们只有38万公里，是永不坠落的天然空间站。但月球上没有大气层、没有磁场、没有氧气、没有水、也没有任何形式的生命。月球是一片荒漠，并非是人类宜居的好地方。然而，把月球作为试验平台，通过载人月球探测突破技术，积累经验，是实现载人深空探测和长期地外生存的合理途径。因此，月球是人类向深空进军的必经阶段和重要中转站。 　　六、火星，移民新居所 　　环顾整个太阳系，我们可以发现，火星其实是人类移居的最理想场所，也理所当然地成为世界各国太阳系探测的战略焦点。目前，火星探测已经从早期的全球普查，逐渐聚焦到对重点地区开展精细探测；从火星找水逐步转到寻找生命信息。火星上已经发现了大量三角洲、冲击扇、沟渠等流水侵蚀地貌；一些盆地中的盐类物质与中国柴达木盆地中的干涸盐湖十分相似，说明火星上曾经发育过大型湖泊；2007年发射的凤凰号着陆器直接探测到了火星土壤中的水蒸气；这些证据表明火星表层土壤或许就像青藏高原的冻土层一样，仍然含有水。科学界越来越清晰地认识到，火星是人类面临重大灾难时最有可能移居的避险地。　　火星上有水已经得到确证，那么火星是否适合生命生存呢。生命科学的研究发现，生命可以在很多极端环境和极限条件下生存。细菌和孢子可以在非常寒冷、干燥、隔绝空气的环境下休眠数百万年，在环境条件适宜时重新获得新生。科学家在地球上模拟火星上的辐射、磁场、昼夜温差等环境条件，结果表明10000个被测试的样品中有6个食杆菌属的细菌在30天的试验后仍然存活，证明微生物可以在火星上长期存活。这一实验验证了人类改造火星的一种可能，即把低等微生物作为先锋生物释放到火星表面，通过这些作为先锋队的低等生物吸收二氧化碳，释放氧气，逐步改造火星环境，最终使之适合人类生存。红色的火星或许是人类未来希望之所在。　　需要特别说明的是，我们目前已知的任何一个地外天体上的环境，对人类而言都是非常严酷的。新闻报告中宣称的宜居星球、第二个地球、超级地球等新潮概念，仅仅是这些星球的某些环境条件与地球相似，整体上仍然与地球环境相差甚远。因此，地球是人类唯一的家园，也是最好的家园。一旦离开地球，我们可能找不到比地球更好的、适宜人类生存的环境。“保护地球，保护环境。”不是一句空洞的口号，而是人类在透视寰宇，探索整个太阳系之后的客观现实。迄今为止，只有地球具有最适宜人类和生物生存的环境，如果地球环境被破坏，人类将很难再找到第二个真正的地球。　　“地球是人类的摇篮，但人类不可能永远生活在摇篮中。人类首先小心翼翼地穿出大气层，然后将征服整个太阳系。”“人类现在的能力尚且有限，但已经改造了地球表面。几百万年后，人类将有能力改造地球表面、海洋和大气，可以像控制地球一样控制气候变化和太阳系。人类将穿越太阳系，到其他恒星去寻找新的能源，替代已经老化的太阳。”——航天之父齐奥尔科夫斯基。　　人类一直有一个梦想：飞出地球，在太空中找到第二个“地球”—— 一个新的人类家园。新家园探索的第一步是太阳系探索，特别是在目前地球人口快速增长、资源消耗惊人、环境破坏严重的情况下，人类更有必要加快太阳系探索的脚步。那么，什么是推动太阳系探索的原动力？未来，人类是否可以实现大规模的太空移民？如何才能实现向地外移民的梦想？哪里是人类的未来家园？ 　　郑永春　　中国科学院国家天文台　　首届香江学者，中国科学院青年创新促进会首批会员，国家科普专家

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