造就Talk·何志平|為了了解火星環(huán)境，我們決定在火星表面“針灸”
我們國家第一個火星探測器——天問一號正在趕赴火星的征途中，明年就會與火星有“第一次的親密接觸”。
有人會問，我們?yōu)槭裁匆ㄟ@么大的力氣去研制火星探測器，為什么要去探測火星？我想主要是“至所未至，知所未知”的好奇心使然。
當(dāng)人們有條件、有能力，也有保障的時候，總是希望去未知的地方看一看。
在科幻電影《火星救援》中，主角成功地在火星上種出了土豆。
那么在現(xiàn)實中，我們能把土豆種出來嗎？什么地方最適合種土豆？什么地方最適合種植物？什么地方最適合改造成人類最容易生存的環(huán)境呢？
《火星救援》中馬克依靠聰明才智來制造水、種土豆，以此維生，最終成功等到救援
火星探測器是如何“看見”火星的？
分析火星地表成分要靠“針灸”來實現(xiàn)？
火星的極端天氣對探測有何影響？
01 火星上有冰、有礦產(chǎn)甚至可能存在過微生物
有效載荷相當(dāng)于火星探測器的眼睛、耳朵，可以從不同方面探測火星的信息，包括地形地貌、物質(zhì)成分、環(huán)境、地質(zhì)活動，以及氣候條件等。
“天問一號”上配置了13臺套有效載荷，其中環(huán)繞器上7臺套，火星車6臺套。我們將利用環(huán)繞器在火星上空進(jìn)行大范圍的宏觀探測，利用火星車到我們最感興趣的地方開展精細(xì)探測。
這張照片是環(huán)繞器上，利用光譜圖像觀察火星的水冰分布，另一張是在火星表面探測元素成分的光譜示意圖。
為什么光譜可以做到探測物質(zhì)成分呢？這里不得不提到偉大的科學(xué)家牛頓。
提到牛頓，大家常會想到萬有引力，想到牛頓三大定律。其實光譜也是牛頓實驗發(fā)現(xiàn)的，利用棱鏡把太陽光色散，發(fā)現(xiàn)它其實是由很多顏色的光構(gòu)成的。
人的眼睛也可認(rèn)為是一個光譜成像儀器，可以感知不同色彩的圖像。而光譜學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在人眼看不到的地方，也有很多光譜信息。我們就是利用光譜信息與物質(zhì)成分之間的關(guān)聯(lián)性來探測的。
在火星天上，環(huán)繞器主要利用分子吸收光譜，分析火星表面反射太陽的光譜特征數(shù)據(jù)，相當(dāng)于給火星拍了一張?zhí)厥獾恼掌?/font>
平常生活中，數(shù)碼照片常會標(biāo)注參數(shù)是100萬像素或1000萬像素，而給火星拍的光譜照片特殊之處在于，每一個像素都有一條光譜曲線。
由此我們可以知道每個像素對應(yīng)目標(biāo)位置里面的成分信息，再結(jié)合照片中目標(biāo)的幾何形狀與位置關(guān)系，就可以在宏觀范圍對火星進(jìn)行成分探測了。
很多國家已對火星進(jìn)行了探測，并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么紅；
發(fā)現(xiàn)火星表面有輝石、橄欖石等礦產(chǎn)資源信息以及分布情況；
在火星的極地有冰，其中大部分是干冰，小部分是水冰。
而在火星表面，除了利用吸收光譜以外，還常常采用激光誘導(dǎo)光譜技術(shù)。它主要是通過探測對應(yīng)元素成分的特征光譜來分析。就像人的指紋一樣，每一種元素都有對應(yīng)的光譜特征信息。
在火星表面，利用火星車探測的國家主要是美國，得到了很多有價值的成果，如：
火星曾經(jīng)可能有溫暖濕潤的環(huán)境；
火星曾經(jīng)可能存在過微生物；
這些發(fā)現(xiàn)，也進(jìn)一步激發(fā)了人類對火星的興趣。今年的火星探測很熱，原計劃有四次火星探測任務(wù)，包括中國、美國、阿聯(lián)酋和歐空局。后來歐空局因故推遲，所以現(xiàn)在有三個探測器正在奔向火星。
02 “光譜眼”是如何探測火星的？
“天問一號”在環(huán)繞器上配置火星礦物光譜分析儀，在火星車上配置火星表面成分探測儀，對火星的物質(zhì)成分進(jìn)行探測。
環(huán)繞器上這臺儀器的譜段主要在紅外，我們把它叫紅外光譜眼?；鹦擒嚿系膬x器，主要利用激光誘導(dǎo)技術(shù)，所以也叫激光光譜眼。
我們先來看紅外光譜眼，它是一臺高集成的儀器設(shè)備，追求的是高靈敏度、高分辨率。要探測576個不同譜段的信息，期望在火星上有更好、更新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。探測過程中，精確定標(biāo)是另一個技術(shù)難點。
什么是定標(biāo)呢？打個比方，我們以前用手表時，需要經(jīng)常對時，去校正它的準(zhǔn)確性。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征信號校正的更準(zhǔn)。這主要依靠多溯源、綜合性的光譜定標(biāo)方法。
多溯源指的是校準(zhǔn)用了多個源，包括太陽，自帶的標(biāo)準(zhǔn)燈，冷空間及火星特定區(qū)域。通過對這多個目標(biāo)溯源的觀測，可以更準(zhǔn)確、全面了解儀器的響應(yīng)狀況，將探測的數(shù)據(jù)校對的更準(zhǔn)確。
同時，探測火星特定區(qū)域，這些美國、歐洲等國家探測過的地方，比對我們的數(shù)據(jù)與他們的數(shù)據(jù)，在做科學(xué)研究時，特別是有新發(fā)現(xiàn)的時候，更容易得到同行認(rèn)可。
在火星車上的激光光譜眼是一臺功能強大，系統(tǒng)復(fù)雜的載荷。能在完成激光誘導(dǎo)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(biāo)。它是由五個部件組成，其中三個部件安裝在火星車的外面。
激光誘導(dǎo)光譜在火星上的探測，就像對火星進(jìn)行“針灸”。把激光匯聚到約0.2毫米的小點上，發(fā)出的高能量密度激光射在火星表面，由此產(chǎn)生高溫使物質(zhì)形成等離子體而發(fā)光，看起來就像一個很亮很亮的小點。
通過探測其中的光譜信息，我們就能知道探測的火星部位有什么元素。
03 “被逼出來”的自主創(chuàng)新
火星上還有一個必須面對的難題就是如何適應(yīng)惡劣和復(fù)雜的環(huán)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的作用，但激光光譜眼有三個部件是安裝在火星車外面的，就相當(dāng)于暴露在室外的空調(diào)外機。
所以它要經(jīng)受嚴(yán)寒，要在接近零下一百度的環(huán)境中活下來，并且在低溫下能正常的工作，拿到可靠的數(shù)據(jù)。同時，還要在多沙塵暴的環(huán)境中存活并正常工作。
這些工作需要突破很多技術(shù)難點，那么，光譜眼是如何突破難點錘煉出來的呢？主要是靠自主創(chuàng)新，而且是被“逼出來”的自主創(chuàng)新。
舉例來講，紅外光譜探測用到了一個技術(shù)叫“聲光光譜探測技術(shù)”，我們最早開始研制的時候，不是為了火星，而是圍繞月球探測任務(wù)開始研發(fā)的。
它要用到的一個核心器件叫聲光可調(diào)濾光器，英文簡寫是AOTF。這個器件當(dāng)時國內(nèi)沒有，最有效可行的方式是全球合作。
我們找到美國的一家機構(gòu)，希望能夠定制購買，在美國現(xiàn)有的器件基礎(chǔ)之上，研制出我們需要的應(yīng)用器件。但是協(xié)調(diào)下來并未成功，只能靠我們自己做。
整個研制過程很困難，因為我們不知道原材料誰能生產(chǎn)，也沒有設(shè)計方法與制備工藝，更沒有支撐制造、檢測的設(shè)備條件。
我們首先在國內(nèi)找到生長晶體的單位合作，解決大口徑、高性能的二氧化碲晶體材料。
后來，又找到一家單位，雖然他們以前沒有做過聲光可調(diào)濾光器，但是他們做過聲光原理的器件，具備設(shè)計和工藝基礎(chǔ)；
同時，研制專用設(shè)備，支撐產(chǎn)品研發(fā)中的優(yōu)化設(shè)計，制備工藝確認(rèn)以及最終產(chǎn)品檢驗所需要的測試能力。通過與國內(nèi)多家單位的協(xié)作，我們最終高質(zhì)量完成了這個國產(chǎn)化器件的研制。
有人就會問，為什么非要用這個技術(shù)不可？這其實也是被科學(xué)探測需求“逼出來”的。剛剛提到，這項技術(shù)的研發(fā)，并不是為了火星，而是月球。
月球與火星的不同在于，它的表面溫度比較高，而且沒有國家去過月球表面探測紅外光譜，沒有經(jīng)驗可以借鑒。
我們經(jīng)過分析、驗證，AOTF技術(shù)很適合在月球較高溫度條件下探測紅外光譜。因為它有一個特性——可以用電控選擇波長。
每個物體都在發(fā)出紅外光，我們?nèi)梭w也一樣。在疫情期間，我們利用人體發(fā)出的紅外光可以測量溫度。
在月球上也一樣，我們儀器本身也發(fā)出紅外光，而我們又要測量月球表面的光譜，兩者之間會互相干擾，很難拿到有效的數(shù)據(jù)。
利用AOTF的特性，把信號光關(guān)掉的時候，可以測量儀器自身的紅外光，把它打開的時候，測量儀器的紅外光疊加月球紅外光，這樣就很容易算出月球表面光譜的信息。
除此之外，利用它可選擇波長的特性，可以探測到高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。
打個比方，我們平時拍照的時候，如果在場景里有一個很亮的目標(biāo)和一個很暗的目標(biāo)，無論如何設(shè)定拍照的參數(shù)都不太好。要么亮的地方過曝，白花花的一片，要么暗的地方很暗，看不清細(xì)節(jié)。
但是我們可以單獨分別針對暗的及亮的地方設(shè)置曝光時間和光圈，就都能得到質(zhì)量較好的圖像效果。
同理，要探測目標(biāo)的幾百個光譜，利用波長選擇特性，我們可以根據(jù)每個波長的強度，單獨針對它設(shè)定參數(shù)進(jìn)行探測，可以獲得這幾百個光譜最優(yōu)的信息，最終能拿到好的數(shù)據(jù)。
通過這兩個特性，我們完成了月球的紅外光譜探測，所以這次在火星上應(yīng)用，我們就有信心多了。
歐洲科學(xué)家對聲光技術(shù)的評價
科學(xué)儀器探測的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠與否，關(guān)系到科學(xué)家運用這些數(shù)據(jù)所開展的科學(xué)研究是否能得到國際同行的認(rèn)可。
我們很高興的是，在我們成功研制出月球表面應(yīng)用的聲光光譜儀器之后，歐洲光譜儀器的首席科學(xué)家在期刊上發(fā)表了一篇文章，對我們的技術(shù)和數(shù)據(jù)有一個評價——
「這是迄今為止，唯一成功實現(xiàn)表面原位探測的AOTF光譜儀器，唯一成功空間應(yīng)用的AOTF高光譜成像儀，唯一真正意義的畫幅式高光譜儀?！?/font>
現(xiàn)在，距離“天問一號”發(fā)射已經(jīng)過去50多天了，它仍然在路上。
回到開頭的問題——我們究竟能不能在火星上找到最適合種土豆的地方？我們究竟能不能在火星上找到最適合人類改造、生存的地方？我們?nèi)祟惥烤谷绾巫叱龅厍?，走向未來的太空時代？
“天問一號”任務(wù)中對火星表面的物質(zhì)成分探測，其實是我們深空探測任務(wù)中“一小步”。
這些宏大目標(biāo)，都是由無數(shù)個這樣的“一小步”來實現(xiàn)的，“積跬步以致千里”，我們走向深空的征程才剛剛開始。
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