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科学|被“逼”出来的自主创新技术，“天问一号”将如何探测火星

【科学|被“逼”出来的自主创新技术，“天问一号”将如何探测火星】我国第一个火星探测器——“天问一号”正在赶赴火星的征途中 ， 计划飞行约7个月抵达火星 ， 并通过2至3个月的环绕飞行后着陆火星表面 ， 开展探测任务 。“天问一号”将怎样在火星上进行探测、巡视？请听中国科学院上海技术物理研究所研究员何志平在“造就Talk”上讲述“天问一号”的故事 。以下为演讲主要内容 。
科学|被“逼”出来的自主创新技术，“天问一号”将如何探测火星
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何志平在演讲中 。（图片由“造就Talk”提供）
『火星上可能存在过微生物』
有效载荷相当于火星探测器的眼睛、耳朵 ， 可以从不同方面探测火星的信息 ， 包括地形地貌、物质成分、环境、地质活动以及气候条件等 。
“天问一号”上一共配置了13台（套）有效载荷 ， 其中环绕器上有7台（套） ， 火星车上有6台（套） 。我们将利用环绕器在火星上空进行大范围的宏观探测 ， 利用火星车到我们最感兴趣的地方开展精细探测 。
为什么利用光谱可以探测物质成分呢？这里不得不提到伟大的科学家牛顿 。除了牛顿三大定律 ， 光谱也是牛顿发现的 ， 他利用棱镜把太阳光色散 ， 发现太阳光其实是由很多颜色的光构成的 。
人的眼睛也可以被认为是一个光谱成像仪器 ， 能感知不同色彩的图像 。而光谱学研究发现 ， 在人眼看不到的地方 ， 也有很多光谱信息 。我们就是利用光谱信息与物质成分之间的关联性来进行探测的 。
在火星上 ， 环绕器利用分子吸收光谱 ， 分析火星表面反射太阳的光谱特征数据 ， 相当于给火星拍了一张特殊的照片 。在这些光谱照片中 ， 每一个像素都有一条光谱曲线 。由此 ， 我们可以知道每个像素对应目标位置中的成分信息 ， 再结合照片中目标的几何形状与位置关系 ， 就可以在宏观范围对火星进行成分探测 。
很多国家已经对火星进行了探测 ， 并得到了一系列有意义的探测成果 。比如：火星上富含氧化铁 ， 所以火星看起来才这么红；火星表面有辉石、橄榄石等矿产资源；在火星的极地有冰 ， 其中大部分是干冰 ， 小部分是水冰 。火星上可能曾经有温暖湿润的环境 ， 也可能存在过微生物 。这些发现 ， 都进一步激发了人类对火星的兴趣 。
『“光谱眼”是如何探测火星的』
“天问一号”在环绕器上配置了火星矿物光谱分析仪 ， 这台仪器的谱段主要是红外线 ， 我们把它叫作“红外光谱眼” 。在火星车上配置了火星表面成分探测仪 ， 主要是利用激光诱导技术 ， 所以也叫“激光光谱眼” 。
我们先来看红外光谱眼 。它是一台高集成的仪器设备 ， 能探测576个不同谱段的信息 ， 追求的是高灵敏度、高分辨率 。
在探测过程中 ， 精确定标是另一个技术难点 。什么是定标呢？打个比方 ， 我们以前用机械手表经常需要对时 ， 以校正它的准确率 。同理 ， 红外光谱眼在探测过程中 ， 也要将所获得的火星光谱特征信号进行校正 。这主要依靠多溯源、综合性的光谱定标方法 。多溯源指的是校准用了多个源 ， 包括太阳、自带的标准灯、冷空间及火星特定区域 。通过对这多个目标溯源的观测 ， 可以更准确、全面了解仪器的响应状况 ， 将探测的数据校对得更准确 。
火星车上的激光光谱眼则是一台功能强大、系统复杂的载荷 。它能在完成激光诱导光谱探测和红外光谱探测的同时 ， 还能显微照相及灵活地指向想要探测的目标 。它由5个部件组成 ， 其中3个部件安装在火星车的外面 。
激光诱导光谱在火星上探测 ， 就像对火星进行针灸 。它是把激光汇聚到约0.2毫米的小点上 ， 发出的高能量密度激光射在火星表面 ， 由此产生的高温使物质形成等离子体而发光 ， 看起来就像一个很亮很亮的小点 。通过探测其中的光谱信息 ， 我们就能知道探测的火星部位是由什么元素组成的 。


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