當(dāng)阿波羅(Apollo)宇航員降落在月球上時(shí)，他們帶來(lái)了稱為后向反射器的裝置，該裝置實(shí)質(zhì)上是一小排鏡子。該計(jì)劃的目的是讓地球上的科學(xué)家將激光瞄準(zhǔn)它們并計(jì)算光束返回所花費(fèi)的時(shí)間。這提供了對(duì)月球軌道和形狀的極其精確的測(cè)量，包括月球如何根據(jù)地球的引力略有變化。

直到今天，這些阿波羅時(shí)代的月球后向反射器的研究仍在繼續(xù)，科學(xué)家們希望在火星上進(jìn)行類似的實(shí)驗(yàn)。NASA的毅力漫游車(計(jì)劃于2021年2月18日降落在“紅色星球”上)攜帶掌上大小的激光后向反射器陣列(LaRA)。該機(jī)構(gòu)的InSight著陸器上還有一小塊，稱為InSight激光逆反射器(LaRRI)。并將在2022年發(fā)射的ESA(歐洲航天局)ExoMars火星漫游車上安裝后向反射器。

盡管目前尚無(wú)用于此類火星研究的激光器，但這些設(shè)備是面向未來(lái)的：像這樣的反射器有一天可以使科學(xué)家們進(jìn)行所謂的激光測(cè)距研究，以測(cè)量火星探測(cè)器在火星上的位置在表面上測(cè)試愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，并幫助使未來(lái)在紅色星球上的著陸更為精確。

西蒙娜·戴爾·阿涅洛(Simone Dell'Agnello)表示：“激光后向反射器是有光澤的點(diǎn)狀位置標(biāo)記，”意大利國(guó)家核物理研究所負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)所有三個(gè)后向反射器，該研究所代表意大利航天局制造了該裝置。“由于它們簡(jiǎn)單且無(wú)需維護(hù)，因此它們可以工作數(shù)十年。”

一盒鏡子

這些設(shè)備的工作原理很像自行車反射鏡，將光向光源反射回來(lái)。例如，Perseverance的LaRA是一個(gè)2英寸寬(5厘米寬)的圓頂，上面散布著半英寸的包含玻璃電池的孔。在每個(gè)像元中，三個(gè)鏡面彼此成90度角放置，從而使進(jìn)入孔中的光以與它發(fā)出的方向完全相同的方向被引導(dǎo)回去。

LaRA比月球上的后向反射器小得多。最早的，是由阿波羅11號(hào)和14號(hào)任務(wù)執(zhí)行的，大約相當(dāng)于典型的計(jì)算機(jī)顯示器的大小，并嵌入了100個(gè)反射器。阿波羅15發(fā)射的反射鏡更大，并內(nèi)置300個(gè)反射鏡。這是因?yàn)榧す獗仨毾蛟虑蚝驮虑騻鞑ザ噙_(dá)478,000英里(770,000公里)?；爻虝r(shí)，光束是如此微弱，無(wú)法被人眼察覺(jué)。

盡管火星在距地球最遠(yuǎn)的位置約2.49億英里(4.01億公里)，但Perseverance的LaRA和InSight的LaRRI用來(lái)反射的光束實(shí)際上實(shí)際上要短得多。激光束不需要從地球上來(lái)回傳播，而這將需要巨大的后向反射器，而是只需從配備有合適激光器的未來(lái)火星軌道器上來(lái)回傳播即可。

照明科學(xué)

這樣的軌道器可以確定后向反射器在火星表面上的精確位置。并且由于毅力將是可移動(dòng)的，因此它可以提供多個(gè)參考點(diǎn)。同時(shí)，還將從地球跟蹤軌道器的位置。這將使科學(xué)家們能夠像在月球上的后向反射器一樣，測(cè)試愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論。每個(gè)行星的軌道都受到太陽(yáng)大質(zhì)量所造成的時(shí)空彎曲的極大影響。

Dell'Agnello指出：“這類科學(xué)對(duì)于了解重力如何影響我們的太陽(yáng)系，整個(gè)宇宙以及最終暗物質(zhì)和暗能量的作用非常重要。”

以InSight著陸器為例，該著陸器于2018年11月26日降落，激光測(cè)距科學(xué)也可以幫助該航天器研究火星深層內(nèi)部的核心任務(wù)。InSight依靠無(wú)線電儀器來(lái)檢測(cè)行星自轉(zhuǎn)的細(xì)微差異。通過(guò)從儀器中了解行星如何隨時(shí)間擺動(dòng)，科學(xué)家最終可以確定火星的核心是液態(tài)還是固態(tài)。

如果科學(xué)團(tuán)隊(duì)能夠使用著陸器的后向反射器，他們可以獲得比InSight收音機(jī)提供的更為精確的定位數(shù)據(jù)。LaRRI還可以檢測(cè)InSight地形隨時(shí)間變化的方向和方向，揭示火星地殼如何擴(kuò)展或收縮。

更好地登陸火星

火星著陸很難。為了幫助堅(jiān)持不懈地堅(jiān)持下去，任務(wù)將依賴于“地形相對(duì)導(dǎo)航”，這是一項(xiàng)將下降過(guò)程中拍攝的圖像與機(jī)載地圖進(jìn)行比較的新技術(shù)。如果航天器發(fā)現(xiàn)自己過(guò)于接近危險(xiǎn)(如懸崖邊或沙丘)，它就會(huì)轉(zhuǎn)向。

但是在這種關(guān)鍵任務(wù)事件中，您永遠(yuǎn)不會(huì)有太多的備份。未來(lái)沖向“紅色星球”表面的任務(wù)可以使用激光后向反射器上的一系列參考點(diǎn)來(lái)檢查其“地形相對(duì)導(dǎo)航”系統(tǒng)的性能，甚至可能將其精度降低到幾厘米。如果僅以英尺為單位就可以成功地測(cè)度到一個(gè)誘人的地質(zhì)構(gòu)造附近成功落下或在火山口壁的陡坡上滑下之間的差異，那么后向反射器可能就很關(guān)鍵。

Dell'Agnello說(shuō)：“激光測(cè)距可以開(kāi)辟新的火星探測(cè)領(lǐng)域。”

有關(guān)任務(wù)的更多信息

恒心號(hào)在火星上的主要目標(biāo)是天體生物學(xué)，包括尋找古代微生物生命的跡象。流浪者還將表征地球的氣候和地質(zhì)，為人類探索紅色星球鋪平道路，并且是第一個(gè)收集和儲(chǔ)存火星巖石和重石塊(破碎的巖石和塵土)的行星任務(wù)。NASA目前正在與歐洲航天局合作考慮進(jìn)行后續(xù)飛行任務(wù)，這些飛行任務(wù)將把航天器送往火星，以從地表收集這些緩存的樣本，并將其返回地球進(jìn)行深入分析。

火星2020恒星漫游者由JPL(加利福尼亞州帕薩迪納市加州理工學(xué)院的一個(gè)部門)為NASA管理，是一項(xiàng)更大計(jì)劃的一部分，該計(jì)劃包括對(duì)月球的飛行，以此為人類對(duì)紅色星球的探索做準(zhǔn)備。到2024年，美國(guó)航天局將負(fù)責(zé)將宇航員送回月球，到2028年，美國(guó)航天局將通過(guò)NASA的Artemis月球探測(cè)計(jì)劃在月球及其周圍建立持久的人類存在。