NASA漫游车“毅力号”戴上巴掌大“眼镜” 火星上检验爱因斯坦广义相对论

图片来源：NASA/JPL-Caltech

50年前，当阿波罗号的宇航员登陆月球时，他们携带了一种叫做后向反射器的装置，本质上是一个小型镜面阵列。该计划是让地球上的科学家将激光瞄准它们，并计算光束返回所需的时间。这为月球的轨道和形状提供了异常精确的测量，包括月球是如何根据地球的引力轻微改变的。

对这些阿波罗时代的月球后向反射器的研究一直持续到今天，科学家们希望在火星上进行类似的实验。美国宇航局（NASA）的“毅力号”探测器将于2021年2月18日登陆火星，携带着巴掌大小的激光后向反射器阵列(LaRA)。此前，NASA的“洞察号”着陆器上也有一个小探测器，叫做“洞察号激光后向反射器”(LaRRI)。欧洲航天局（ESA）将在2022年发射的ExoMars探测器上也会安装一个后向反射器。

虽然目前还没有激光用于这种火星研究，但这些设备是面向未来的：像这样的反射器可以让科学家有一天进行激光测距研究，测量探测器在火星表面的位置，检验爱因斯坦的广义相对论，有助于使未来在火星上的着陆更加精确。

“激光后向反射器是闪亮的点状位置标记。”Simone Dell'Agnello说，他在意大利国家核物理研究所领导了这三种后向反射器的研发，该研究所代表意大利航天局建造了这三种设备。“因为它们简单，免维护，可以工作几十年。”

一盒镜子

这种装置的工作原理很像自行车的反光镜，将光线反射回光源的方向。比如，“毅力号”的LaRA就是一个2英寸宽（5厘米）的圆顶，上面点缀着半英寸宽的孔，里面有玻璃单元。在每个单元中，三个镜面被放置成90度的角度，这样进入小孔的光线就能以完全相同的方向反射出去。

LaRA比月球上的后向反射器小得多。月球上的后向反射器最早是由阿波罗11号和14号任务交付的，大约是普通计算机显示器大小，并嵌入了100个反射器；阿波罗15号发射的后向反射器更大，内置了300个反射器。这是因为激光必须在往返月球的路上行驶478,000英里（770,000公里）。在回程时，光束极其微弱，肉眼无法探测到。

“毅力号”的LaRA和“洞察号”的LaRRI用来反射的光束实际上要短得多，尽管火星离地球的最远点距离约2.49亿英里（4.01亿公里）。比起同地球上来回传输，需要无数后向反射器，未来的火星轨道器配备了合适的激光，激光束只需要从这里来回传输。

照明科学

这样的轨道飞行器可以确定火星表面后向反射器的精确位置。由于“毅力号”是可移动的，它可以提供多个参考点。与此同时，轨道飞行器的位置也可从地球追踪。这将使科学家能够测试爱因斯坦的广义相对论，就像他们在月球上使用后向反射器一样。每颗行星的轨道都受到太阳巨大质量造成的时空弯曲的极大影响。

“这类科学对于理解引力如何塑造我们的太阳系、整个宇宙，以及最终暗物质和暗能量的作用非常重要。” Dell'Agnello指出。

以2018年11月26日着陆的“洞察号”着陆器为例，激光测距技术还可能有助于该航天器的核心任务——研究火星的深层内部。“洞察号”依靠无线电仪器探测行星自转的细微差别。通过了解火星如何随时间摆动，科学家们可能最终确定火星的核心是液态还是固态。

如果科学小组能够使用着陆器的后向反射器，他们就能获得比“洞察号”无线电提供的更精确的定位数据。LaRRI还可以探测到“洞察号”位置是如何随时间变化的，以什么方向变化的，从而揭示火星地壳是如何膨胀或收缩的。

有利于火星着陆

登陆火星是困难的。为了帮助“毅力号”安全到达地面，这次任务将依赖于地形相对导航，这是一种将下降过程中拍摄的图像与机载地图进行比较的新技术。如果航天器发现自己离危险太近(比如悬崖或沙丘)，它就会掉头离开。

但在此类任务关键事件中，备份永远不会太多。在未来的任务中，如果要快速飞向这颗红色星球的表面，可以使用激光后向反射器中的一系列参考点来检查它们的地形相对导航系统的性能，甚至可能将其精度提高到几厘米。当成功地在一个最佳地质构造附近着陆和从火山口陡峭的斜坡上滑下之间的差别可以用英尺来测量时，后向反射器可能是至关重要的。

Dell'Agnello说:“激光测距可能会开创新的火星探测方式。”

更多关于任务的信息

“毅力号”火星任务的一个关键目标是天体生物学，包括寻找古代微生物生命的迹象。火星车还将描绘火星的气候和地质特征，为人类探索这颗红色星球铺平道路，并成为第一个收集和保存火星岩石和风化层(破碎的岩石和灰尘)的行星任务。NASA目前正在考虑与欧洲航天局合作，随后的任务将向火星发射航天器，从火星表面收集这些储存的样本，然后送回地球进行深入分析。

由NASA管理的火星2020“毅力号”漫游车是一个更大的计划的一部分，其中包括月球任务，为人类探索红色星球做准备。NASA的任务是在2024年让宇航员重返月球，通过其阿尔特弥斯月球探测计划，将于2028年之前在月球上和月球周围建立持久的人类根据地。