遂古之初，谁传道之？
上下未形，何由考之？
冥昭瞢暗，谁能极之？
冯翼惟象，何以识之？...
2021年2月5日20时，“天问一号”火星探测器顺利完成地火转移段第四次轨道中途修正，并传回首幅火星图像，振奋华夏。“天问一号”自2020年7月23日12时41分在我国海南岛文昌发射升空，由此拉开我国自主火星探测的序幕。春节除夕前后，“天问一号”进行“近火制动”（即“刹车”）减速，被火星引力捕获，将开启惊险刺激的环绕火星之旅。
那么，在“天问一号”传回更多好消息之前，看看你还有哪些功课需要补上？
人类此前开展了多少次火星探测？
刚刚过去的2020年，堪称火星年，上演了多国登台的“探火”大戏。7月20日，阿联酋的“希望号”火星探测器发射升空；紧接着7月23日，我国“天问一号”启程；随后7月30日，美国“毅力号”也奔向火星。
国际火星探测起步于20世纪60年代，2020年以前人类共开展了44次探测活动，其中美国21次，苏联/俄罗斯19次，日本1次，欧空局2次，印度1次。完全成功或部分成功23次，成功率约53%，其中成功着陆火星表面的只有8次（均为美国）。
火星探测的艰难在于：火星离地球比较远，要到达火星轨道，需要携带大量的燃料经过几个月的漫长飞行；要着陆火星表面，探测器需要找到一个合适的切入点，被火星引力场捕获，在火星大气十分稀薄的环境下，探测器要将极高的飞行速度降到零才能着陆，这是每个探测器都要经历的“恐怖七分钟”，迄今为止的火星着陆任务近一半折戟于此。
2020年以前人类开展的火星探测任务统计。（图片来源：改编自网络）
为什么说火星是地球的“姐妹”？
火星是距离太阳第四远的岩质行星，是太阳系中与地球最相似的行星。它的白昼长度和自转轴的倾角几乎与地球相同，火星上的季节、极冠和云层也与地球相似。两者的主要区别在于火星的表面平均温度更低。火星上没有液态水，大气层很稀薄，主要由二氧化碳构成，其表面大气压只有 700 帕斯卡（不到地球的 1% ）。尽管火星比地球更小（直径大约为地球的一半）、更轻（重力大约是地球的1/3，因此如果你在地球上是100斤，在火星上就只有30多斤哦），甚至不是我们最近的邻居（金星才是离地球最近的行星），但它被认为是地球的一颗姊妹行星，有可能成为人类未来的首选殖民地。
火星和地球对比
为什么火星看起来是红色的？
我们看到的火星图像，表面都是红色的，火星又被称为红色星球。这是因为火星的土壤中含有大量的赤铁矿（铁氧化物），这些矿物易于反射太阳光中橙红色的部分，所以火星看起来是红色的。也就是说，火星的土壤中含有大量的铁锈。
火星上是否存在生命？
1996年，一颗编号为ALH 84001的火星陨石登上全球新闻头条。美国科学家在《科学》杂志上发表了一篇文章，声称在这块陨石中找到了含有火星细菌的微化石。这一重磅消息，引发了全球热议，就连当时的美国总统比尔·克林顿也就此发表了正式的电视声明，引发人们对于火星生命的无限遐想。不过那些疑似细菌的杆状结构过于微小，直径只有20-100纳米，虽然大小与理论上的纳米细菌相似，但是更多的科学家认为这些结构不能代表任何形式的生命，因为“形态学不能用作探测原始生命的证据”。
2014年，中国科学家在另一块火星陨石（Tissint）的裂隙以及冲击熔融脉中发现了大分子复杂有机物，更准确地说，是生油母质，或称“干酪根”。地球上的生油母质，是埋藏在地下的生物经过上百万年的高温高压作用后形成的一种类似石油和煤这样的大分子有机物。这些有机物富集较轻的碳同位素，在地球上这是非常显著的生物活动形成的，因为地球上的生命活动（如植物的光合作用等）都明显倾向于富集更轻的碳同位素。然而，我们也无法排除另一种可能性：某些未知的非生物地质过程也可能产生类似的结果。
尽管火星陨石中已经发现了多种有机物，如多环芳香族碳氢化合物和含氮有机物等，然而有机物的发现与外星生命还相去甚远。但可以肯定的是，ALH 84001在40多亿年前形成时，火星正处于温暖湿润的时期，火星表面很有可能曾经存在大量的液态水甚至古海洋，因此这颗行星上很可能曾存在某种形式的生命。但是，随着环境的变化，火星变成了我们今天所认识的极为干燥、寒冷的星球。火星生命的探寻道阻且长，我们希望“天问一号”逐渐揭开这颗红色星球的神秘面纱。
扫描电子显微镜下ALH 84001火星陨石中疑似细菌的杆状结构（左）和Tissint火星陨石中的有机碳——干酪根（右）。（图片来源：改编自NASA和文献２）
神秘的甲烷
火星大气的主要成分是二氧化碳，除此之外，不管是地基望远镜，还是火星探测器都探测到一种特殊的气体——甲烷。甲烷之所以特殊，是因为这种气体会不断被紫外辐射等化学反应所分解，通常只能存在几百年。也就是说，如今的火星大气中能观测到甲烷，意味着火星至少近期还在不断产生甲烷。在地球上，甲烷是生物制造出的气体，因此当 2004 年火星快车在火星大气中发现甲烷时，科学家不免对火星生命再次浮想联翩。
火星上的甲烷还非常神秘。不同探测设备在不同时期观测到的甲烷含量是变化莫测的，有时候“排山倒海”般出现，有时候又“风平浪静”，令人头大。2018年，好奇号通过过去长达五年多（横跨3个火星年）的长期监测，才终于摸清规律：甲烷的出现与季节有关，在火星的夏秋之际达到最大，而之前和之后都显著减小。时至今日，我们仍然不知道神秘的甲烷是如何形成的，又是如何消失的。
火星上产生甲烷的几种可能来源。（图片来源：改编自网络）
火星的“两面性”
我们知道月球有明显的“两面性”：月球正面是光滑平整的黑色“月海”，月球背面是崎岖不平的明亮“陆地”（由于潮汐锁定，我们地球上的人永远看不到这一面）。和月球一样，火星也具有“两面性”。不过不同的是，火星是南北半球不一样。火星靠近南极的2/3 的表面有大量的撞击坑，表面年龄更古老（几十亿年）；而靠近北极的 1/3 的表面则大多是平坦的平原，表面年龄更年轻（几亿年）。南部是崎岖的高原，北部是平坦的低地，两个半球之间高度差异显著，这是火星最明显的地理特征。
关于火星南北分界的起源，一直是科学界争论不休的话题。科学家们对于这一现象的形成提出过多种理论，但是至今没有定论。少数人认为这是火星自身的地质运动形成的，大多数科学家则认为来自外部的猛烈碰撞（一次或多次撞击）。按照“碰撞说”的观点，火星的北半球曾经与南半球差不多，来自太空的小行星猛烈地撞击了北半球，完全摧毁了北半球的外壳，降低了它的高度，抹掉了那里的深坑。接着，新鲜的熔岩从火星内部奔涌出来，重塑了北半球地貌，形成了平坦的低地。当然也有观点认为，小行星撞击的不是北半球，恰恰相反，是南半球。总之，火星的“两面性”一直是火星诸多尚未解决的最大谜团之一，需要更多的探测数据才能揭开。
火星全球勘探者号获取的火星全球地形图（越红越高，越蓝越低），可明显看出火星南北半球之间的差异。（图片来源：改编自NASA/MOLA）
太阳系最高的山和最长的峡谷
火星上没有板块运动，地下的热点只能停留在一个固定区域，加上火星的引力较弱，因此火星上的火山具有巨大的喷发威力，熔岩流持续时间长，规模大，位于太阳系中最高的山峰之列，其中最大的是塔尔西斯地区的奥林帕斯火山，高约 22 千米，是太阳系的火山之王，比地球上的珠穆朗玛峰（8848米）高出近两倍。奥林帕斯火山的山顶有一个令人印象深刻的破火山口（因火山坍陷而形成的碗状圆坑）。由于它是如此高耸巍峨，人们便用古希腊十二主神之家为它命名。火星上另外一些火山也非常引人注目。例如，巨大的亚拔火山是火星上面积最大的火山，它的表面积与中国的国土面积相当。
除此之外，火星上另一个引人注目之处便是水手峡谷，它看起来犹如一道巨大的伤疤。它的命名来自水手9号，是火星上最大的峡谷，也是太阳系最长的峡谷。它位于塔尔西斯火山高原的东侧，长3769公里，最深处7公里，可能是火星壳拉张陷落而成，可与地球的东非大裂谷相比较。
火星上的奥林帕斯火山是太阳系最高的山，比地球上的珠穆朗玛峰高出近两倍（图片来源：改编自文献４）
如何判断一块陨石是否来自火星？
根据国际陨石学会数据，截至2021年2月6日，一共有291块（包括成对陨石）火星陨石获得正式命名。火星陨石是目前人类获得的唯一火星岩石样品，因而异常珍贵。那么如何判断一块陨石是来自火星，而不是月球或者小行星呢？
捕获气体：火星陨石从火星表面溅射出来时，会产生冲击熔融玻璃，这些玻璃会捕获一些气体。这些气体的组成与火星大气（CO2、N2、Ar及其它惰性气体）匹配。
氧同位素成分：所有火星陨石的氧同位素成分都沿着一条独特的质量分异线分布，与地球-月球和小行星不同。
形成年龄：来自小行星的陨石年龄约为45亿年，月球陨石的年龄约为三四十亿年，而火星作为一个大行星，2亿年前甚至还有火山活动。因此如果用放射性同位素衰变测出一块陨石的形成年龄比较年轻，那么它就很有可能来自火星。
火星陨石冲击熔融玻璃中的气体与火星大气成分一致（左），火星陨石的氧同位素构成一条独特的质量分异线（右）。（图片来源：改编自网络）
结束语
星空浩瀚而璀璨，令生活在地球上的人们无不充满好奇。2300多年前，我国浪漫主义诗人屈原用长诗《天问》，向宇宙洪荒发问，表达了华夏儿女对宇宙和真理的追问与求索。从郑和到哥伦布，再到麦哲伦，这些探险家的故事告诉我们，人类从未满足于在同一个地方停留，今天更是将探险的脚步迈向了火星和更深远的太空。这种与生俱来的探索欲望，已经植入我们人类的基因里，我们想要探索我们的世界，了解我们人类本身，这是我们去探索火星的原因，因为那里也许隐藏着关于生命的答案。
参考文献：
1. Jiang Y. and Hsu W. 2012. Petrogenesis of Grove Mountains 020090: An enriched “lherzolitic” shergottite. Meteoritics & Planetary Science 47: 1–17.
2. Lin Y. et al. 2014. NanoSIMS analysis of organic carbon from the Tissint Martian meteorite: Evidence for the past existence of subsurface organic bearing fluids on Mars. Meteoritics & Planetary Science, 49(12), 2201-2218.
3. NASA plans Mars sample-return rover https://www.nature.com/news/nasa-plans-mars-sample-return-rover-1.15207.
4. 宇宙全书：国 家 地 理 新 视 觉 指 南，江苏凤凰科学技术出版社，2020年。
来源：中国科学院紫金山天文台
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