天文史上的今天:第一颗人造火星卫星的故事"水手9号"

　　来源：星空早知道

　　1971年5月30日，“水手9号”发射升空。这是人类第一颗火星轨道器，它的探测结果，颠覆了我们对于这颗红色星球的认识，并为未来的火星探测打下基础。


“水手9号”探测器

　　此时此刻，在火星轨道上，有多达6颗探测器正在围绕火星运行，包括3颗美国探测器，2颗欧洲探测器以及1颗印度探测器。

　　但如果向前追溯，人类第一颗进入火星轨道的探测器，同时也是人类围绕其他行星运行的第一颗探测器，是上世纪70年代初的“水手9号”。它于1971年5月30日发射升空，并在同年11月份抵达火星。这颗探测器的探测结果，颠覆了我们对于这颗神秘红色星球的全部认识。


“水手9号”围绕火星的运行轨道，图中可以看到火卫一（Phobos）和火卫二（Deimos）的轨道

　　“水手9号”的相机拍摄了大量火星地表图像，包括一些著名的“地标性”景物，包括火星的极冠，水手峡谷，以及火星的两颗小卫星“福波斯”以及“德莫斯”，它还注意到火星表面存在远古水流的痕迹。

　　“水手9号”一直运行到1972年，任务持续了大约一年多的时间，但它传回的大量图像和数据让美国宇航局得以有把握地在四年之后执行更为大胆的火星探测计划：海盗一号和海盗二号。

　　前赴后继


“水手4号”探测器，这是人类第一颗飞过火星附近的人类探测器

　　在“水手9号”之前，NASA已经执行过几次火星探测计划，但那些都是飞掠探测。在行星探测的早期阶段，美国宇航局的策略是每次都发射“一对”探测器，以便确保一旦有一个出现问题，另一颗探测器能够接过火炬继续前进。

　　1965年，水手4号成为首个飞掠火星的探测器，拍摄了首张近距离的火星地表图像，而它的姊妹飞船“水手3号”在发射时爆炸失败了。

　　四年之后，“水手6号”和“水手7号”仅仅间隔几天时间先后飞过火星。“水手7号”甚至还首次拍摄了火卫一“福波斯”的照片。


　　1965年，水手4号探测器传回的最清晰火星图像，可以看到遍布的撞击坑，显然这是一个荒芜的世界。这对于当时很多幻想着火星生命的人们来说是一次重大打击

　　这些都是相当成功的任务。然而，要想更进一步加深对于火星的了解，科学家们需要长期的连续观测，更详细了解火星上的季节变化，大气，磁场和地表情况。

　　NASA在“水手8号”和“水手9号”上增加了更多载荷，它们计划成为第一批人造火星卫星。由于轨道器的任务时间相比飞掠探测要长得多，因此它们还需要携带更多燃料，安装更强大的发动机。于是，这两颗探测器的质量几乎相当于水手6号和7号的两倍。


厂房内的“水手8号”，很遗憾，这颗探测器在发射时由于火箭故障而未能成功

　　“水手8号”先行出发，1971年5月9日发射，但不幸的是，这次任务的寿命只有短短的6分钟：由于火箭上面级主引擎故障，这颗探测器的命运是一头坠入波多黎各岛以北大约560公里的大西洋上。

　　紧接着，1971年5月30日，“水手9号”接替升空。这一次，这艘飞船成功抵达了太空，朝着火星飞去。

　　未来火星计划的奠基者


　　火星的全球性沙尘暴非常恐怖。这两张图片比较了火星正常情况（左图）和爆发全球性沙尘暴时的情况，根本无法看清地面

　　在太空飞行167天之后，水手9号于1971年11月14日抵达火星。它的主引擎点火15分钟进行减速，最终成功进入了围绕火星运行的轨道――这是NASA历史上的一个伟大时刻。

　　不过，在太空里，事情很少能够完全按照计划发展，“水手9号”现在已经做好了拍摄图像的准备，但是火星本身却出了问题――就在“水手9号”飞向火星的途中，这颗红色星球上从9月份开始出现剧烈的全球性沙尘暴天气，很快就覆盖了整个星球，从轨道上根本无法看清地表。


“水手9号”眼中的“奥林匹斯火山”，这是太阳系最高，最大的山峰――一座死火山


艺术家画笔下的“奥林匹斯火山”

　　其实这本身就是一项发现――天文学家此前就怀疑火星上存在着这样的“超级沙尘暴”，但是这是他们第一次有机会直接观察到这种场面。

　　不过，这也意味着NASA现在必须等待。在弥漫全球的沙尘之中，“水手9号”看到几座巨大的火山突兀地耸立着，那是火星塔尔西斯高原上的三座大型火山，以及更加巨大的“奥林匹斯火山”，这是太阳系中最大，最高的火山。


“水手9号”拍摄的火星塔尔西斯高原上的一座巨大火山

　　直到1972年1月份，这场旷日持久的沙尘暴才逐渐平息下去。当面纱最终揭去，人类目睹的是一个充满变化和多样性的星球。

　　透过“水手9号”的“眼睛”，NASA的科学家们看到了古老的河床，撞击坑，巨大的死火山，峡谷，极地沉积物，沙尘暴，冰晶云，还有皑皑的白色晨雾。


“水手9号”拍摄的火星地表干涸河床


扇状水系，可以想象当年火星上的河网纵横

　　目睹此情此景，火星上是否曾经存在过生命的问题再次凸显出来了。而很显然，要想回答这些问题，最好的办法是向地面上发射着陆器。正是基于“水手9号”的探测结果，确保了后续“海盗”号着陆计划的圆满成功。

　　而我们的主角“水手9号”，它在一年左右的时间里围绕火星运行，传回了7329张照片，拍摄区域覆盖了火星表面80%的区域。

　　巨大的峡谷，以及水手9号的命运


“水手9号”探测器拍摄的“水手谷”图像，这是太阳系最大的峡谷

　　“水手9号”最大的发现是火星上一条绵延超过4000公里的超级大峡谷，这几乎是美国科罗拉多大峡谷的10倍，深度超过7000米。这条超级裂谷切割了火星几乎1/4的周长。

　　这个巨大的峡谷后来被以“水手9号”的名字，命名为“水手谷”（Valles Marineris）。后来的几十年时间里，科学家们一直为这个超级峡谷的成因争论不休，但其中至少有一个研究小组认为这个峡谷的形成可能与火星上的板块运动有关。


水手峡谷与美国大陆的大小对比。左侧可以看到塔尔西斯高原上的三座巨大火山


艺术家画笔下的“水手峡谷”，它究竟是如何形成的？与板块运动有关吗？

　　“水手9号”还传回了火星南极的图像，那里的沉积层显示火星历史上曾经拥有不同的气候环境。在那之后，NASA一直持续关注火星极地研究，后续的“火星全球勘测者”（MGS），“2001火星奥德赛”，以及“火星勘测轨道器”（MRO）都对火星极地开展了详细观测。

　　除此之外，“水手9号”还在火星表面发现了大量蜿蜒的干涸河道，很显然这是过去流水留下的痕迹，它还获取了更加近距离，因而更为清晰的火卫一和火卫二图像。“水手9号”的探测结果显示，火星是一个快速变化的世界。


“水手9号”拍摄的火卫一（“福波斯”）图像

　　在轨道上运行差不多一年时间后，“水手9号”用于进行轨道维持的气体几乎耗尽了。1972年10月27日，NASA最终决定关闭这艘飞船。至今，“水手9号”还在火星轨道上安静，沉默地飞行着，只是它的“体温”已经和宇宙空间背景成为一体。

　　NASA预测，由于轨道高度较高，“水手9号”可能会一直运行到至少2022年，在那以后的某一天，这颗小小的探测器将会坠入火星大气层，粉身碎骨。