2月12日，举国欢庆农历新年之际，国家航天局发布我国首次火星探测任务“天问一号”探测器火星捕获过程影像。“天问一号”从遥远的火星传来新春的祝福。
2月10日19时52分，经过长达202天、4.75亿公里的星际远航，我国首次自主火星探测任务“天问一号”探测器成功进入环火轨道，成为我国第一颗人造火星卫星。按照计划，后续“天问一号”还将经过多次轨道调整，进入火星停泊轨道，开展预选着陆区探测，计划于2021年5月至6月择机实施火星着陆，开展巡视探测。
你好，火星，我们来了！
“遂古之初，谁传道之？上下未形，何由考之？……”天问，问天。茫茫宇宙，我们是不是生命的孤独存在？这个终极追问，是人类开展火星探测最根本动力；寻找地外生命，也是人类不断探索宇宙最根本出发点。
文 | 张建松、丁汀
本文转载自微信公众号“新华每日电讯”（ID：xhmrdxwx），原文首发于2021年2月11日，原标题为《天问，问天：茫茫宇宙，我们是不是生命的孤独存在？| 电讯原创》。
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火星承载了人类最多梦想
在茫茫宇宙，太阳系是一个温暖的大家庭。围绕着“太阳母亲”八大行星在各自轨道上有序运转。其中有四颗行星像地球一样，主要是由岩石构成的，被称为类地行星，它们分别是水星、金星、地球和火星。
在地球的兄弟姐妹中，人类为何对“探火”情有独钟？
中国航天科技集团八院509所总体室主任陆希介绍说，这是因为在太阳系只有地球位于“宜居带”。与水星、金星比起来，火星最接近太阳系“宜居带”，是除地球之外，被认为最有可能孕育和存在生命的另一颗行星。自古以来，火星就是一颗承载了人类最多梦想的星球。
↑这是国家航天局公布的“天问一号”在距离火星约220万公里处获取的首幅火星图像。新华社发
如果将太阳系看成一个“大操场”，八大行星在各自的跑道上，逆时针围绕着太阳奔跑。距离太阳最近的水星位于第一跑道，由于距离太近，水星难以承受“母亲”炙热之爱。太阳风吹走了水星上所有空气，白天温度可能高达430摄氏度，夜晚低至零下170摄氏度。由于缺乏大气层保护，水星周身遍布陨石坑，是一个难以孕育生命的蛮荒之地。
人类对水星的探测也极其艰难。由于水星质量很小，引力只有地球的38％左右，导致人类的探测器很难被水星的引力捕获。即便被捕获，在强大的太阳引力作用下，也极易偏离轨道。人类已有的探测表明，“探水”对于人类了解过去很有帮助，但是对于人类渴望的星际移民未来，则毫无希望。
位于太阳系第二跑道的金星，从表面看各方面环境与地球类似，很有可能有孕育生命的条件。因此，在掌握了航天技术后，人类也曾把金星作为探测的目标。1962年，美国“水手二号”曾成功飞掠金星；1974年，“水手十号”飞掠金星并确认了“水手二号”的探测成果：金星表面存在极其浓密的大气，表面温度极高。20世纪中期，苏联启动“金星计划”，共计发射了29个探测器，其中10个成功着陆，最短工作23分钟，最长仅127分钟，金星的生存环境也太恶劣了。
探测表明，金星大气96％为二氧化碳，造成了严重的温室效应，导致金星表面温度在460摄氏度以上；金星表面大气压是地球的92倍；金星空气中滞留了大量火山喷发带来的硫化物，稠密的大气几乎阻挡了所有的阳光，内部一片昏暗；金星磁场也很弱，难以保护生命。总体来看，金星也难以承载人类的期待。
地球的近邻火星成为人类最佳选择。自1960年苏联发射了首颗火星探测器至今，人类已经向火星发射了近50颗探测器，实现了对火星的飞越探测、环绕探测、着陆与巡视探测。随着航天技术发展和探测手段多样化、探测精度不断提高，人类对火星的认识程度不断加深。探测火星、探寻火星生命信息、探索火星宜居性，已成为国际深空探测的主流。
火星上众多科学之谜，吸引了各国科学家。“天问一号”是我国首次自主执行的火星探测任务，将一步实现火星环绕、着陆和巡视探测，获取丰富、立体、多样的火星探测科学数据，这在世界航天史上尚无先例，目标主要是针对火星形貌与地质构造特征、火星表面土壤特征与水冰分布、火星表面物质组成、火星大气电离层及表面气候与环境特征、火星物理场与内部结构等展开科学研究。
↑这是国家航天局公布的“天问一号”在距离火星约220万公里处获取的首幅火星图像及火星部分标志性地貌标示。新华社发
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火星上有生命存在吗？
行星系统的“宜居带”理论认为，一颗行星是否是宜居星球，主要取决于其表面温度是否适合液态水长期存在。火星上是否存在水和生命，一直是人类关注的最重要科学问题。
近20年来，人类发射的火星探测器利用高分辨率成像、光谱、质谱、雷达、中子分析等多种手段，获得了火星上的河流侵蚀地貌、古湖泊河流沉积物、水成矿物、极地冰盖、大气中水蒸气组分等一系列证据，都表明火星早期曾经存在表面水体。这些发现，也暗示了火星过去或者现在存在适宜生命繁衍的环境特征。
↑这张自然色照片反映了火星的真实颜色。
甲烷是最简单的碳氢化合物，地球上90％－95％的甲烷都是生物成因的。2004年欧洲发射的“火星快车”，在火星大气中检测到30ppb的低浓度甲烷气体。2011年美国发射的“好奇”号火星车，也检测到火星大气甲烷的波动，甲烷浓度为7ppb。这些发现令人对火星上的生命充满了遐想。
有科学家认为，火星表面的甲烷不可能是原始甲烷，因为它会在太阳光作用下与羟基结合，形成水和二氧化碳。因此，目前观测到火星上持续存在的甲烷，可以推断火星上有甲烷源。这个甲烷源很可能就是甲烷菌，也就是火星生命。但也有科学家认为，火星大气中的甲烷有可能来源于火星内部地质作用，如火山活动；或者是火星超基性岩的水热反应形成，或者是陨石、彗星、小行星、行星介质等火星之外的物质带入。
人类探索火星上的生命信息，除了发射火星探测器，还可以分析抵达地球的火星陨石。例如，1996年，美国科学家在一块南极火星陨石中，发现了疑似蠕虫化石的结构，推断可能是细菌化石，可能暗示火星在36亿年前可能存在原始形态的微生物。
2011年，降落在摩洛哥沙漠里的一块火星陨石，是迄今为止最新鲜的火星陨石样品。我国陨石科学家林杨挺团队对这块陨石开展了系统的精细分析测试与研究，发现火星陨石中有几微米大小的碳颗粒，并证明这些碳是来自火星的有机质。进一步深入研究还证实，这些碳颗粒是跟煤相似的有机质。
南极格罗夫山是我国最先发现的一个陨石宝库。林杨挺团队在对南极格罗夫山一块火星陨石研究中，发现样品岩浆包裹体的水含量和H同位素具有非常好的对数相关性；水含量和D／H比值非常不均匀，两者都是从中央向外逐渐升高。表明这些水是由外部，通过扩散进入冷却后的岩浆包裹体。表明这是火星大气水，而不是岩浆水。这是科学家首次发现火星存在大气降水的同位素证据。
跌宕起伏的火星生命探测历程，已呈现出令人鼓舞的前景。但科学家认为，最终要确证火星上是否有生命，或者曾经存在过生命，需要进一步确认生物成因的有机质存在，这需要由火星采样返回的样品来发现或证实；或者在火星表面的沉积岩中，直接发现火星的古生物化石。
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火星承载了人类最多梦想
在茫茫宇宙，太阳系是一个温暖的大家庭。围绕着“太阳母亲”八大行星在各自轨道上有序运转。其中有四颗行星像地球一样，主要是由岩石构成的，被称为类地行星，它们分别是水星、金星、地球和火星。
在地球的兄弟姐妹中，人类为何对“探火”情有独钟？
中国航天科技集团八院509所总体室主任陆希介绍说，这是因为在太阳系只有地球位于“宜居带”。与水星、金星比起来，火星最接近太阳系“宜居带”，是除地球之外，被认为最有可能孕育和存在生命的另一颗行星。自古以来，火星就是一颗承载了人类最多梦想的星球。
↑这是国家航天局公布的“天问一号”在距离火星约220万公里处获取的首幅火星图像。新华社发
如果将太阳系看成一个“大操场”，八大行星在各自的跑道上，逆时针围绕着太阳奔跑。距离太阳最近的水星位于第一跑道，由于距离太近，水星难以承受“母亲”炙热之爱。太阳风吹走了水星上所有空气，白天温度可能高达430摄氏度，夜晚低至零下170摄氏度。由于缺乏大气层保护，水星周身遍布陨石坑，是一个难以孕育生命的蛮荒之地。
人类对水星的探测也极其艰难。由于水星质量很小，引力只有地球的38％左右，导致人类的探测器很难被水星的引力捕获。即便被捕获，在强大的太阳引力作用下，也极易偏离轨道。人类已有的探测表明，“探水”对于人类了解过去很有帮助，但是对于人类渴望的星际移民未来，则毫无希望。
位于太阳系第二跑道的金星，从表面看各方面环境与地球类似，很有可能有孕育生命的条件。因此，在掌握了航天技术后，人类也曾把金星作为探测的目标。1962年，美国“水手二号”曾成功飞掠金星；1974年，“水手十号”飞掠金星并确认了“水手二号”的探测成果：金星表面存在极其浓密的大气，表面温度极高。20世纪中期，苏联启动“金星计划”，共计发射了29个探测器，其中10个成功着陆，最短工作23分钟，最长仅127分钟，金星的生存环境也太恶劣了。
探测表明，金星大气96％为二氧化碳，造成了严重的温室效应，导致金星表面温度在460摄氏度以上；金星表面大气压是地球的92倍；金星空气中滞留了大量火山喷发带来的硫化物，稠密的大气几乎阻挡了所有的阳光，内部一片昏暗；金星磁场也很弱，难以保护生命。总体来看，金星也难以承载人类的期待。
地球的近邻火星成为人类最佳选择。自1960年苏联发射了首颗火星探测器至今，人类已经向火星发射了近50颗探测器，实现了对火星的飞越探测、环绕探测、着陆与巡视探测。随着航天技术发展和探测手段多样化、探测精度不断提高，人类对火星的认识程度不断加深。探测火星、探寻火星生命信息、探索火星宜居性，已成为国际深空探测的主流。
火星上众多科学之谜，吸引了各国科学家。“天问一号”是我国首次自主执行的火星探测任务，将一步实现火星环绕、着陆和巡视探测，获取丰富、立体、多样的火星探测科学数据，这在世界航天史上尚无先例，目标主要是针对火星形貌与地质构造特征、火星表面土壤特征与水冰分布、火星表面物质组成、火星大气电离层及表面气候与环境特征、火星物理场与内部结构等展开科学研究。
↑这是国家航天局公布的“天问一号”在距离火星约220万公里处获取的首幅火星图像及火星部分标志性地貌标示。新华社发
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火星上有生命存在吗？
行星系统的“宜居带”理论认为，一颗行星是否是宜居星球，主要取决于其表面温度是否适合液态水长期存在。火星上是否存在水和生命，一直是人类关注的最重要科学问题。
近20年来，人类发射的火星探测器利用高分辨率成像、光谱、质谱、雷达、中子分析等多种手段，获得了火星上的河流侵蚀地貌、古湖泊河流沉积物、水成矿物、极地冰盖、大气中水蒸气组分等一系列证据，都表明火星早期曾经存在表面水体。这些发现，也暗示了火星过去或者现在存在适宜生命繁衍的环境特征。
↑这张自然色照片反映了火星的真实颜色。
甲烷是最简单的碳氢化合物，地球上90％－95％的甲烷都是生物成因的。2004年欧洲发射的“火星快车”，在火星大气中检测到30ppb的低浓度甲烷气体。2011年美国发射的“好奇”号火星车，也检测到火星大气甲烷的波动，甲烷浓度为7ppb。这些发现令人对火星上的生命充满了遐想。
有科学家认为，火星表面的甲烷不可能是原始甲烷，因为它会在太阳光作用下与羟基结合，形成水和二氧化碳。因此，目前观测到火星上持续存在的甲烷，可以推断火星上有甲烷源。这个甲烷源很可能就是甲烷菌，也就是火星生命。但也有科学家认为，火星大气中的甲烷有可能来源于火星内部地质作用，如火山活动；或者是火星超基性岩的水热反应形成，或者是陨石、彗星、小行星、行星介质等火星之外的物质带入。
人类探索火星上的生命信息，除了发射火星探测器，还可以分析抵达地球的火星陨石。例如，1996年，美国科学家在一块南极火星陨石中，发现了疑似蠕虫化石的结构，推断可能是细菌化石，可能暗示火星在36亿年前可能存在原始形态的微生物。
2011年，降落在摩洛哥沙漠里的一块火星陨石，是迄今为止最新鲜的火星陨石样品。我国陨石科学家林杨挺团队对这块陨石开展了系统的精细分析测试与研究，发现火星陨石中有几微米大小的碳颗粒，并证明这些碳是来自火星的有机质。进一步深入研究还证实，这些碳颗粒是跟煤相似的有机质。
南极格罗夫山是我国最先发现的一个陨石宝库。林杨挺团队在对南极格罗夫山一块火星陨石研究中，发现样品岩浆包裹体的水含量和H同位素具有非常好的对数相关性；水含量和D／H比值非常不均匀，两者都是从中央向外逐渐升高。表明这些水是由外部，通过扩散进入冷却后的岩浆包裹体。表明这是火星大气水，而不是岩浆水。这是科学家首次发现火星存在大气降水的同位素证据。
跌宕起伏的火星生命探测历程，已呈现出令人鼓舞的前景。但科学家认为，最终要确证火星上是否有生命，或者曾经存在过生命，需要进一步确认生物成因的有机质存在，这需要由火星采样返回的样品来发现或证实；或者在火星表面的沉积岩中，直接发现火星的古生物化石。
↑火星表面示意图。来源：科技日报。
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火星移民未来可期
人类自出现在地球的那一刻起，就一直不停地为生存空间和生存环境而奋斗。当地球再无力支持人类生存的时候，我们该怎么办？与地球最为相似的火星，能否被改造成另一个地球？在遥远的未来，人类可以移民火星吗？
“未来，人类肯定有望走向另一个星球。火星作为离我们最近的近邻，又是地球的姊妹星，必然成为首选目标。从科学上来说，我们首先需要经过一个漫长的改造过程，使火星的环境地球化。”陆希说。
将一个寒冷、干燥、贫瘠、荒芜的火星，改造为地球一般生机勃勃的温暖世界，首先需要增加火星大气的温室效应，以逐渐升高火星的表面温度，在火星上诱发产生于地球相似的温和环境。如果能使火星的地表温度升温5摄氏度左右，火星表面气压将能达到地球的1／10；液态水也许就能在火星表面局部地区存在。
其次，需要改善火星大气的密度和组分，让火星的大气组分向地球接近。在改造火星土壤和大气成分的同时，人类可以建造一些巨大的穹顶状“天幕城市”，安排地球移民居住。根据这样设想，火星环境有可能在数百年内变得比较温和；在1000年甚至更长的时间，达到完全地球化。那时，太空中的火星颜色，也将从红色，逐渐变成绿色，最后变成蓝色。
陆希认为，从工程技术上来说，人类进行火星移民可以三步走。第一步，派遣机器人到火星上开展相关科学实验；第二步，建立火星科考站，派遣科考队员，在局部封闭的环境里，进行人类生存环境的改造；第三步，建设火星城市，开展人类移民。
“尽管改造火星的过程可能会非常漫长，但探索宇宙就是航天技术发展的驱动力，也是科学发展的驱动力，人类瞄准这个目标共同前进，火星移民未来一定可期。”陆希说，“不过，虽然我们很想去火星开辟第二家园，但更要守护好我们的第一家园，在这个基础上我们开辟第二家园才有意义。”
地球是人类的第一家园，是目前所知唯一存在生命的星球；地球本身，也是唯一有生命系统的星球。自上个世纪80年代以来开展的全球变化研究，是20世纪科学界最大的亮点之一。全球变化提出了人类生存环境的问题，而问题的解答要求超越人类本身的时空尺度，从而催生了地球系统科学。
在同济大学汪品先院士领衔撰写的《地球系统科学》一书中，汪品先院士认为，当今的人类已经成为地球上的“啃老族”，挥霍着三亿年前的树木森林，和两亿年前富有生物储蓄在地里的太阳能，把有机碳氧化了散发在空中，换取自身的物质享受。这种行为犹如“夜半临深池”的盲人瞎马，因为人类并不明白地球环境运作的机理，更不知道自己行为将会产生的后果。
“人类改造火星有多难，我们拥有的地球就有多珍贵。火星探测的另一个科学目标，也正是为了开展比较行星学的研究。通过对比火星和地球两个行星特性、以及可能发生的一些演变过程建模，也许可以看到地球将要以什么样的形式、发生什么样的变化。”陆希说，“如果说火星是地球的过去或者未来，我们就可以探索以什么样的方式，减缓地球发生一些不好的变化，使我们的家园更长久地保持良好运行状态。探测火星，必将让我们更加珍爱地球！”
