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火星北半球。圖片來(lái)源：國(guó)家航天局/國(guó)家天文臺(tái)供圖

凌晨?jī)牲c(diǎn)的會(huì)議室，見(jiàn)底的咖啡杯在會(huì)議桌上圍了一圈，計(jì)算機(jī)屏幕的光映襯著十幾雙布滿(mǎn)血絲的眼睛。但圍桌而坐的人們卻很興奮，邊研讀文獻(xiàn)，邊討論怎么有效提取數(shù)據(jù)，解碼火星環(huán)境。

“那段時(shí)間真是跟打仗一樣。”近4年前火星科學(xué)任務(wù)攻關(guān)時(shí)的場(chǎng)景，陳凌歷歷在目。

2021年5月，我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)天問(wèn)一號(hào)攜帶的“祝融號(hào)”火星車(chē)，著陸在火星烏托邦平原上，吹響了中國(guó)人用自己的深空探測(cè)裝置研究火星的“集結(jié)號(hào)”。陳凌等來(lái)自中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)地質(zhì)地球所）、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)國(guó)家天文臺(tái)）的科研人員也投身其中。

研究人員從“地球科學(xué)極客”化身“星際解密人”，紛紛拿出看家本領(lǐng)，通過(guò)“多兵種聯(lián)合作戰(zhàn)”，用中國(guó)自主數(shù)據(jù)刷新了對(duì)火星環(huán)境演變的認(rèn)知。近期，他們的系列突破性成果斬獲2024年度中國(guó)科學(xué)院杰出科技成就獎(jiǎng)。

用“絕活兒”刷新認(rèn)知

火星與地球是太陽(yáng)系宜居帶“唯二”的行星。從高山峽谷到四季變化，在太陽(yáng)系行星中，火星與地球共性最多。這顆紅色星球上是否存在生命？問(wèn)題的答案令人心馳神往，而火星水活動(dòng)、磁場(chǎng)變化等信息是重要線索。

一直以來(lái)，科學(xué)界對(duì)火星水活動(dòng)和磁場(chǎng)的認(rèn)知存在矛盾。

科學(xué)界普遍認(rèn)為，約36億年前的火星存在大量水活動(dòng)，此后迅速減少，約30億年前幾乎消失；火星內(nèi)部磁場(chǎng)約在40億年前消失，后在39億年前被重新磁化，并在約37億年前再度消失。

“從過(guò)去的認(rèn)知來(lái)看，磁場(chǎng)會(huì)保護(hù)水，磁場(chǎng)消失后，水也會(huì)逃逸。火星磁場(chǎng)反而比水消失得更早，這不合理。”陳凌說(shuō)。

矛盾背后的原因是什么？陳凌與合作者組成多學(xué)科融合的“星際戰(zhàn)隊(duì)”，采用雷達(dá)探測(cè)、地貌分析和磁場(chǎng)測(cè)量等多維手段，構(gòu)建了“地下-地表-空間”三位一體的協(xié)同體系，研究火星多時(shí)間尺度環(huán)境演變。

針對(duì)我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)中的重重難題，他們紛紛拿出“絕活兒”，各顯神通，拿下火星研究的3個(gè)“國(guó)際首次”。

擔(dān)任火星地下結(jié)構(gòu)探測(cè)組組長(zhǎng)的陳凌是一名“行星CT學(xué)家”，曾創(chuàng)新地震成像方法，解析地球大陸內(nèi)部、邊緣造山帶等區(qū)域的深部精細(xì)結(jié)構(gòu)。她的搭檔、地質(zhì)地球所研究員張金海是一名探地雷達(dá)“密碼破譯師”，長(zhǎng)期處理和分析嫦娥探月工程相關(guān)數(shù)據(jù)。他們聯(lián)手破解了行星雷達(dá)弱信號(hào)提取、高精度成像和建模仿真等系列難題，讓雷達(dá)不再因火星表面碎石塊干擾而成為“近視眼”，“首次”揭示了火星淺表80米內(nèi)的分層結(jié)構(gòu)。這些創(chuàng)新方法證實(shí)，火星在35億年前至32億年前曾發(fā)生大型洪水活動(dòng)，16億年前仍有小型洪水事件發(fā)生，將火星水活動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)了近14億年。

張金海憑借對(duì)雷達(dá)信號(hào)的敏銳“洞察力”，進(jìn)一步察覺(jué)到在30至80米深度還存在結(jié)構(gòu)的橫向變化。他與陳凌等分析證實(shí)，這種結(jié)構(gòu)的橫向變化反映了埋藏在地下的古多邊形地貌特征，是32億年前至16億年前火星發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間氣候干濕、冷暖變化的見(jiàn)證。

在火星地貌研究方面，地質(zhì)地球所研究員秦小光和國(guó)家天文臺(tái)研究員劉建軍組成了黃金搭檔。秦小光是一名古環(huán)境“偵探”，曾分析過(guò)數(shù)萬(wàn)個(gè)地球沉積物樣品，擅長(zhǎng)通過(guò)微觀特征還原古環(huán)境變遷。劉建軍是一名“行星數(shù)據(jù)守門(mén)人”，從嫦娥一號(hào)至今，帶隊(duì)創(chuàng)立了載荷地面驗(yàn)證、行星環(huán)境模擬、載荷在軌定標(biāo)等一系列保證數(shù)據(jù)真實(shí)性和有效性的方法。他們的合作“首創(chuàng)”了用火星沙丘了解水活動(dòng)的新方法。

秦小光仍記得那個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)刻：2021年，在國(guó)家天文臺(tái)運(yùn)控大廳與劉建軍等一起查看“祝融號(hào)”傳回的照片時(shí)，一張多光譜照片讓大腦突然“嗡”了一下，他趕緊喊“停一下”。

憑借在羅布泊工作20多年的經(jīng)驗(yàn)，秦小光敏銳注意到沙丘上的一些特征——多邊形龜裂、帶狀痕跡和膠結(jié)團(tuán)粒，這些極可能是水留下的“指紋”。后續(xù)研究證實(shí)，火星在140萬(wàn)年前至40萬(wàn)年前仍存在由大氣降霜、降雪形成的周期性水活動(dòng)，這是人類(lèi)“首次”發(fā)現(xiàn)火星現(xiàn)代水循環(huán)的直接證據(jù)。

在另一項(xiàng)突破性的“姊妹”研究中，劉建軍和秦小光通過(guò)分析2000多個(gè)沙丘的遙感圖像，發(fā)現(xiàn)火星在約40萬(wàn)年前曾發(fā)生“冰期-間冰期”全球性氣候轉(zhuǎn)變，為火星氣候模擬提供了重要約束。

火星磁場(chǎng)探測(cè)則面臨更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)——火星車(chē)行駛時(shí)的干擾信號(hào)比有效磁場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)1萬(wàn)倍，猶如“在搖滾演唱會(huì)現(xiàn)場(chǎng)聆聽(tīng)針尖落地”。地質(zhì)地球所研究員杜愛(ài)民是火星磁場(chǎng)“捕手”，作為“祝融號(hào)”磁場(chǎng)探測(cè)儀的研制負(fù)責(zé)人，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用雙探頭設(shè)計(jì)和旋轉(zhuǎn)測(cè)量的獨(dú)特信號(hào)分離技術(shù)，成功捕獲火星弱磁場(chǎng)信號(hào)——約10納特斯拉，僅為此前衛(wèi)星磁測(cè)模型預(yù)測(cè)值的1/10，相當(dāng)于地球磁場(chǎng)的1/5000。

研究表明，火星早期磁場(chǎng)發(fā)電機(jī)在36億年前驟降，并持續(xù)維持弱磁場(chǎng)狀態(tài)，由此發(fā)現(xiàn)了火星由強(qiáng)變?nèi)醯拈L(zhǎng)期水活動(dòng)過(guò)程的磁場(chǎng)約束機(jī)制。

這些系統(tǒng)性突破不僅刷新了人類(lèi)對(duì)火星環(huán)境演化的認(rèn)知，更在行星科學(xué)領(lǐng)域鐫刻下鮮明的“中國(guó)印記”。

“刀尖舔血”的日子

“陳凌他們啊，那真是拼了命在干！”獲獎(jiǎng)消息傳來(lái)，地質(zhì)地球所的同事無(wú)不感慨。這番評(píng)價(jià)并非溢美之詞。

2021年8月10日，地質(zhì)地球所召開(kāi)首次火星探測(cè)任務(wù)科學(xué)研究動(dòng)員會(huì)。會(huì)后，該所當(dāng)天成立了7個(gè)任務(wù)組——涵蓋火星地質(zhì)、物質(zhì)成分、地下結(jié)構(gòu)、磁場(chǎng)、空間環(huán)境、宜居要素、地質(zhì)工程等多個(gè)研究方向。

“動(dòng)員會(huì)就像發(fā)令槍?！标惲杌貞浾f(shuō)，“一聲令下，我們所有人都放下手頭工作，集中精力專(zhuān)攻這一件事。這是中國(guó)科學(xué)院的特色優(yōu)勢(shì)?！?/p>

攻關(guān)時(shí)刻，研究人員不僅拿出了看家本領(lǐng)，還用性命在拼。

火星雷達(dá)信號(hào)分析堪稱(chēng)“在刀尖上跳舞”?！拔覀儾粌H要與時(shí)間賽跑，更要確保每一個(gè)數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)都萬(wàn)無(wú)一失。”張金海坦言，“這項(xiàng)研究承載著國(guó)家榮譽(yù)，容不得半點(diǎn)差錯(cuò)?！?/p>

為攻克技術(shù)難關(guān)，研究團(tuán)隊(duì)常常通宵達(dá)旦。在最開(kāi)始的信號(hào)破譯階段，張金海與博士生李超采用“人肉接力”工作法——兩人輪班倒，確保24小時(shí)不間斷工作。經(jīng)過(guò)72小時(shí)連續(xù)奮戰(zhàn)，他們終于找到了突破口。為完善信號(hào)處理流程，陳凌帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)連續(xù)攻關(guān)46天，高強(qiáng)度的工作讓他們的生物鐘失調(diào)了——有時(shí)興奮到極點(diǎn)，睡不著覺(jué)；有時(shí)剛睡兩三個(gè)小時(shí)，就起來(lái)接著干。經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次頭腦風(fēng)暴，他們最終確立了13個(gè)關(guān)鍵步驟的標(biāo)準(zhǔn)處理流程，成功破解了火星雷達(dá)的“密碼語(yǔ)言”。

長(zhǎng)期超負(fù)荷工作讓一些人的身體健康亮起紅燈。地質(zhì)地球所研究員王旭突發(fā)腦血栓導(dǎo)致半身不遂；地質(zhì)地球所研究員吳海斌也因心臟問(wèn)題做了支架手術(shù)。2022年春節(jié)剛過(guò)，論文投出沒(méi)幾天，秦小光突感呼吸困難，就醫(yī)后被直接送進(jìn)ICU——肺動(dòng)脈血栓一旦發(fā)作，搶救時(shí)間不超過(guò)5分鐘。

然而，回憶起那段“刀尖舔血”的日子，秦小光卻語(yǔ)氣平靜地說(shuō)：“沒(méi)什么后悔的?！?/p>

科學(xué)與工程的“雙向奔赴”

首次火星探測(cè)任務(wù)取得一系列突破性成果，離不開(kāi)科學(xué)與工程的“雙向奔赴”。

“從載荷設(shè)計(jì)到載荷運(yùn)行，從就位探測(cè)到數(shù)據(jù)分析、科學(xué)問(wèn)題解譯，這一系列研究實(shí)現(xiàn)了工程技術(shù)與科學(xué)研究的緊密銜接。這不僅對(duì)行星研究至關(guān)重要，也為地球上其他領(lǐng)域的研究提供了協(xié)作攻關(guān)的新模式?！标惲枵f(shuō)。

這種協(xié)同合作模式的成功，離不開(kāi)地質(zhì)地球所與國(guó)家天文臺(tái)的精心策劃。劉建軍回憶，任務(wù)攻關(guān)期間，首次火星探測(cè)任務(wù)首席科學(xué)家潘永信院士、總設(shè)計(jì)師張榮橋、副總設(shè)計(jì)師李春來(lái)和中國(guó)科學(xué)院院士郭正堂等多次深入交流，搭建科學(xué)與技術(shù)溝通的橋梁。

“在探索未知領(lǐng)域時(shí)，科研人員都懷有極大的熱情。但只有通過(guò)強(qiáng)有力的組織，才能將這些熱情轉(zhuǎn)化為實(shí)實(shí)在在的成果?！鼻匦」庹f(shuō)。

“雙向奔赴”的精神還體現(xiàn)在具體實(shí)踐中。劉建軍告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“祝融號(hào)”火星車(chē)最初的探測(cè)計(jì)劃并未包含對(duì)火星沙丘水活動(dòng)的研究?？茖W(xué)團(tuán)隊(duì)與工程人員經(jīng)過(guò)數(shù)十次的討論，最終確定了物質(zhì)成分探測(cè)儀1.5米的最佳工作距離，既確保了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，又避免了火星車(chē)陷入沙丘的風(fēng)險(xiǎn)。

“我國(guó)深空探測(cè)事業(yè)正在進(jìn)行從‘工程抵達(dá)’到‘科學(xué)引領(lǐng)’的歷史性跨越?！眲⒔ㄜ娬f(shuō)，“如今，我們的工程技術(shù)能力越來(lái)越強(qiáng)，已經(jīng)能夠支撐實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的科學(xué)目標(biāo)了?！?/p>

特別是在我國(guó)深空探測(cè)領(lǐng)域仍然面臨國(guó)外技術(shù)封鎖等國(guó)際大環(huán)境下，多位科學(xué)家指出，科學(xué)研究和工程技術(shù)之間更需要緊密合作、相互支持，共同攻堅(jiān)克難。

“有人覺(jué)得做科研辛苦且競(jìng)爭(zhēng)激烈，但我覺(jué)得，我們這一代人何其有幸，趕上了中國(guó)科技發(fā)展的黃金時(shí)代，這是千載難逢的歷史機(jī)遇?！睆埥鸷?dòng)情地說(shuō)。

我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)取得圓滿(mǎn)成功，意味著中國(guó)僅用一項(xiàng)任務(wù)就達(dá)成了歐美數(shù)十年才完成的“繞、著、巡”目標(biāo)。展望未來(lái)，中國(guó)深空探測(cè)的宏偉藍(lán)圖已在眼前：天問(wèn)二號(hào)將執(zhí)行小行星伴飛取樣探測(cè)任務(wù)，天問(wèn)三號(hào)將實(shí)現(xiàn)火星采樣返回，嫦娥七號(hào)和嫦娥八號(hào)將開(kāi)展科學(xué)探測(cè)和資源開(kāi)發(fā)利用驗(yàn)證試驗(yàn)，推動(dòng)國(guó)際月球科研站建設(shè)……這一系列壯舉將推動(dòng)中國(guó)深空探測(cè)科技邁向新高度。

“中國(guó)深空探測(cè)的前景光明，我們還有很多事情要做，要向著更遠(yuǎn)的星辰大海不斷邁進(jìn)?！标惲璩錆M(mǎn)期待地說(shuō)。

（原載于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》?2025-05-08?第1版?要聞）