出品|网易科学人栏目组
译者|小小
人类渴望走出宇宙，漫步在火星这颗红色星球的荒芜平原上。许多报道称，伊隆·马斯克（Elon Musk）及其SpaceX公司已经成为这个领域的先行者。然而，美国宇航局、中国航天局以及以及火星协会等机构也正在训练和部署原型机，并在努力解决尝试将人类送上火星所遇到的挑战。但是，在我们如何使帮助人类脱离地球（并在整个过程中保持心理和身体健康）的细节中，自然而然的，搞清楚我们为何要前往火星同样至关重要。最近接受采访时，著名宇航员、工程师、登上月球的第二名人类巴兹·奥尔德林（Buzz Aldrin）解释了为什么火星探索和发现如此重要，并谈及为何我们需要在20年内将人类送上火星。另一为宇航员特里·弗茨(Terry Virts)则提出了将人类送到火星的“三步走”计划。
奥尔德林：2040年人类可登上火星
图1：著名宇航员巴兹·奥尔德林（Buzz Aldrin）在伦敦科学博物馆发表演讲
奥尔德林表示，从科学和技术的角度来看，我们正处于推动勘探界限扩展的最佳时刻。他说，由于最近取得的技术进步，在人类历史上首次航行到其他世界真的是我们力所能及的。他说：“现在是时候开始认真地思考在火星上生活的状态了！我们从来没有如此地接近了解和探索另一个星球。”当被问到如何接近实现这一壮举时，奥尔德林迅速给出他的预测时间表，认为2040年首批人类将登陆火星。
奥尔德林继续谈及为什么冒险去其他世界如此重要，值得注意的是，从许多方面来看，我们的星球是古老而熟悉的，而太阳系中的其他天体都还属于“处女地”。他说：“太空旅行和探索代表着最后的边疆，我们现在正调查和审视有关这颗星球的每寸土地，但依然有很多东西我们还不知道。”然而，奥尔德林指出，这一探索最值得注意的地方不仅仅是为了获得知识或征服新世界。前往火星的旅程将帮助人们重新点燃对科学和创新的激情，造就了对理解和探索充满渴望的年轻一代。
图2：阿波罗11号登月舱的内部视图，显示登月舱飞行员埃德温·奥尔德林（Edwin E. Aldrin）正执行月球登陆任务
当奥尔德林在1969年登上月球时，无数的年轻人被这个故事迷住了，继续追求STEM（科学、极速、数学以及物理）领域的事业，希望能取得类似的成就。事实上，奥尔德林非常清楚这种行为对青少年科学态度的影响，他强调称：“如果我们开始投资于未来一代，最终我们肯定能登上火星。”最终，正如前面提到的，他称这种投资是长期成功的关键。他说：“1903年，人类学会了驾驶飞机。仅仅66年后，我们就实现了月球行走。为了帮助下一代人取得类似的巨大成就，我们必须教育他们，激发他们，鼓励他们对科学、技术、工程、艺术以及数学等学科的热情。”
奥尔德林指出，他始终致力于帮助培养年轻人的这种激情。他说：“这就是Space Share Foundation的使命，也是我全心全意支持的项目。”奥尔德林的Space Share Foundation是个非营利组织，致力于通过向全国各地的教育工作者免费提供教育工具，来激发孩子们对科学技术的热情。这项工作的目的是确保所有的年轻人都能得到他们所需要的资源，以充分发挥他们的潜力。毕竟，谁也不知道下个卡尔·萨根（Carl Sagan）会是谁。
正如美国前总统巴拉克·奥巴马（Barack Obama）在Frontiers Conference的演讲中所指出的那样：“美国充满了托马斯·爱迪生（Thomas Edison）和莱特兄弟（Wright Brothers）的传说，但我们也希望你们能成长为葛丽丝·穆雷·霍普（Grace Murray Hopper，最早的计算机女程序员之一），或者是乔治·华盛顿·卡弗（George Washington Carver，美国教育家）、凯瑟琳·约翰逊（Katherine Johnson，美国物理学家、数学家以及航空航天科学家）等。”
奥尔德林表示，未来20年将人类送上火星的目标极有可能实现，它只需要我们确保年轻人能给予最好的机会。他说：“有时候，我真的不敢相信自己这个来自新泽西州的幸运小子能在月球上行走，通过努力工作，伸手便能触及到星星。”
弗茨：登陆火星应遵循三步走计划
10年前，美国宇航局提出Constellation计划，它的目标是开发新的太空飞船和相关系统，以便将人类送到国际空间站、月球，最终到达更远的火星和其他地方。但在2010年初，由于预算不足，Constellation计划被取消。从那时起，美国就缺乏载人航天的连贯战略。最后，美国宇航员特里·弗茨(Terry Virts)提出了将人类送到火星的计划。
图3：美国宇航员特里·弗茨(Terry Virts)正坐在驾驶舱中
这个计划设定了具体目标，并将激励未来科学家和工程师，将各国团结起来，解决我们在地球上面临的许多技术和政治挑战。有了这些适度的目标，让我们回顾下过去的太空努力。美国宇航局在20世纪60年代后期施行的月球计划实际上分为三个项目，分别是水星、双子座以及最著名的阿波罗计划。
最初阶段，水星项目证明了人类可以在太空中飞行。双子座是这三个项目中最不为人所知的，但它更为关键。它创造并测试了月球着陆所需的技术，包括长时间执行任务、太空行走、计算机和软件开发以及航天器交汇和对接的协议等。最终，阿波罗项目实现了肯尼迪总统著名的宣言，即我们应该“把人送上月球，并让他安全地返回地球”。
但是，如果没有水星或双子座计划，尼尔·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）、巴兹·奥尔德林（Buzz Aldrin）以及他们的追随者就永远也不会到达月球。我给之所以要介绍这段历史，是因为我相信未来的太空战略依然应遵循水星/双子座/阿波罗的三步走平行模式。
第一，我们需要一个愿景。在20世纪60年代，这个愿景是将人类送上月球，现在则是将人类于2030年左右送上火星，并让他们安全返回。毫无疑问，到达火星表面绝对是更耗时的任务。这个愿景更为明确，它不仅仅是“在火星上插上旗帜”，长期目标应该是了解火星环境、地质以及生物历史，同时也要为这个红色星球上的人类搭建栖息地。
第二，国际空间站就相当于水星项目，证明人类能够在太空中长期生活和工作。但下个阶段的太空计划（比如双子座项目）必须致力于开发和测试最终前往火星所需的关键技术。这些技术应该在国际空间站以及月球上测试。其中，最重要的关键技术就是先进的空间推进技术。
利用现有的火箭技术，往返火星需要三年时间。而且执行这项任务的宇航员需要大量补给支持，整个旅程都会暴露在危险的辐射下。更重要的是，确保持续为期3年的任务的关键设备的可靠性将是非常昂贵的。空间电推进引擎可在1年时间内将人类送上火星并返回，这会大幅降低辐射的危险，并规避3年漫长任务执行期出现的其他相关问题。
图4：阿波罗11号登月舱成功降落在月球表面上
与此同时，为期1年的任务花费也会少得多，因为将每公斤物品送上火星需要花费数十万美元。电动引擎在小型卫星上已经使用了几十年，但从未被放大到足够将人类送入太空的规模。要想为这样庞大的引擎提供动力，可能需要50兆瓦的核反应堆。与将核反应堆送入太空面临的技术挑战相比，政治挑战可能更加复杂。
在去红色星球之前，我们还需要开发其他的“双子座”技术。这些包括可靠的生命支持系统，如去除CO2技术、水和氧循环、能够高速发射和回收人员的设备、栖息地、能够着陆并在火星表面自动组装的火星车、支持宇航员在火星上生活和工作的太空服、火星导航和通讯卫星网络以及保护人员免受辐射的创新方法等。最后，在火星表面修建的核电站，需要为提供足够人类生存所需的电力。
这些都是非常昂贵的工作，只有国际合作才有可能实现。但是，还有其他更重要的原因使之成为多国任务。国际空间站上有来自许多国家的宇航员，已经证明了的合作的重要性。即使地球上的国家关系陷入紧张状态，来自相关国家的宇航员组成的国际团队也能密切合作。如果没有合作伙伴的稳定影响，美国是否有足够的政治意愿来坚持长期的火星计划，不禁令人产生怀疑。最后，这个项目必须获得美国两大主要政党支持，总统应该与众议院和参议院的少数党领导人共同促进这一愿景。否则，到本届政府任期结束，美国太空计划注定要再次取消。
第三，如果我们做这些事情——制定促进太空探索的一致愿景，建立国际合作，推行双子座式的技术发展计划，我们将在不久的将来再次实现“阿波罗计划”，只是这次的目标变成了火星。
火星4大谜团有待破解
尽管人类对火星依然所知有限，但却从未停止过探索的脚部，美国宇航局发射的“好奇号”火星探测器就是其中的佼佼者。自从2012年登陆火星表面以来，好奇号已经在那里度过5个年头。这个小机器人在火星表面进行各种各样的科学实验，已经帮助我们了解了许多火星知识。好奇号的使命很简单，就是寻找火星上可能曾经适合居住的迹象，当然是适合微生物的环境，而不是马特·达蒙（Matt Damon）！
图5：好奇号火星探测器的任务并非仅限于自拍，它的探索任务将延长至明年10月份
为了实现这个目标，美国宇航局把好奇号送到盖尔陨石坑。这是个巨大的撞击盆地，中心有一座山。好奇号已经穿过陨石坑，正在翻过岩石。一路上，它收集了许多有关生命所需的水、矿物质、有机化学物质以及其他材料的古代证据。好奇号的表现如此出色，以至美国宇航局决定将其任务延长到2018年10月份。毕竟，仍然有许多有趣的化学和地质现象有待调查。
当好奇号继续攀爬陨石坑中部的夏普山时，它将探索三个新的岩层，包括以铁矿物（赤铁矿）、粘土以及含有大量硫酸盐为主的岩层。明年好奇号还会继续挖掘吗？这里共有4个谜团以待它帮助解开（或者至少找到更多线索）。
1.火星上还有远古生命吗？
任何生命迹象都有可能促使发现微生物。好奇号可以利用名为Mars Hand Lens Imager的工具拍摄微小物体的图像。可是为了成功找到微生物化石，那些古老的细胞体积必须很大才行。好奇号要做的不仅是扫描用于构建这类细胞的化学物质，还可以使用它的便携式化学实验室SAM（在火星上进行样本分析）。到目前为止，SAM已经发现少量有机分子，也就是里面含有碳分子。
这种环状的化学氯苯出现在古代的泥岩中，它的发现令科学家们激动万分，毕竟这种分子链会制造细胞壁之类的东西。美国宇航局喷气推进实验室（JPL）的行星科学家阿什温·瓦萨瓦德（Ashwin Vasavada）说：“到目前为止，我们只发现了简单的有机分子。”在地球上，化学实验室的侦探工作可能会发现，是否有较大的有机化学物质可能会在火星表面降解为较小的物质，如氯苯。
好奇号可能会发现由碳链构成的更大分子。好奇号携带两套烧杯以进行化学实验。干燥烧杯中含有能提取难以发现的有机化合物的化学物质。而到目前为止，“湿”烧杯还没有被使用过。2016年12月份好奇号执行钻探任务寻找有机物时出现问题，导致其临时进入待机状态。然而，美国宇航局表示可能的解决方案已经有效。
2.火星如何从潮湿温暖变得寒冷干燥？
有研究指出，火星上面曾经有过水。事实上，盖尔陨石坑曾经有个被河流填满的湖。此外，好奇号首次钻孔取样检测到的化学物质，只能在非酸性环境中形成，这种环境对地球类生命来说十分舒适，其中的化学物质包括硫酸钙。岩石中也含有粘土，这些也都是在水里形成的，而且只有在微咸的水中才能形成。
美国宇航局的科学家得出结论，火星土壤似乎是地球以外发现的“最好客”的环境。但事情并未始终保持安逸状态，大约35亿年前，事情发生了变化。现在的理论是，当火星失去保护磁场时，来自太阳的粒子开始剥离这颗红色星球的大气层。直到今天，火星的大气层继续受到侵蚀。瓦萨瓦德解释称：“这引发了气候变化，从表面可支持水存在的状态变为如今干燥荒芜的星球。”在火星大气中，好奇号发现重元素占了相当大的比例。这支持了一种观点，即轻元素曾经存在过，但已经成为历史。
还有一个机会，随着好奇号继续向上爬，它可以捕捉到这个地区从湿到干过渡的证据。到目前为止，好奇号已经调查了潮湿时代末期的岩石。它们显示，这个星球的水面湖泊曾经存在了数千年！好奇号现在正在接近的岩石位置显得比较年轻。喷气推进实验室的研究科学家阿比盖尔·弗雷伊曼（Abigail Fraeman）说：“希望通过观察这些岩石的全球性变化，我们能从中得到一些启示。”
图6：过去五年间，好奇号始终在探索这个古老的湖床，现在它进入了未知的区域，那里存在三个新的岩层或单元，分别是赤铁矿、粘土以及硫酸盐。来自这些地区的数据可以告诉科学家们，这些岩层到底是由什么构成的，以及它们如何适应夏普山以及火星历史的。
3.今天火星真的有流动的水吗？
有些矿物盐会吸收水分，然后再分解成液体。好奇号小组在盖尔陨石坑中寻找这样的水爆迹象，它可能是上述过程产生的。结果空空如也。2年前，火星侦察轨道器抓拍到了移动的盐条纹图像。这些表明火星上曾经有过流动的水。这些照片就是最好的证据，可证明火星液态水不会永远消失。夏普山也有这样的暗色条纹，好奇号不时地拍下它们的照片。瓦萨瓦德说：“这是我们持续关注的事情。”如果条纹改变的方式预示着它们正在移动，好奇号可能会继续寻找水。只是到目前为止，这些条纹还没有改变。
4.火星大气中甲烷的来源是什么？
在地球上，微生物是沼气的甲烷气体的主要生产者。火星空气中也含有甲烷成分，但它从何而来还不清楚。火星大气中的甲烷含量在一年时间里的变化不大，温度或压力的变化可能是这些微妙波动背后的主因。好奇号将继续监测甲烷水平，还将收集更多的数据，希望能有助于查明其波动的背后原因。
2014年底，科学家们发现火星大气中的甲烷含量上升了10倍。他们现在怀疑，火星大气中的甲烷智慧保留大约300年。所以，这是相当新的补充。瓦萨瓦德说：“这并不一定意味着它正在积极创造甲烷气体，也可能是老甲烷被从地下释放出来。比如矿物质与地下水相互作用，有时就会产生甲烷气体。
火星上的甲烷也可能是行星表面破裂时，行星尘埃颗粒的产物。另一个可能的解释就是上面存在生命！瓦萨瓦德表示：“我们对于火星上到底发生了什么一无所知，但我们不应该排除上面存在生命的可能。”他强调称，火星生命不太可能存在，但也不能完全排除在外。
本文来源：网易科学人
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