Science and Technology

Self Portrait, Image credit: Dr. Beatriz Sánchez-Cano 为火星移民铺路：M-MATISSE任务揭示火星真面目 当人类将目光投向火星时，最大的未知之一仍是潜伏在未来宇航员身边的无形危险。这颗红色星球独特的大气与磁场环境交织出复杂的空间天气模式，对机器人任务和人类探险都可能构成重大威胁。与地球不同，火星缺乏强大的全球性磁场来屏蔽太阳辐射和高能带电粒子，因此，理解这些力量如何与其稀薄大气和地表环境相互作用，至关重要。 一项名为“火星磁层、大气层、电离层和空间天气科学探测”（M-MATISSE）的开创性任务，正致力于回答这一关键问题。在不久前举行的2025年英国皇家天文学会全国大会上，它成为备受瞩目的焦点。项目计划发射两艘完全相同的航天器，对火星空间天气展开首次全面研究。通过同步探测磁层、电离层、热层直至低层大气，M-MATISSE将绘制出火星动态环境的完整图景。 该任务目前正在竞争成为欧洲航天局的下一项中级任务，但其意义远不止于科学探索。作为火星首个空间天气监测系统，它将能提前预警危险环境，保护航天器与宇航员免受致命辐射。如果在2026年中期获批，M-MATISSE将从根本上改变我们对火星宜居性与大气演化的理解，并为未来的安全探险铺平道路。 我们有幸专访了莱斯特大学的比阿特丽斯·桑切斯-卡诺博士（Dr. Beatriz Sánchez-Cano）。作为这一国际联合提案的核心成员，她正与来自多个国家的合作伙伴一道，共同推动这项开创性的计划。 绘制未知地图 M-MATISSE 任务旨在探索火星空间环境中大部分尚属未知的区域。请问您希望解开哪些具体的谜团或异常现象，尤其是在火星的远磁尾和等离子体系统方面？火星的空间环境远远超出了其地表，可延伸至数个行星半径之外的太空。在这片广阔的区域里，充满了各种带电粒子，它们距离火星越远，能量就越高。理解不同粒子群如何相互作用至关重要，因为它们彼此间错综复杂地联系，在火星吸收与耗散太阳能量的过程中扮演着关键角色，若非如此，太阳能量便会直达地表。粒子间的相互作用会影响大气逃逸、极光活动及辐射暴露，此现象由科学家们所称的磁层、电离层和热层（统称为M-I-T系统）共同主导。 在火星的空间环境中，探索最少的区域之一便是其远磁尾。它作为太阳风磁场的长长延伸，如同一条飘带被拖曳在行星周围。由于其与火星的距离极为遥远，该区域在很大程度上仍是一片处女地。即将到来的M-MATISSE任务，其目的就在于调查等离子体在遥远磁尾中的行为，同时监测太阳风，试图厘清能量与粒子如何被传输和散逸，以及是否有未知机制正导致火星大气的持续逃逸。 至关重要的是，M-MATISSE还将研究太阳粒子如何穿过磁尾被引导回火星，最终沉降于大气层并催生极光。通过描绘其动力学特征，该任务将为我们理解火星与其空间环境之间复杂且瞬息万变的关系，提供全新的视角。 空间天气与生存 与地球不同，火星缺乏一个强大的全球磁场来保护其地表。请问，在派遣宇航员之前，深入了解火星的空间天气有多重要？假如我们对此认知不足，未来的探险家们可能会面临何种威胁？火星与地球不同，它缺乏一个全球性的磁场来抵御有害的空间辐射。取而代之的是嵌入地壳的局部残余磁场，尤其集中在赤道及南半球的部分区域。此类地壳磁场，正是一个古老的全球性磁场发电机所留下的遗迹，该发电机曾如今日的地球磁场一般，保护着火星的大气。由于这些磁场固着于地表，随行星一同旋转，从而创造出一个高度动态且复杂的环境，使得高能粒子得以在其中自由穿行。正因其磁场的变化，火星大气与磁层的变动可在短短数分钟内发生。 太阳风持续以高能粒子轰击火星，当太阳爆发引发空间天气事件时，粒子流的强度会急剧增强。此类事件能在短短数小时至数日内，向火星的等离子体系统注入巨量能量，导致包括地表在内的辐射水平显著升高。因此，理解这些能量如何被吸收、耗散，或是在火星空间环境的不同区域间传输，显得至关重要。若缺乏相应的认知，我们将无法准确预测宇航员可能面临的辐射剂量，也无从判断在极端事件中，火星大气及地壳磁场能否提供任何有效的庇护。 为应对此挑战，我们必须强调发展多航天器任务的必要性，从而能像在地球上一样，对火星的不同区域进行同步系统性监测。唯有通过此类协同观测，我们方能追踪火星等离子体系统中瞬息万变的短期动态，并据此建立可靠的空间天气预报模型。这已不再是单纯的科学探索，而是保障宇航员生命安全的核心议题。在一次强烈的太阳事件中，火星上的宇航员或许只有三十分钟的预警时间来寻找掩蔽。能否准确理解并预报火星对这类事件的反应，将是决定任务成败与宇航员健康的关键所在。 M-MATISSE, Image credit: Dr. Beatriz Sánchez-Cano 表面之外的宜居性 这项任务的研究范围不仅限于地表，更深入到太阳粒子与能量如何影响整个火星大气层。请问，您的研究成果将可能如何重塑学界当前对于火星过往及未来宜居潜力的认知？要确定一颗行星周边的空间环境特性，乃至其最终孕育生命的潜力，理解太阳风如何与其相互作用至关重要。对于火星而言，这种互动尤为关键。我们如今已经知晓，自形成以来，火星大气经历了翻天覆地的变化，从一个一度厚重湿润的环境，演变成了今日我们所见的稀薄干旱状态。学界普遍认为，导致此番演变的一个主因，在于行星的内部冷却，进而使其失去了全球性的磁场发电机。该发电机曾像地球磁场一样，为火星撑起一把保护伞，而它的消失，则令火星大气彻底暴露于险境。 失去了全球磁场的庇护，火星高层大气便直接暴露于太阳风的吹袭之下，不断向太空流失。这种持续的相互作用稳定地侵蚀着大气层，并在大气逃逸（其长期效应表现为大气压力降低，最终导致地表液态水消失）以及有害辐射过滤等一系列过程中，扮演着核心角色。这些过程环环相扣，贯穿于火星等离子体系统的多个区域，而厘清它们正是M-MATISSE任务的核心目标。 M-MATISSE任务将致力于描绘火星大气的演化特征。它将从多个独特的视角进行观测，有望从根本上重塑我们对于“是何种过程在维系或侵蚀着火星现有的大气层”这一问题的理解。通过追踪整个大气柱的活动如何影响长时期的大气逃逸，该任务还将进一步阐明火星的古气候历史，及其在过去与未来的宜居潜力。 两个轨道器的故事 “亨利”与“玛格丽特”将从不同的观测点协同工作。请问，这种双航天器的设计，能提供单个轨道器所不具备的何种优势？过去的单航天器任务确实已彻底革新了我们对火星的认知，为我们理解其大气、磁层及空间天气环境提供了前所未有的洞见。然而，若要真正把握那些塑造着火星近太空环境的复杂过程及其演变，多视角的同步观测便显得至关重要。 火星的等离子体系统瞬息万变，其变化发生在极短的时间尺度和广袤的空间区域内。例如，太阳风方向的微小变动，几乎可以瞬间触发磁层、电离层乃至低层大气的连锁反应。又如，火星夜侧极光的形成，其根源在于日侧的太阳高能粒子在地壳磁场的辅助下被输送至夜侧。要捕捉如此复杂的动态，就必须依靠多艘配备了专门仪器的航天器进行同步协同测量，而M-MATISSE正是为此量身打造。唯有如此，我们方能精确追踪关键过程的时空演变，并基于这些迄今未知的动力学原理，去完善我们的预测模型。 为完整捕捉火星空间环境的复杂性，M-MATISSE将在不同轨道上部署两艘航天器，从而实现对火星系统多个区域的同步监测。这种双重视角对于理解大气与磁层的不同部分如何响应太阳风的输入，是不可或缺。 该任务的科学载荷包含六台仪器。其中三台利用七个传感器进行原位探测，另外三台则用于遥感观测，观测范围可从火星地表一直延伸至外层空间。所有仪器协同工作，将提供一幅关于火星大气与等离子体动力学的全面、系统级图景，使我们能够实时追踪能量和粒子在环境中的运动轨迹。通过在时间与空间维度上实现对整个火星系统的完整覆盖，M-MATISSE将以前所未有的视角，揭示火星与太阳的相互作用，以及这种作用如何塑造这颗星球的过去、现在与未来。 预测火星 地球已拥有一套相对成熟的空间天气监测系统。那么，若要为火星建立类似的预报体系，需要具备哪些条件？M-MATISSE任务又将使我们距离这一目标有多近呢？M-MATISSE项目的发展，借鉴了数十年来源自地球轨道多航天器任务的宝贵经验，例如欧洲的Cluster和Swarm任务，以及美国的THEMIS和MMS任务。这些项目已彻底改变了我们对太阳风如何与地球磁层及电离层相互作用的认知。正是这些多点协同的观测任务，在发展空间天气预报能力方面扮演了关键角色，而这种能力如今对于保护卫星、宇航员乃至太空基础设施而言，已是不可或缺。 然而，火星在这一领域的研究仍远远滞后。尽管美国宇航局（NASA）的“月球到火星空间天气分析办公室”等机构正努力增进我们的理解，但我们目前的能力，仍局限于“事后探知”，即只能在一个空间天气事件已经冲击火星之后才能检测到它，而无法做到“事前预报”。 M-MATISSE的出现，正是改变这一局面的关键第一步。其核心目标，是对火星的辐射环境进行迄今最全面的特征描绘，以便准确预测行星对太阳活动的响应。这包括深入理解太阳风、整个等离子体系统、高中低层大气，乃至潜在地表与地下电流的动力学机制及其内在联系。这些科学研究的成果，将使我们能够量化机器人系统、不同无线电频段的稳定通信，以及未来人类探险家所面临的风险。M-MATISSE将提供我们所需的数据，来实时洞察火星对太阳活动的反应。这正是构建火星真正空间天气预报体系所缺失的关键一环，而这一预报能力，对于评估辐射风险、确保未来宇航员的生命安全，具有决定性的意义。 从损失中学习 在过往的任务中，火星的空间天气曾引发过哪些意外问题，甚至导致任务失败？M-MATISSE又将如何帮助我们防范未来可能出现的类似风险？当前正在环绕火星运行的任务，已深受空间天气的严重影响。例如，每当太阳高能粒子事件冲击火星时，“火星快车”号搭载的MARSIS雷达与“火星勘测轨道飞行器”搭载的SHARAD雷达，其信号都会遭受显著衰减。在这类粒子风暴期间，高频无线电信号被火星电离层吸收，导致在相应频段上与地表的通信完全中断。此类现象在地球上虽不罕见，但太阳活动引发的无线电通讯中断通常仅持续数小时，且局限于特定区域。然而在火星，这种中断却是全球性的，可持续数日，某些情况下甚至超过十天。尽管此类事件在太阳活动高峰期尤为常见，但令人惊讶的是，在中等太阳活动乃至太阳活动极小期，也观测到了同等强度的无线电吸收。这表明，地壳磁场与太阳风粒子间的相互作用可能在其中扮演了重要角色，而这一复杂领域至今仍知之甚少。 空间天气对火星任务的威胁远不止无线电通讯中断。在太阳高能粒子事件中，无线电信号的闪烁（即信号强度的快速波动）会严重扰乱航天器的正常运行。即便是对航天器导航至关重要的星敏感器，也可能因此暂时“失明”。一个显著的案例发生在2012年3月，当时“金星快车”号因一场太阳风暴，其星敏感器失灵长达五日。火星也面临着同样的风险，因为大多数火星卫星都在极低轨道上运行或穿越。这些轨道在空间天气事件期间，极易受到大气阻力增大的影响。地球附近最近的一个例子更凸显了此种危险：数颗“星链”卫星就因太阳活动加剧，遭遇了意料之外的大气阻力而导致轨道衰减。同样的情形极易在火星上演，那里稀薄的大气层在太阳风暴期间会急剧膨胀，从而增大对在轨航天器的阻力。 因此，理解并预报上述影响已是当务之急。这不仅是为了保护现有任务，更是为了确保未来载人任务的安全性与可靠性。准确的预报能帮助我们优化通信子系统的设计，例如通过规避通讯中断，或至少提前预知其发生，从而保障未来宇航员之间的顺畅联络。M-MATISSE任务的目标，正是提供这种实时、覆盖整个系统的监测能力，以便在各类危险来袭之前，便能发出。 M-MATISSE, Image credit: Dr. Beatriz Sánchez-Cano 英国领导的努力 英国正在主导开发此任务的粒子探测仪器以及任务科学中心。请问，这一领导角色对于英国在行星科学乃至整个行星际探索领域的未来地位，意味着什么？英国在空间天气研究与火星探索两个领域均有深厚的领导力历史，而M-MATISSE项目正是这两大国家级优先战略的完美交汇点。此项任务为英国及其欧洲、日本的众多合作伙伴提供了一个实现重大科学发现的独特契机。它将加深我们对于空间天气如何影响行星环境的理解，而这种认知，对于在太阳系内实现安全的人类及机器人探索活动而言，是不可或缺。 我们为M-MATISSE任务所规划的六台科学仪器中，有一台的开发工作，以及负责协调数据分析、观测规划和任务策略的专属科学中心的建立，都将直接服务于英国在空间天气预报和行星探索领域的战略重点。这项任务为英国提供了一个独一无二的机会，能够将国家两大重点投资领域连接起来，进行前沿交叉研究。