自从我们向火星发射各类探测器和火星车开始，科学家已经了解了许多关于这个红色邻居的情况。
1980年，海盗号轨道器拍摄了102张火星照片。科学家最终把它们拼合成了这幅令人惊叹的图画。横跨这颗行星表面的黑色裂缝就是“水手谷”，那是一条近10千米深、4 000多千米长的大峡谷
从宇宙角度上说，与地球之间平均距离为2.25亿千米的火星简直就算是在我们的后院里了。如果发射时机合适，火箭只需要1年不到的时间就能抵达火星。自1965年以来，为了勘测火星尘土飞扬的地貌，人类已经成功执行了20多次火星任务。各式各样的火星探测器轮番登场，其中包括飞掠器、轨道器、着陆器、火星车。于是，我们了解了很多有关这位宇宙邻居的信息，比如火星地表之下的情况和气象现象。
加州大学伯克利分校行星科学家、火星大气和挥发物演化任务（MAVEN，探测器2013年发射升空）首席研究员香农 · 库里（Shannon Curry）说：“火星离我们实在太近了，我们很走运，能够以自己的方式去探索这颗星球。”
人类仪器已经绘制了火星各个角落的图像，挖穿了火星地表下的一些砾石，取样了弥漫在火星尘土飞扬的大平原上的空气。根据各类探测器收集并发回地球的种种数据，科学家了解了许多火星知识。本文通过与四位专家的对话以及相关的研究报告，罗列了那些引起巨大轰动的火星发现。
一、火星是一个寒冷、干燥的地方
美国宇航局好奇号火星车在看向火星夏普山底部时拍摄了这幅干燥且尘土飞扬的火星地貌照片
在人类探测器飞掠火星之前，科学家普遍认为，这颗行星应该是一个郁郁葱葱的世界，到处都是生命的气息。早年间，科学家通过望远镜发现火星表面上存在类似运河的特征，便误以为那是智慧物种的创造。然而，在1965年水手4号探测器于第一次火星任务中飞掠这颗红色行星并拍摄下照片之后，所有人都知道以前的推断错了，因为照片中的火星表面非常贫瘠，根本看不到什么植物和动物。
多亏了这次任务以及后续的任务，我们现在知道了，火星上几乎没有液态水。这颗星球的岩石地表上到处都是撞击坑，任凭凛冽的强风刮过，任凭缓慢移动的沙丘冲刷，同时还点缀着深邃的峡谷和壮观的火山。此外，火星也是太阳系最高且最大的火山的所在地，这座火山就是高度接近22千米（珠穆朗玛峰的2.5倍）的奥林匹斯山。到目前为止，对这座火山最精确的测量来自2004年的火星全球勘测者号探测器。虽然火星表面现在干燥无比，但就科学家目前所知，这颗星球还是有水的——只不过不是液态。在火星上，水以冰、水蒸气，还有矿物质结构分子中的原子等形式被锁定。
相较地球来说，火星是一个静止且安静的地方，而且就我们目前所知，火星上也没有什么生命。赖斯大学火星地质学家克尔斯腾 · 西巴赫（Kirsten Siebach）说，这颗行星的环境就像“冻干了一样”。这样的环境条件让火星的地质记录得以保存数十亿年。西巴赫说：“我们可以在火星岩石中看到这段漫长的美丽历史。随着我们越发了解火星，对这颗星球的描述就会越来越详细，未来可以诉说的故事也会越来越多。”
二、火星大气稀薄且容易引发沙尘暴
就像这张照片展示的一样，火星上的沙尘暴可以包裹整个星球，其中的颗粒以高达每小时110千米的速度呼啸飞行
水手4号探测器飞掠火星时，透过这个星球的气体外壳，收集到了各种各样的信息。其一是火星大气压只有地球的大约0.7%。火星引力也比地球小且没有磁场，这导致它无法保有浓厚的大气层。实际上，火星大气已经稀薄到连来自太阳的热量都无法很好地保存，因而也不能让地表整日保持温暖。因此，火星的表面平均温度低至-26℃。
如此寒冷的气温、如此低的大气压使得火星表面无法支持液态水的存在。如果我们把一管液态水放在火星上，大部分会很快蒸发到火星大气中，剩下的则会在火星的严寒中冻结成冰。
然而，对沙尘暴来说，火星大气已经足够厚了。实际上，沙尘暴在火星上非常频繁，甚至成了经年可见的标志性特征。1971年，水手9号轨道器甫一抵达火星就发现整个星球都笼罩在沙尘之中。库里说：“火星上的沙尘暴实在是太猛烈、规模太大了，因为它们可以包裹整个星球并且一连持续数月。老实说，那儿的沙尘暴很可怕。”在这些沙尘暴中，尘土颗粒会以高达每小时110千米的速度呼啸而过，而且，它们主要由铁的氧化物构成——与构成铁锈的化学物质一模一样。正是这些颗粒赋予了火星标志性的红色外貌。
由于火星大气实在太过稀薄，从整体上说，这个星球上的沙尘暴不可能把人吹倒、吹走。因此，电影《火星救援》（The Martian）中的一个重要细节其实是不太可能出现的：马特 · 达蒙（Matt Damon）饰演的宇航员马克 · 沃特尼（Mark Watney）不可能出于沙尘暴的原因被困在火星上。不过，这些携带大量颗粒的风对工程师来说确实算得上梦魇，因为这些颗粒会粘在太阳能电池板上，大大降低电池板的工作效率。2018年，美国宇航局的机遇号火星车在工作了成果丰硕的十四年半后，于一场火星全球性沙尘暴中沉寂，因为这场沙尘暴完全遮蔽了阳光，导致太阳能电池无法发电。
三、火星曾经拥有液态水
科学家根据火星勘测轨道飞行器拍摄的多幅照片重建的耶泽洛陨石坑内的一处他们感兴趣的地点画面。这里的地貌看上去就像是从河流中渗出的泥土——这表明这一地区过去可能存在流动的水。自2021年以来，毅力号火星车始终在探索这一区域
从1971年水手9号造访火星开始，科学家逐渐收集到大量足以证明这颗行星上曾经有液态水流淌的证据。火星的地貌特征——河流经过形成的水道、河流蚀刻形成的沟壑、撞击坑中的水蚀痕迹以及被烤出裂缝的泥浆地面——都表明，这个星球过去可能不缺液态水。另外，2005年，欧洲空间局的火星快车轨道器探测到了含水的火星矿物——一些晶体结构中混有指征性氢、氧原子混合物的岩石——它们可能是在火星表面尚有液态水的时期形成的。
美国宇航局的好奇号火星车自2012年登陆火星以来，就一直在盖尔环形山内溜达——科学家认为，那里之前应该是一片湖床。好消息是，好奇号火星车已经找到了那里曾经有液态水汇聚的证据。2014年，它拍摄到了具有层状结构的露头。科学家认为，这些露头是从河流涌向三角洲地区的粉砂质堆积物。
虽然火星上的液态水很可能存在了数百万年甚至数千万年，但这些液态水都在二三十亿年前彻底消失了。不过，液态水曾经在火星上存在，且曾经长时间存在，这表明，许久之前，火星也曾拥有浓厚的大气层和温暖的环境。这一切的一切都意味着，古老的火星环境是一个适合孕育生命的地方。
四、极地冰盖的变化揭示了火星过去的气候
火星南极冰盖融化并在表面上形成凹坑时，会呈现类似瑞士奶酪的外观
早在17世纪，科学家就用望远镜观测到了火星的两极很明亮（在整体昏暗的行星外观下显得尤为明显），但直到1969年，人类才通过水手7号探测器首次拍摄到了火星两极地区的近距离照片。这颗红色星球的两极地区遍布年轻的冰盖，按照科学家的估计，它们应该都是在最近500万年里才形成的。火星勘测轨道飞行器和火星快车轨道器的探测结果则表明，火星两极地区的冰是由一层又一层凝结的二氧化碳、冰冻的水和北风吹来的灰尘组成的，并且会随着火星季节的变换而增长、收缩。冰盖中的这些层状结构就像地球上树木的年轮一样，是可以供科学家深入研究火星季节性气候的地质记录。
这些冰盖可能会全部消失，然后又重新形成，也就是存在某种变化周期，跨度可能是几十万年。科学家认为，火星两极冰盖之所以会出现这样的变化周期，是因为火星的整体温度存在上升和下降的变化周期，且成因远不只是火星公转过程中与太阳之间的距离远近变化。计算机模型研究暗示，木星不可忽略的引力拉拽效应会导致火星自转倾角在15°至更为极端的35°之间波动。相较之下，地球自转倾角为23°且平均几百万年也不过波动3°。在较大的自转倾角下，火星这颗相对较小的行星的两极会接收到更多热量，多到足以使其冰盖完全消失。
五、火星地壳中存在一块块局部磁场
壮丽的极光弥漫在接近火星表面的区域，几乎遍布整个火星。这是因为火星没有全球性磁场，因而无法像地球那样把极光约束在两极地区
火星大气和挥发物演化任务探测器与火星全球勘测卫星从火星高空观测这颗行星的结果证实，火星没有像地球那样的行星磁偶极子。不过，进一步的测绘表明，整个火星地壳中都分布有块状局部磁场。这些磁场“马赛克”来自火星地表的火山岩，它们携带着火星剩余磁场的磁性。
行星的磁场屏蔽效应来自星球内部物质的搅动。由铁和镍构成的行星熔融态核心在流动和转动的过程中会产生电流，进而为整块行星电磁铁提供动力。看不见的磁场线包裹着太阳系大多数行星，其中就包括地球。由于火星比地球小，它的冷却速度也快得多，因而核心部分早早停止运动，全球性磁层也随之消失。不过，靠近火星表面的金属在凝固过程中留下了磁场的信息，保留了部分磁印记。
这些散布在整个火星地壳的局部磁场催生了与地球迥然不同的极光。极光是来自太阳的大量带电粒子落入行星大气时形成的。在地球上，这些鬼魅般的亮光集中在两极地区，因为那里的磁场最强。但火星极光不但可以出现在两极地区，也可以在靠近赤道的地方摇曳，因为没有全球性磁场约束它们。2021年，阿拉伯联合酋长国的希望号轨道飞行器拍摄的照片显示，火星天空中的极光可以呈现出各种各样的蜿蜒曲折形状。
六、火星实地探测证实了神秘地球陨石的起源
大约13000年前坠落在南极大陆上的火星岩石，它本身拥有45亿年的历史
在成千上万颗具有科研价值的地球陨石中，有一小部分鹤立鸡群。科学家原本并不知道它们从哪来，但在海盗号登陆器于1976年登陆火星并对火星环境取样后，针对火星大气的成分分析证实，这些奇怪的岩石球正是火星陨石。
地球科学家收藏了大约300颗这样的陨石。当外来天体撞击火星地表后，这些岩石碎片就被溅射到太空中，并离开火星。由此产生的碎片会在黑暗的太空中漂浮数千年，直至最后坠入地球。接着，这些来自火星的岩石便催生了成千上万篇发表在学术期刊上的论文，并且让科学家得以近距离研究火星这个锈迹斑斑的星球。
七、火星曾与地球很相似
未来的某一天，样本回收着陆器（右下方）和火箭（右上方）很可能会协同工作，一道将毅力号火星车收集到的火星岩石样本送回地球
亚利桑那州立大学行星科学家吉姆 · 贝尔（Jim Bell）说：“如果要我总结与火星有关的几大重要发现，那么火星曾经真的与地球很像，这个发现很可能排在第一位。”我们知道火星在诞生之初环境舒适、潮湿、富含气体，并且受到磁层保护。我们知道火星上曾经有过板块构造活动，只不过彼时的火星地壳运动已经减弱。出于某些原因，火星突然进入了一条与地球截然不同的发展轨迹，并且最终变成了如今的这个贫瘠世界。
然而，在那段田园般的时期，火星可能已经孕育出了生命，2013年，好奇号火星车的探测结果证实，火星岩石中拥有支持生命诞生并成长的所有关键化学成分。也是在2013年前后和2018年，好奇号火星车甚至还在火星岩石中探测到了有机物。大多数科学家认为火星现在完全没有生命——但仍有一小部分科学家认为火星地下还可能庇护着一些初等生命——但没有任何人可以确定这颗红色星球是否曾经生机勃勃。科罗拉多大学博尔德分校行星科学家、火星大气和挥发物演化任务前首席研究员布鲁斯 · 亚克斯基（Bruce Jakosky）说：“‘宜居’意味着生命可以存在，并不是说一定有生命存在，但它至少证明了我们完全有理由去寻找火星上曾有过生命甚至现在还有生命的证据。”
火星是否有生命或者是否曾经有生命是围绕在这颗星球身上的最大谜团，激发了人类对这位邻居的无数想象。无论答案是肯定还是否定，都有助于明确地球在整个宇宙中的位置。不过，至少就目前来说，研究人员还没有回答这个问题的方法。我们拥有的火星陨石本就数量有限，且因为长时间暴露在地球环境中，受地球影响过大。火星探测器的设备则还没有灵敏到分辨初等生命形式的程度。目前，最好的方法应该是从火星上收集岩石样本，然后再用地球上最先进的仪器仔仔细细地检查。亚克斯基说：“这是我们回答那些问题的唯一途径。”
现在，毅力号火星车正忙着在耶泽洛陨石坑内收集火星岩石样本，科学家认为那里曾经存在液态水。取回这些样本的返回任务暂定于2027年进行。如果一切顺利，这些珍贵标本应该在2023年抵达地球，届时，它们必将开启人类探索火星的全新时代。
资料来源 Smithonian
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本文作者金时恩（Shi En Kim）是芝加哥大学研究员，主要研究与纳米级物体相关的物理学课题，同时也从事科学写作，为《美国国家地理》《科学美国人》《科学新闻》等多家出版物撰写科学类稿件。她还是史密森学会美国艺术和科学研究院2021年大众媒体研究员