火星探測歷史從頭說
1877年義大利天文學家夏帕雷里（Schiaparelli）將觀測到火星表面深色而筆直的線條，稱之為「Canali」（義大利文「河道」），卻被譯成「Channels」（英文「人工運河」），就此引發了人類對這顆紅色行星的無限遐想與好奇。1957年，人類首次擺脫地球引力飛向太空，就在1960年代初期，蘇聯便開始嘗試了五次探測火星的計畫（1960年「Korabl 4」、1960年「Korabl 5」、1960年「Korabl 11」、1962年「火星一號」、1962年「Korabl 13」），卻都以失敗收場。
相較之下，美國在同時期的「水手（Mariner）計畫」可說是成果豐碩，除了失敗的「水手三號」（1964年）和「水手八號」（1971年）之外，「水手四號」（1964年）、「水手六號」（1969年）、「水手七號」（1969年）皆成功飛掠火星，分別傳回21、75、126張火星影像；而「水手九號」（1971年）更是進入火星軌道運轉，傳回了7329張珍貴的火星影像。
1971年，蘇聯發射的「火星三號」首次成功登陸火星，但只傳回了20秒的資料便音訊杳然；同時期美國展開了新的火星探險「維京人（Viking）計畫」（維京人號有時譯成海盜號），1975年發射的「維京人一號、二號」無人太空船也成功登陸火星，「維京人二號」更是傳回了一萬六千多張的火星影像，這時科學家們發現火星表面似乎不如想像中生機蓬勃，而是一片荒蕪、絲毫沒有生命的跡象，因而失望地停下火星探測的腳步長達二十多年的時間。
直到1996年，火星探測才又東山再起，「火星全球探勘者號（Mars Global Surveyor）」和「火星探路者號（Mars Pathfinder）」陸續發射升空。「火星全球探勘者號」這顆探測衛星，傳回了數十萬幅精彩的火星影像，一直工作到2006年11月才因失聯而結束任務。而「火星探路者號」則是攜帶了第一代的火星車－「逗留者號（Sojourner）」，在1997年7月4日利用降落傘和反推進小火箭減低降落速度，以及緩衝氣囊彈跳的方式，成功登陸火星表面從事探測任務。「逗留者號」是一輛六輪小車，長65公分、寬48公分、高30公分，重10.5公斤，僅旅行了約100公尺，且範圍只侷限在「火星探路者號」附近12公尺以內，它在83個火星日中探察了附近16處地點的化學性質，傳回550張照片。
在2001年美國發射的「火星奧德賽號（Mars Odyssey）」探測衛星，它的伽馬射線光譜儀（Gamma Ray Spectrometer，GRS）探測到火星上有豐富的氫元素，這讓科學家推斷在火星地表下有大量的水冰存在。2003年，歐洲太空總署（ESA）發射了「火星特快車號（Mars Express）」探測衛星，探察火星的地質、大氣及表面環境，發現了火星可能有近期的冰河活動、火山爆發，以及甲烷氣體。
2003年美國航太總署（NASA）發射的「火星探測漫遊車（Mars Exploration Rover）」任務在2004年年初登陸火星，採用的著陸方式也是和「火星探路者號」類似的緩衝氣囊，它攜帶的第二代火星探測車孿生兄弟－「精神號（Spirit）」和「機會號（Opportunity）」，長1.6公尺、寬2.3公尺、高1.5公尺、重180公斤，這兩輛火星車帶給人類無限的驚奇，它們的工作時間遠遠超過原先計劃的90個火星日，找到許多液態水曾經存在火星表面的證據！其中「精神號」在2011年5月25日才和地球失聯，確定結束七年多來的任務，總前進里程數達7.7公里，而「機會號」甚至已經前進了34公里，到目前都還在火星探險！
2005年美國發射的「火星勘測軌道衛星（Mars Reconnaissance Orbiter）」，以前所未有的高解析度對火星進行詳細考察，同時也探測地表下水層的存在，為往後的火星地表任務尋找合適的著陸地點。在2007年發射、2008年登陸火星極區的著陸器「鳳凰號（Phoenix）」，更證實了火星淺層地表確實有水冰存在！
2011年11月9日，俄羅斯發射了「火衛一－土壤（Phobos-Grunt）」任務，主要目標是火星兩顆衛星之一的火衛一（Phobos），希望能將火衛一樣本攜回地球，太空船上還搭載了中國首個火星軌道探測器「螢火一號（Yinghuo-1）」，但升空後的變軌點火卻告失敗，已於2012年1月重返地球大氣層，最後墜落在太平洋海域中。
新一代的火星探測車－好奇號
2011年11月26日，有史以來最昂貴的火星探測任務－耗資24億美元的「火星科學實驗室（Mars Science Laboratory ）」在美國佛羅里達州卡納維拉爾角（Cape Canaveral）空軍基地發射升空，預計於臺灣時間2012年8月6日下午1點32分降落在火星赤道以南的蓋爾隕石坑（Gale Crater）（上圖）。跟著一起上火星的，還有一個12歲華裔女孩的中英文簽名「馬天琪、Clara Ma」，她花了10分鐘寫了一篇250字的短文，參加「火星科學實驗室」的命名比賽，她說：「好奇心（Curiosity）是人類永不熄滅的火焰，它燃燒著每一個人的心，每天我一起床，就在想今天又會有什麼驚喜。沒有好奇心，就沒有今天的我們…雖然有許多危險，我們仍然追尋、夢想、創造、盼望…」；經過多次評選後，「好奇號（Curiosity）」這個名字從近萬名參賽者中脫穎而出，成為第三代火星探測車的新暱稱，而馬天琪也在這輛火星車上親筆寫下她所命名的「Curiosity」。
第三代火星車「好奇號」長3公尺、寬 2.7公尺、高 2.1公尺，重約900公斤，它能夠跨過高達75公分的障礙物，每小時最多可以前進90公尺，若考慮地形等因素每小時平均可前進30公尺。和前兩代的火星車放在一起比較，尺寸立見高下（上圖），眼尖的您可能也發現了，火星車不僅越做越大，「好奇號」不再像前兩代的火星車使用太陽能板作為能量來源；採用太陽能的最大問題，就是電池僅能在白天工作，且在陽光較少的高緯度地區效率不佳。「精神/機會號」的太陽能電池在最佳狀況下，每天僅能產生900瓦小時的能量，而且有時候火星上的沙塵會覆蓋住太陽能板造成能源短缺問題，這時候只能祈求能有一陣強風吹過將沙塵清除了。
「好奇號」的能量來源採用「放射性同位素熱電產生器（Radioisotope Thermoelectric Generator， RTG）」，利用鈽衰變所產生的熱能轉化為電能，每天約能產生2500瓦小時的能量，較「精神/機會號」的平均每天600瓦小時多了4倍；更重要的是這能確保「好奇號」不論在白天晚上或是任何季節都能夠工作，且能提供它至少一個火星年所需要的能源。（上圖）
準備好了嗎？進入、降落、著陸！
第一代火星車「逗留者號」和第二代火星車「精神/機會號」都是放在折疊式的著陸器中，再被層層緩衝氣囊妥善包裹，以彈跳方式著陸火星，但「好奇號」的長度是「精神/機會號」的兩倍，重量更是五倍之多，因此先前的氣囊設計無法承受著陸時所產生的巨大衝擊，為此科學家們為「好奇號」設計了全新的登陸方式！「好奇號」此次登陸火星將歷經「導引進入（Guided Entry）」、「降落傘降落（Parachute Descent）」、「動力降落（Powered Descent）」、「空中起重機（Sky Crane）」四個階段。「導引進入」的技術將能使「好奇號」的著陸地點從以往的幾百公里範圍縮小到20公里左右，更精確的控制降落地點，也確保「好奇號」能避開陡坡或岩塊等危險地形。更特別的是工程師們為「好奇號」量身打造的「空中起重機」，就像在地球上利用起重機運送重型貨物，利用噴氣式組件和纜索系統，透過懸吊的方式將火星車放到火星表面，這種方式將帶著「好奇號」更安全且更精確的著陸蓋爾隕石坑。
經歷250多天的長途飛行後，探測器將做最後的軌道修正；在進入火星大氣層前10分鐘，負責變軌、調姿和散熱的飛行段（cruise stage）將與探測器分離；在進入大氣層前8分鐘，探測器與平衡裝置分離。探測器將在距離火星地表125公里處進入火星大氣，以每秒5900公尺的高速下降，透過超音速機動進行角度調節逐漸減速，接近地表著陸點。經過4分鐘左右，速度減低到470公尺/秒，距地表約10公里，此時降落傘將打開進行進一步的減速。經過28秒後，速度降到160公尺/秒，距地表約7公里時，隔熱罩將分離，並啟動雷達開始收集地表數據。再經過77秒，此時距離火星地表1.8公里，減速至100公尺/秒的探測器將與連接降落傘的後防護罩分離，留下「好奇號」在下降段（descent stage）的底部，下降段載有反推火箭以減速下降，大約經過35秒，距離地表約20公尺處時，「空中起重機」登場了！下降段維持0.75公尺/秒的速度緩慢下降，並放下連接下降段與「好奇號」的3根繫繩與傳輸訊號的電纜，使「好奇號」緩慢向地面接近，同時「好奇號」的車輪及車底支架展開，經過約12秒，繫繩完全伸長至7.5公尺，且偵測到車輪安全觸地後2秒，繫繩被切斷，下降段隨後傾斜飛離「好奇號」數百公尺，直至燃料耗盡墜落，以保護著陸的「好奇號」安全無虞。在「好奇號」登陸時，目前環繞火星飛行的3顆火星探測衛星：「火星奧德賽號」、「火星特快車號」、「火星勘測軌道衛星」也將實施即時監控，並將訊息傳回地球上的控制中心。
「好奇號」的科學目標
「好奇號」被賦予的使命是研究火星是否適合生命居住。生命得要有水，因此想在火星上找生命，就得「跟著水走」！這也是美國火星探測計畫的科學策略。「好奇號」所降落的蓋爾隕石坑大約形成於35億至38億年前，直徑約154公里，隕石坑中央有座高約5.5公里的Aeolis山，隨著時間層層堆疊的岩層富含黏土及硫酸鹽沉積物，和過去液態水的存在大有關係，因此能從眾多候選登陸地點中勝出。「好奇號」將花上一個火星年的時間(約2個地球年)，仔細分析火星的土壤及岩石中的樣本，因為它們的形成、結構及化學組成詳實紀錄了火星的氣候及地質歷史。「好奇號」為了研究火星的適居性，其主要的科學目標有下列四項：
目標一：「好奇號」將調查至少一個目標區域其環境是否蘊藏生命發展的潛力，除了研究有機碳化合物的特性，它也將尋找其他生命組成的化學成分，並且研究和生命有關的現象所可能留下的特徵和紀錄。
目標二：「好奇號」將調查火星地表及地表淺層的化學成分、同位素以及礦物組成，以嘗試在各種合適的空間尺度上了解著陸區域的地質歷史，並且推測形塑火星岩石和土壤的地質作用和過程。
目標三：科學家們希望能夠了解火星的演化和火星過去是否可能存在生命的關係，因此「好奇號」將研究火星大氣層長時間以來演化的過程，和目前火星大氣中水及二氧化碳的現狀、分布，以及循環。
目標四：「好奇號」將研究火星表面輻射的光譜，包含星系宇宙輻射、次級中子及來自太陽的質子。
「好奇號」攜帶的科學儀器
為了達成上述科學目標，「好奇號」攜帶了火星探測史上最為先進的十項科學設備，其中包含三台相機、四台光譜儀、兩台輻射偵測器，以及一台環境感測儀。
1. 桅杆相機（MastCamera，Mastcam）
「 桅杆相機 」是「好奇號」的主要成像工具，安裝在「好奇號」車體上方的桅杆上，負責拍攝火星地貌的高解析度彩色立體照片和影片，供科學家進行分析，「桅杆相機」所拍攝的照片將幫助控制中心操作「好奇號」前進及取樣任務。
2. 火星手持透鏡成像儀（Mars Hand Lens Imager，MAHLI ）
就像地質學家除了有地質錘，脖子上總是掛著個放大鏡，「好奇號」也帶著自己的放大鏡「火星手持透鏡成像儀」，用以近距離觀察火星地表的岩層，它能夠拍攝不到一根頭髮直徑、僅12.5微米的地貌特徵，除了白光光源之外，「火星手持透鏡成像儀」也配備有紫外光源，因此不論白天晚上都可以工作，幫助科學家了解火星的地質歷史，並選擇進一步深入分析的樣本。
3. 火星降落成像儀（Mars Descent Imager，MARDI）
著陸點附近的地形地貌對規劃「好奇號」的探險路徑來說十分重要，「火星降落成像儀」便是負責在「好奇號」的降落過程中由空中俯瞰拍攝地表的相機。當隔熱罩分離之後，它便開始以每秒五張的速度拍攝著陸點附近的高解析度照片，當安全著陸後便會將這些照片傳回地球，幫助科學家規劃「好奇號」的前進路線。
4. 火星樣本分析儀（SampleAnalysis at MarsInstrument Suite，SAM ）
「火星樣本分析儀」占了「好奇號」科學酬載一半以上的重量，機械臂末端的鑽頭採集岩石內部樣本後，將送入包含了質譜儀、氣象層析儀、可調雷射光譜儀等一系列儀器中分析。它的任務是尋找像是甲烷這樣和生命現象有關的含碳化合物，並且了解其在火星生態圈的循環，除此之外，也將搜尋氫、氧和氮這些地球生命必須元素的豐度，藉以評估火星環境在過去和現在是否適合生命生存。
5. α粒子X射線光譜儀（AlphaParticleX-RaySpectrometer，APXS）
「α粒子X射線光譜儀」將分析火星的岩石及土壤中的化學元素豐度，利用α粒子和X射線將樣本中的電子撞出軌道，偵測器便能藉由產生的X射線分析元素的成分及含量。先前安裝在
「精神/機會號」上的這項儀器已經證實水在形塑火星地貌上扮演了重要的角色。
6. 化學與礦物學X射線繞射/螢光分析儀（Chemistry& Mineralogy X-Ray Diffraction/ X-Ray Fluorescence Instrument，CheMin）
「化學與礦物學X射線繞射/螢光分析儀」將會用來分析火星上的礦物成分，機械臂末端的鑽頭採集岩石內部樣本後，會將蒐集到的粉塵過篩並送進儀器內部分析。先前已經在火星上發現的礦物包含有橄欖石、輝石、赤鐵礦、針鐵礦、磁鐵礦，而礦物的類型能夠幫助科學家了解當時的形成環境是否含有水。有些原子吸收Ｘ射線後會發出特定的螢光，而Ｘ射線的繞射技術則可以幫助科學家解析晶體結構。
7. 化學相機（Chemistry & Camera，ChemCam）
「化學相機」能夠利用雷射清除火星岩石的灰塵，再由照相機拍攝高解析度照片。更厲害的是對於機械臂無法觸及的地區，它也很有辦法！「化學相機」能夠向9公尺外僅1公厘大小區域的火星岩石發射雷射光，並由蒸發氣體中的離子和電子分析岩石成分。
8. 中子反照率動態探測器（DynamicAlbedo of Neutrons，DAN）
在火星上搜尋水的其中一個方法是偵測從行星表面逃逸的中子，來自太空的宇宙射線撞擊火星地表，將岩石土壤中的中子從原子軌道中撞出；在有液態水或冰存在的狀況下，氫原子會使中子減速，因此若有大量速度緩慢的中子，便說明火星地表下可能存在水或冰。「中子反照率動態探測器」能在距地表高約80公分處向地面發射中子束，並偵測這些中子由地表反射後的速度，決定地表下是否有冰層或是含水的結晶分子。
9.輻射評估探測器（Radiation Assessment Detector， RAD）
和烤麵包機差不多大小的「輻射評估探測器」，將測量火星上所有類型的高能輻射，包括快速移動的質子、高能原子和伽瑪射線，用以評估未來的人類探險火星任務，瞭解輻射環境對火星上過去和現在可能存在的微生物會造成多大的危害，以及改變火星岩石和土壤中化學元素和同位素含量。
10. 火星車環境監測站（Rover Environmental Monitoring Station，REMS）
「火星車環境監測站」負責測量大氣壓、濕度、風速和風向、空氣溫度、地面溫度以及紫外輻射，將這些資料彙聚成每日和每季報告，幫助科學家詳細瞭解火星環境。
結語
「好奇號」即將帶著人類的期盼與好奇一起登陸火星，您是否也迫不及待加入探險的旅程了呢？天文館屆時也將舉辦一系列的活動，歡迎您上天文館網站查詢。當然，您也可以在YouTube 搜尋「Mars Science Laboratory (Curiosity Rover) Mission Animation」，或是加入臉書粉絲團「NASA's Curiosity Mars Rover」，NASA的網站
http://marsprogram.jpl.nasa.gov/msl/ 和
http://www.nasa.gov/mission_pages/msl/index.html上也有詳細的介紹喔！
（本文承蒙美國加州理工學院噴射推進實驗室（Jet Propulsion Laborator/Caltch）劉登凱博士提供諮詢與協助審稿，特此致謝）
文 / 胡佳伶（任職於臺北市立天文教育館）
轉載自臺北天文館 臺北星空 57期（
pdf檔）
天文學家在距離我們最近的恆星－僅4.3光年的南門二旁發現了新行星！這顆行星的質量和地球相仿，也是目前在類似太陽的恆星周圍所發現最輕的行星！
