火星探测六十年 | 一切过往,皆成序章
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古埃及人看火星的假想图。来源：NASA/Mars in a Minute
红色荧惑
在许多文化里，红色的火星都和“战争、不祥”建立了联系。
中国古人称火星为“荧惑”，早在春秋战国时期，诸子百家的著作中就大量出现了对“荧惑”的记载。“荧惑守心”这一地球和火星角速率不同造成的“弯道超车”视觉现象，被中国古人视为大凶之兆。
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荧惑守心，指火星在心宿附近发生由顺行转为逆行/由逆行转为顺行的过程中停留了一段时间的现象。来源：《武英殿二十四史·史记·宋微子世家》影印版
英文的火星“Mars”则是罗马神话中战神“玛尔斯”的名字，连带着两颗小小的卫星都被命名为Phobos和Deimos，这是希腊神话中战神两个儿子的名字，意为“害怕”、“恐怖”。
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火星、火卫一和火卫二。来源：NASA
描绘火星
十七世纪，望远镜问世，但在此后的三百多年里，人类主要借助火星冲（日地火近似呈一条直线）这样的“自然窗口”才能更清楚地看到火星表面形貌。在每26个月一次的火星冲附近，火星可以达到离地球最近的位置，许多火星表面地图，都是天文学家们基于火星冲时期的观测绘制的。
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实际地火最近会发生在火星冲附近而未必是刚好重合，因为地火轨道都不是完美的圆而是椭圆的。动图是2016年火星冲的例子，这次地火最近（closest approach）比火星冲（opposition）晚了8天。来源：NASA's Scientific Visualization Studio
1840年，德国天文学家约翰·海因里希·冯·马德勒和威廉·比尔发布了第一张完整的火星地图，这也是第一张用经纬度标注地球以外行星的地图：火星的0度经线被定义在小型撞击坑艾利-0所在之处。
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尔在1840年发布的首张火星全球地图；（右）直径约500米的艾利-0撞击坑，位于直径40千米的艾利撞击坑内部。来源：MGS MOC
此后三十年间，也有各种版本的火星地图陆续问世，并用各自的命名方式给火星地貌命名，但最终一统江湖的，还是时任意大利布雷拉天文台台长的乔凡尼·斯基亚帕雷利用1877年火星大冲时期的观测绘制的火星地图。地图中使用的诸多火星典型地貌命名被后人广泛采纳，沿用至今。
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乔凡尼·斯基亚帕雷利绘制的火星全球地图和地图中沿用至今的火星地名（红圈），此图相比于原图做了经度显示范围的调整，注意纬度显示是不均匀的，而且范围只在北纬50°-南纬80°之间。修改自：斯基亚帕雷利1877火星地图
似乎一切都在向着越来越好的方向发展，彼时的人类虽然装备有限，但依然在一点一点增进对火星的了解。只是，谁也不知道为啥这路走着走着就走歪了。
运河迷思
从彼时的权威人士乔凡尼·斯基亚帕雷利开始，一些天文学家认为自己通过望远镜在火星表面看到了越来越多“线性沟槽”。在此后的近百年里，人们开始相信火星表面确实“阡陌交通、沟壑纵横”，这些“沟槽”是火星人为灌溉而建造的“运河”。
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到了20世纪初的火星地图中，火星地图已经成了这样。注意，早期的火星地图和如今的火星地图多为南北镜像反转的，这张也需要南北翻转一下才能得到和上图一致的位置。来源：罗威尔1896-97地图，发表于1905年罗威尔天文台的年志中
于是，这些压根不存在的“火星沟槽”又让人们与火星表面的真实形貌渐行渐远，也让“火星运河”和“火星人”的错误观念一度深入人心。有机会再和大家展开聊聊这段“火星运河荒唐史”。
直到探测器时代的来临，这些迷雾才终于被无可争议的观测事实所拨开。而我们的故事，就是从这里开始的。
惊鸿一瞥
如果说望远镜的发明“升级”了人类的肉眼，那探测器的登场则为人类的凡胎插上了翅膀。
和“想要近距离看清火星”的望远镜时代相似，想要“近距离探测火星”，依然要等待每26个月一次的“窗口期”，只不过，这次的窗口期从“火星冲”这样“距离上的最近”（观测窗口），变为了让探测器最节省燃料的“能量上的最近”（发射窗口）。
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每当火星相对于太阳的位置领先于地球44度角左右的时候，从地球发射的探测器经过一个椭圆轨道（也就是“地火转移轨道”）后刚好会在几个月后与火星自然相遇，这样的时机每26个月出现一次。注意，这样的发射时机并不对应于火星距离地球最近的时刻。改编自：NASA
在1964年的火星发射窗口里，NASA一口气先后发射了孪生机水手3号和4号。11月5日发射的水手3号，在发射阶段就遇到了一箩筐问题：探测器没能完全从头锥中弹出、太阳能板没能展开、电池耗尽…最终发射失败。
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孪生机水手3号和4号的外形。来源：NASA
但正是这些问题的发现为弟弟水手4号走向人生巅峰铺平了道路。仅仅在23天后的11月28日，修复了所有已知问题的水手4号顺利发射，又在8个月后成为了人类第一个飞掠火星并传回火星照片的探测器。
水手4号共拍摄并传回了22张火星南半球的照片，让人类第一次近距离看到了火星表面的样子，还对火星大气、磁场和空间环境做了初步探测。水手4号的探测结果基本打破了人类对“火星人”的幻想：相比于地球，火星大气稀薄，表面像月球那样撞击坑遍布。这里荒凉而沉寂，没有发现任何支持火星人这样的复杂智慧生命存在的证据。
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1965年7月15日，水手4号飞掠火星时拍摄的火星表面照片。来源：NASA
生死时速
飞掠火星看到的一点惊鸿掠影当然不能让人类满足，环绕火星展开长期探测才能将全球每个角落收入眼底。1971年发射窗口，美国和苏联迎来了激烈的“火星争夺赛”。
在短短21天里，美苏相继发射了5颗火星环绕器。最终，NASA水手9号后发先至，率先于1971年11月14日进入环火星轨道，成为人类第一个火星环绕器。自此，人类终于可以驻留在火星附近长期观测了。
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“生死时速”——1971火星争夺赛。
制图：haibaraemily
水手9号、火星2号和火星3号抵达火星时，好巧不巧正赶上火星全球性的沙尘暴。但水手9号迅速调整了状态，坚持到了沙尘暴平息，最终获得了远优于火星2号和3号探测成果。仅就拍照这一项，水手9号就拍摄了并传回了7329张火星表面照片（相比之下火星2号和3号共传回了60张照片），覆盖了火星表面85%的区域，一举超过了之前所有火星探测器的拍摄总和。
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使用水手9号数据绘制的火星地图。图片显示火星运河并不存在。来源：USGS
巨大的火山、深长的峡谷、复杂的渠道、熔岩的遗迹、甚至火卫一和火卫二的表面——在水手9号的帮助之下，火星和两颗火卫的大部分面目，终于一一暴露在了地球人的视野之下。火星最壮观的水手峡谷，就是以水手9号命名的。
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水手9号拍摄的火星表面和火卫一。来源：NASA
踏上火星
环绕探测固然能为我们提供火星近乎全球的整体信息，但实地考察的重要性也不可替代。没有什么比真正踏上火星表面，近距离探测火星更让人类心驰神往。
1975年火星发射窗口里，NASA先后发射了孪生机海盗1号和海盗2号（Viking）。每艘海盗号都由环绕器和着陆器组成，环绕器进入环火星轨道飞行了一段时间后才择机释放着陆器。海盗号着陆器采用了最最传统的降落伞+反冲火箭的着陆方式，和后来的凤凰号、洞察号如出一辙。
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海盗号1号/2号轨道器和着陆器。来源：NASA
1976年7月20日和9月3日，短短一个半月间隔里，海盗1号和2号的着陆器相继踏上火星遥遥相对的两片土地：克律塞平原和乌托比亚平原。
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海盗1号和2号着陆点。底图：MGS
它们不仅是美国第1、2个成功着陆火星的探测器，也是人类头两个成功着陆火星并顺利开展工作的探测器。
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第一张在火星表面拍摄的照片。1976年7月20日，海盗1号在着陆几分钟后拍摄然后传回。来源：NASA/JPL-Caltech
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第一张火星表面拍摄的彩色照片。1976年7月21日，海盗1号着陆器拍摄，红色的表面可能是褐铁矿（水合氧化铁），这种矿物在地球上是水和氧化性大气环境下的产物。来源：NASA/JPL-Caltech/PIA00563
尽管严格来说，苏联的火星3号才是第一个成功软着陆火星表面的探测器，但非常遗憾的是它在着陆仅20秒后就迅速失联，没能顺利开展探测工作，连拍摄的第一张照片都没能传全乎。
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火星3号着陆器传回的唯一一张“照片”。来源：苏联
没有人知道火星3号着陆器携带的火星车是否成功释放，是否在火星上走上过几步。
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有一说一，这个命运不可知的火星车动起来还是蛮灵的：火星车（×）火星狗（√）。来源：SpaceLin
海盗号的两艘环绕器也各自精彩。它们在任务期间拍摄了大量火星以及两颗火卫表面的高清照片，质量远胜于之前的水手9号任务，覆盖率更是高达火星表面积的97%，再一次刷新了人们对火星表面的认识。
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由海盗1号环绕器拍摄的102张照片拼接而成，中间可见清晰的水手号峡谷，左边缘可见火星著名地标“三颗纽扣”——塔尔西斯盾状火山群。编号：MG07S078-334SP
海盗号的成功标志着美国在太空竞赛火星赛场上的压倒性胜利，此后，美苏都陷入了长时间的沉寂。
全盛序幕
1996年底，NASA火星全球探勘者号（MGS）环绕器发射成功，次年进入环火星轨道。在长达9年的火星岁月里，这颗探测器取得了诸多令人惊叹的科学成就。
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火星全球探勘者号工作的艺术想象。来源：NASA/JPL
它用激光高度计获取了迄今为止分辨率最高的火星全球地形数据（MOLA），至今仍是各种科学探测和研究的重要参考。
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火星全球勘探者号获取的火星地形图，越红越高，越蓝越低。来源：NASA/MOLA
通过这些地形数据，科学家们让火星北半球低地中许多被掩埋的古老撞击坑和盆地“重见天日”，这意味着火星看似平坦的北部低地其实并不比撞击坑遍布的南部高地年轻，反而更加古老。
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火星全球勘探者号（MGS）MOLA地形数据揭示的“隐藏”撞击坑。来源：参考文献
它发现了数百处流水形成的冲沟，这意味着火星表面可能在不久的过去还有过液态水流动。
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火星全球勘探者号MOC相机拍摄的火星表面的冲沟。来源：NASA/MOC
火星全球探勘者号正式开启了这后三十年火星探测的全盛时代。
火星“飙”车
1997年，火星探路者号着陆器带着人类第一辆火星车旅居者号成功登上火星表面。作为NASA第二届“发现级”项目“成员，“更快、更好、更便宜”是它们的立身之本。
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正在被折叠“打包的火星探路者号着陆器和旅居者号火星车。
来源：NASA/JPL
更轻、更小的火星探路者号首次使用气囊来完成降落伞之后的缓冲减速，然后类似我国的嫦娥三号/四号，在着陆成功之后释放火星车旅居者号。
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被塞入气囊之中的火星探路者号和旅居者号，在着陆火星的最后阶段借助气囊多次弹跳来实现缓冲，最终安全停留在火星表面。来源：NASA/JPL
尽管两个着陆任务仅仅工作了三个月（但已超过设计寿命），火星车仅累计移动了约100米，但火星探路者号和旅居者号作为探索火星的“先头部队”，为后续NASA的火星着陆任务验证了技术、开辟了道路。
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石头左边的那个小家伙就是旅居者号，仅重10.5公斤。来源：NASA/JPL
寻水而来
二十一世纪悄然来临。2001发射窗口里，NASA将环绕器火星奥德赛号送往火星。
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火星奥德赛号工作示意图。来源：NASA/JPL
火星奥德赛号的重大成就之一是它搭载的伽马射线谱仪（GRS）首次在火星上探测到了氢的存在，间接证实了火星地下含有水冰 。
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火星奥德赛号的伽马光谱仪测量的火星全球超热中子量分布，越红越高，越蓝越低。因为超热中子被氢原子慢化的效率最高，所以观测到的超热中子量越低就代表氢的富集度（水冰含量）越高，白线划定的区域被认为地表80厘米以下有稳定存在的水冰。图片来源：参考文献
这艘探测器至今仍在进行科学探测以及为火星上的着陆任务提供通讯中继，是目前为止所有的火星探测器里最超长待机的一个。
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火星奥德赛号为着陆任务提供通讯中继示意图。来源：NASA/JPL
2003发射窗口，欧空局发起了对火星的首次尝试，将环绕器火星快车号和着陆器小猎犬2号送往火星。
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火星快车号（三根天线是测地雷达）和小猎犬2号艺术想象。来源：ESA
火星快车号绝对称得上首战成名，虽然小猎犬2号着陆后失联了，但丝毫不妨碍火星快车号一路开挂的科学发现。
火星快车号搭载的可见光与红外线矿物光谱仪OMEGA在火星表面多处检测出了粘土（也就是水合层状硅酸盐）等水合矿物，表明火星表面在很久以前很可能有大量液态水流过 。
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OMEGA探测到的火星水合矿物分布。© ESA/CNES/CNRS/IAS/Université Paris-Sud, Orsay; NASA/JPL/JHUAPL; 底图：NASA MOLA
火星快车号的测地雷达MARSIS更是首次在火星地下发现了疑似液态水湖 。
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疑似冰下湖的位置（对应着高反射强度，图中蓝色区域）。来源：ESA和参考文献
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火星快车号眼中冰封世界，宛若仙境。水冰覆盖的科罗廖夫撞击坑，由火星快车号的HRSC相机影像和数字高程模型共同生成。来源：ESA/DLR/FU Berlin
NASA在这个赛季也同样辉煌：孪生机勇气号、机遇号火星车相继成功发射，并在2004年1月相继着陆在火星遥遥相对的古谢夫撞击坑和子午平原，它们的目标是探寻火星上的水。
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勇气号和机遇号火星车。来源：NASA/JPL
由于只能通过太阳能板供电，勇气号和机遇号原本的设计寿命只有90天。然而，谁也没有想到，原本被视为灾害的火星尘卷风却时不时帮它们清除了太阳能板上的灰尘，让它们能够活力四射地继续工作了好多年。勇气号和机遇号的探测结果进一步证明火星曾经有过温暖湿润的环境，那时候的火星或许是适宜生命存在的。
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机遇号发现的“蓝莓”（赤铁矿结核）和石膏脉（水合硫酸钙矿物），均是火星曾有过温暖湿润环境的证据。来源：NASA/JPL
2007年，NASA凤凰号着陆器发射升空，次年降落在火星北极一带，是目前人类最北的火星着陆任务。凤凰号和后来的洞察号着陆器采用的都是传统的反冲火箭着陆方式，而且两者在外形上也有直接的继承。
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过于相似.jpg 来源：NASA/JPL
挖土小能手凤凰号不负众望，很快就在着陆区一带的土壤下挖出了高纯度水冰，堪称“火星有水”的一记实锤。
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（左）凤凰号工作假想图；（右）凤凰号挖出的水冰，注意左下角新挖出的水冰4个火星日后挥发消失了。来源：NASA/JPL
火眼金睛
2005年，NASA的另一个大杀器火星勘测轨道飞行器（MRO）发射升空。它携带的高分辨率相机（HiRISE）为地球人带来了火星局部最高可达0.3米/像素的照片，甚至比许多地球卫星拍摄的我们地球上的照片都清楚。
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MRO工作示意图。来源：NASA
海量的高清照片不仅让地球人大开眼界，也让诸多更为精细的火星地质研究成为可能，一圈一圈环绕火星持续拍摄的高清照片，更让行星科学家们能够观察到火星表面各种随时间变化的奇特地貌——四时之景不同，而乐亦无穷。
火星，以一种极致清晰的面貌呈现在人类眼前，甚至让科学和艺术都模糊了边界。
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HiRISE相机拍摄的火星高清细节。© NASA/JPL/UArizona
HiRISE相机在火星上发现的季节性斜坡纹线（RSL），更是让人们怀疑火星表面直到近期都还有小规模的含盐液态水季节性出没。
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牛顿撞击坑中发现的季节性斜坡纹线，不过季节性斜坡纹线是否是液态水所致至今仍有争议。来源：NASA/JPL-Caltech/UArizona
生命何在
早在1976年，NASA的海盗号任务就致力于探测火星生命。承载着来自地球人对火星生命的殷切期盼，两艘着陆器都携带了生物实验装置，用于分析火星的气体样品和通过远程采样臂铲取火星的土壤样品。
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海盗1号和2号着陆器用于探测火星生命的远程采样臂和生物实验装置。改编自：NASA
令人失望的是，尽管部分探测结果显示出一些疑似生命产物的痕迹，但都没有被科学界广泛采信——海盗号没有得到火星是否存在（过）生命的明确证据。
近三十年，NASA的好奇号火星车接过了火炬。2012年8月，好奇号成功着陆于火星赤道一带的盖尔撞击坑中，目标探索远古火星可能的水和生命痕迹。
它是当时人类最昂贵、最先进、也最重的火星车，光是重达900公斤这一项，就让NASA不得不首次启用空中吊车这种着陆火星的“黑科技”。
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自此，反冲火箭、气囊和空中吊车成为火星着陆三大法宝。来源：NASA/JPL
它不仅可以通过拍照等遥感方式远程探测火星表面的形貌成分，还能在火星上钻孔，直接采样分析火星样本的成分。
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2019年2月3日（第2309个火星日），好奇号拍摄的火星表面。来源：NASA/JPL-Caltech/MSSS/PIA23139
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好奇号的“激光笔”，化学相机ChemCam工作示意图。来源：NASA/JPL-Caltech
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好奇号钻孔，直径约1.6厘米，下面那个深6.4厘米。来源：NASA/JPL-Caltech
尽管自拍狂魔·钻孔小能手·激光笔达人·行走的化学实验室·火星地质学家·好奇号至今仍未发现火星生命的实锤，但它已经在火星上发现了越来越多丰富的复杂有机物和曾经适宜生命生息的环境——这依然给了我们无限希望。
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2018年，好奇号在火星样品的热分解产物中发现有多种噻吩（C4H4S）类和其他芳香族、脂肪族复杂有机物。来源：NASA/JPL-Caltech/MSSS
凝视于外
2013和2016年发射窗口，NASA的MAVEN任务和欧空局&俄宇航合作的痕量气体轨道器（TGO）相继前往火星，它们的目标都是探测火星大气。
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来源：Lockheed Martin 和 ESA–D. Ducros
不过，前者的重点在于探索失去磁场的火星是如何逐渐失去大气层的；后者则想进一步了解火星大气中的甲烷等痕量气体，帮助我们从另一个角度认识火星上的有机物甚至可能的生命。
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来源：NASA/GSFC
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来源：ESA/ATG medialab
洞察于内
早在1976年，两艘海盗号着陆器就携带了火震仪，希望借此探测火星的内部结构。但遗憾的是，两个火震仪均未能按计划工作。而这份遗憾，直到四十年多年后的洞察号才终于得到弥补。
2018年，NASA的洞察号着陆器奔赴火星。洞察号携带着火震仪和热流检测仪等仪器，目标是探索火星的内部结构、热状态、自转变化等地球物理性质，它终于成了火星上第一位地球物理学家。
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洞察号工作示意图。来源：NASA/JPL-Caltech
尽管热流检测仪的安装遇到了一些困难，但火震仪已经观测到数百次不同震级的火星震动。洞察号在接下来的时光里，还会继续温柔地聆听火星的心跳，感受火星的体温。
乘风破浪
站在2020年这个时点眺望这颗红色星球，这可能是人类有史以来火星探索最辉煌和繁盛的时期。
尽管人类不再急功近利地堆发射数量和频率，但质量更优、分工更明确、也更超长待机的探测器们让今天的火星成为地球以外现役探测器最多的天体，妥妥的C位没有之一。
火星奥德赛、火星勘测轨道飞行器（MRO）、火星快车、曼加里安号、MAVEN、痕量气体轨道器（TGO）、好奇号、洞察号，这么多火星探测器至今仍在工作中，为我们带来源源不断的惊喜。
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至今仍在火星上“乘风破浪”的6+2天地组合。
来源：NASA、ESA、ISRO
在诸多探测数据的积累之下，如今的我们对火星的认识早已今非昔比。从火星的大气层、表面、到内部结构，从火星过去、演化、到现在——过去这六十年里人类火星探测所获得的新知，早已远超过去数千年来人类对火星认识的全部。
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火星全球地质图。不同色块表示不同的地质单元。
来源：USGS
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火星全球重力场分布。越红表示越高，越蓝表示越低。
来源：MIT/UMBC-CRESST/GSFC
明日辉煌
这份辉煌和繁盛还远远没有结束。
2020年7月，新的火星赛季再次开启。除了ExoMars二期任务临阵退赛之外，阿联酋的希望号已于7月20号率先出发，中国的天问一号、NASA的毅力号和机智号都将如约起航。已经在火星耕耘良久的6+2天地组合又将迎来新的伙伴加入。
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2020火星赛季的选手们。
来源：CNSA、ESA、NASA、MBRSC
在火星“寻水”的征途已经找到了答案之后，人类似乎又重燃了四十多年前年前对两艘海盗号的期盼：火星曾经有过生命吗？火星现在还有生命么？
甚至更远的，人类何时能采集火星的样品送回地球研究？何时能在火星建立或短期或长久的火星基地？
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SpaceX火星基地假想图。
来源：SpaceX
或许这一天已经不远了。
在这条人类前往火星的路上，有过急功近利，有过稳扎稳打，有过高歌猛进，有过黯然离场，有过意料之外的惊喜，也有过幻想破灭的失落…从1960年到2020年，六十年，对一个人类的寿命来说已经足够漫长，但在历史长河中又是如此短暂，不过弹指一挥。
或许千百年后，我们的后代回忆起这段“刀耕火种”的蛮荒探索史时，会有如看着原始人奋力划着木桶想要横渡大西洋，但这份“无知无畏”，却正如火星任务的名字们：勇气、机遇、好奇、洞察、毅力、机智那样，印证着人类这个种族向着星辰大海进发时留下的奋进和不屈的足迹。
雄心勃勃、迎难而上、坚韧执着、不惧失败、永远探索。
这，就是地球人。
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来源：电影《流浪地球》
参考文献：
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http://www5.kb.dk/en/nb/tema/webudstillinger/brahe_mechanica/brahe_fsi.html?page=20
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