引言 足不出戶看宇宙
2010年2月11日，在佛羅裡達州肯尼迪航天中心（Kennedy Space Center，KSC），我和幾位科學家站在一起，注視著火箭從發射臺呼嘯升空。安放在火箭裡的無人航天器，正是身邊這幾位傾畢生之力研發的成果。
幾個月來，我一直盼望這次機會，隻是之前沒有料到，原來親臨火箭發射現場，近距離體驗發射過程的激動根本無法言說。這種感受，人人都值得親歷。
半年前，我打算去肯尼迪航天中心現場觀看STS-130發射任務。那一次，火箭將要搭載“奮進號”（Endeavour）航天飛機，將6名宇航員送到國際空間站，執行兩個新部件的安裝任務。2004年，美國國家航空航天局（NASA）宣布將在2011年結束航天飛機計劃，這意味著偉大而傳奇的“奮進號”快要退役了。從那時起，我就希望能到發射現場一睹它後的風采。畢竟，我是專門報道太空探索和天文學新聞的記者，還有什麼事件比一個太空時代的終結更具新聞價值呢？
我仔細查閱了發射時間表，發現如果多逗留一段時間，我便可以多觀看幾次發射。再說，我那時住在伊利諾伊州，正值數九隆鼕，若能到四季如春的佛羅裡達州過上幾個星期，豈不美哉。
2010年的太空海岸（Space Coast）之旅讓我夙願得償。我不僅目睹了兩架航天飛機和兩臺無人航天器的發射，參觀了美國國家航空航天局的設施（包括一些平時不對外開放的場所），還見到並且采訪了幾十名宇航員、科學家、工程師和局裡的官員。令人激動的是，我直接站在具有歷史意義的39A發射臺上，巨大的“發現號”（Discovery）航天飛機就在我的正上方蓄勢待發，即將開啟它的倒數第二次太空之旅。
載人航天的故事自然波瀾壯闊，而且在我的報道中一直占很大比重，但在我看來，無人航天器總有某種魅力，攝人心魄。作為宇宙中人類的使者，這些機器人能夠到達人類尚無法觸及的太空深處。我是聽著“水手號”（Mariner）、“海盜號”（Viking）和“旅行者號”（Voyager）的故事長大的。故事裡說，這些機器人航天器勇敢踏上史無前例的深空航程，獲得劃時代的發現，改變人類對太陽繫的看法，將過去隻存在於夢境和畫家筆下的群星世界呈現在我們眼前。
我們已經向地球附近的行星、矮行星、小行星、彗星和衛星發射了多個無人航天器，它們每天發回的太空圖像如此逼真，如此震撼。無論多麼艱辛，它們作為人類科學探索的代表，飛越、環繞、登陸、撞擊和環視千奇百怪的太陽繫天體。此外，我們還將超級望遠鏡送入太空。它們越過雲霧重重的地球大氣層，在外太空清晰地觀察和拍攝遙遠的恆星和星繫，甚至是與太陽繫截然不同的恆星繫統，向我們展示令人嘆為觀止的宇宙圖景。
人類渴望揭開宇宙的未解之謎，為此設計和制造了航天器。它們有著金屬和電路板構成的身軀，是人類智慧的結晶。人類依靠聰明纔智，精確計算軌跡，繪制星歷表（確定某個給定時間點天體與航天器的位置），讓無人航天器跨越星際之遙，造訪群星。善於探究的人類大腦分析數據，得出結論，獲得新發現。不論是火箭科學家，還是我們普通人，都會對宏偉的太空景像心生敬畏，為遙遠太空裡的神秘發現贊嘆不已。這些無人航天器讓我們足不出戶就能探索宇宙。
但把它們送上太空並非易事。
首先，天文學家和行星科學家在自己的科研領域嘔心瀝血數年，其間受某個未解之謎的啟發，萌生新的想法，比如研制一臺儀器或者一個配備多種儀器的航天器，好去研究這個未解之謎。然後，他們與日後可能共事的研究員合作擬定初步的任務概念和計劃圖表。
接下來，他們要等美國國家航空航天局、歐洲空間局（ESA）、日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）、印度空間研究組織（ISRO）之類的太空機構發出機會通告（Announcement of Opportunity，AO），征集太空任務計劃書。不過，太空機構往往隻關注一些特定類型的任務。因此，如果他們的構想與太空機構的預期不符，他們就要繼續等待，直到合適的機會出現。
終於，機會出現了。他們開始組建團隊，起草任務計劃書。一般來說，為了讓任務能夠挺過多輪專家評審，他們會提交幾份計劃書。終，隻有少數幸運者贏得太空機構的資助。若是有幸過審，他們不免要欣喜若狂一陣子，但狂喜過後，他們必須著手籌劃儀器和航天器的建造，這中間還要反復修改和調整方案。同時，他們還要搞定運載工具，也就是火箭。對了，國會或議會說不定什麼時候會削減太空機構的預算，已經獲批的任務也難保不會被擱置，甚至取消。
上述過程動輒耗費幾年甚至幾十年的時間，而在此期間，沒人敢保證火箭、儀器和航天器將來一定會如人所願，完美運轉，不辱使命。
雖然道阻且長，但在2010年2月11日，多年費心籌措終臻大成。太陽動力學觀測臺成功發射，奏響了任務的開篇樂章。洋溢在幾位科學家臉上的喜悅激動之情，成了我此生難忘的珍貴回憶。
我為今日宇宙網撰稿多年，有幸“跟隨”無人航天器了解太空——跟蹤它們的一舉一動，分析它們的新奇見聞，結識它們背後的優秀航天人。我還有幸給公眾講述這些偉大任務的執行過程，挖掘科學家和工程師等幕後功臣的傳奇故事——構思設計，研發建造，分析數據，運維照料，凡此種種，不可悉數。
這些幕後故事引人入勝，情節跌宕起伏，幾度峰回路轉。正如許多太空科學家所說，不必預設成果，學會期待驚喜。
本書講述21世紀初的幾個無人太空任務。這些任務有的持續幾年，有的長達幾十年，有的不過運行幾個月便完成使命。有如新舊更替的英雄傳奇，無人太空任務的故事也是此篇說罷，又敘新篇。
本書之外，還有許多奇妙的無人太空任務正在執行中，我希望你們多去了解。在本書後一章，我會介紹一些未來的新任務。
如今，不單單是記者，其實每個人都可以“跟隨”無人航天器探索宇宙。普通大眾可以通過社交媒體參與其中，向美國國家航空航天局和其他太空機構提問題，觀看影像，了解新的發現（有些發現會實時共享）。
此外，隨著公民科學計劃的實施，普通人可以突破“跟隨者”的角色，為科學進步做出實質性的貢獻——發現隱藏的星繫、新的超新星、新的恆星繫統、原先看不到的月球隕坑或火星隕坑等等。有什麼比這樣的新發現更激動人心呢？很多天體的發現者都是普通人，今後會有更多。
跟我來，讓我們一起探索太空……
南希·阿特金森
於明尼蘇達州伯南維爾鎮區
2016年
以往的火星任務
數百年來，在夜空中閃爍著紅光的火星深深吸引著太空觀察者。作為離地球近的行星，火星為人類未來的太空任務和外星殖民提供了可能，因此也一直是太空探索時代人們的主要興趣所在。迄今為止，人類已經執行了40多個無人火星探測任務……或者更確切地說，已經嘗試過40多個任務。
把美國、歐洲、蘇聯（俄羅斯）和日本執行的任務都算在內，超過半數的火星任務均以失敗告終。有的是發射時出師不利，有的在航行中途出現故障，有的沒能進入軌道，還有的經歷了慘烈的著陸。雖然近幾次任務的成功率已經遠高於早期的原地探索任務，但是當空間科學家和工程師每每埋怨“噬星老妖”或者“火星詛咒”搞砸了任務時，他們並不完全是調侃。
不過，我們也取得了非凡的成績。在20世紀60年代和70年代，“水手號”軌道飛行器和“海盜號”探測器等早期任務向我們展示了一個異常美麗但貧瘠荒蕪的岩石世界，人類希望找到小綠人做行星鄰居的幻想從此破滅了。然而，後來的任務給人類帶來了新希望。壯闊的荒涼裡暗藏著過去——抑或是現在——水和全球活動的跡像，令人神往。
“海盜號”探測器的藝術概念圖。
圖片來源：美國國家航空航天局、噴氣推進實驗室
現在的火星表面看起來又冷又干，大氣稀薄得好像你在地球上呼出的一口氣，無法抵御太陽輻射的轟擊。但有跡像表明，火星並非一直如此。從軌道上可以看到溝槽和錯綜復雜的峽谷繫統，這些地形特征似乎是流水衝刷而成的。
幾十年來，行星科學家爭論不休。這些地形特征是在災難性事件（比如小行星撞擊或者突然的氣候災變）引起的短暫濕潤期形成的？還是在幾百萬年的歲月裡，隨著火星慢慢變得溫暖濕潤形成的？到目前為止，許多證據都是模稜兩可的，兩種情況皆有可能。但如果幾十億年前，火星跟地球一樣擁有河流和海洋，那麼或許生命在那時便已扎根。
“好奇號”火星車
長久以來，人類夢想著踏足火星，但至今尚無法實現。要登上火星，我們需要更強大、更先進的火箭和航天器，還需要更尖端的生命支持和作物種植技術。如果要在火星上建立人類居住地，我們必須將巨大的有效載荷運往火星，而時至今日，我們依然沒有這個能力。
我們一邊努力鑽研上述問題，一邊向這顆紅色行星派出一個堪比地質學家的無人探測器——“好奇號”火星車。它跟小汽車一般大小，上面配備了17部相機、一臺衝擊鑽、一個鏟鬥、一臺機械臂末端透鏡成像儀和一臺激光器。這些設備相當於地質學家在地球上研究岩石和礦物會用到的工具。此外，它還能模仿人的活動，比如登山、進食（比喻意義上） 、動動胳膊（機械臂）和自拍。
這位在火星上漫步的“機器人地質學家”還是一個移動的化學實驗室。10部車載儀器可以搜尋作為原始生命物質的有機碳，“聞一聞”火星的空氣，“看一看”是否存在甲烷之類的氣體——生命存在的跡像。“好奇號”的機械臂好似一把瑞士軍刀，所需工具應有盡有：一個類似照相機的放大鏡，一臺用來測素的光譜儀，還有一臺給岩石鑽孔的衝擊鑽，為火星樣品分析裝置和化學與礦物學設備提供樣品。化學相機（ChemCam）的激光能夠在7米外把岩石汽化，然後根據其光譜確定礦物成分。此外，火星車上還有一個氣像站和一臺輻射監測設備。
“好奇號”的國際科學團隊由大約500人組成，設備齊全的“好奇號”成為他們探索火星的手和眼睛。
“好奇號”火星車上的各種成像設備和科學儀器。
圖片來源：美國國家航空航天局、加州理工學院－噴氣推進實驗室
以往的火星車使用太陽能電池陣列（solar arrays）收集太陽能發電，而“好奇號”與“新視野號”一樣，使用放射性同位素溫差發電機，反復為可充電的鋰電池供電。同時，產生的熱量被導入火星車的底盤，用於內件的保溫。
由於體積和質量較大，“好奇號”不可能像過去那樣，使用安全氣囊著陸。美國國家航空航天局工程師羅伯·曼寧（Rob Manning）解釋說：“你沒法讓那麼大的東西彈起來。”空中弔車是一個大膽的解決方案。
“好奇號”的使命：揭示火星幾十億年的演化過程，確定火星是否曾經，甚至現在依然支持微生物存在。
“好奇號”的探索目標：一座高5.5千米的火星山，它被科學家稱為夏普山（Mount Sharp），原名伊奧利亞山（Aeolis Mons），坐落在直徑155千米的蓋爾坑（Gale Crater）中央。
現場參與“好奇號”著陸的人員包括美國國家航空航天局太陽繫探索（Solar System Exploration）項目執行官戴夫·萊弗裡（Dave Lavery，右二）和負責科學任務指揮部（Science Mission Directorate）的副局長約翰·格倫斯菲爾德（John Grunsfeld，右四）。
圖片來源：美國國家航空航天局、比爾·英戈爾斯
蓋爾坑從60個候選著陸點中脫穎而出。火星軌道飛行器的數據表明，夏普山含有幾十個沉積岩層，可能經過了幾百萬年纔形成。這些岩層可以解釋火星的地質變遷和氣候演化。此外，夏普山和蓋爾坑似乎都有看似由流水衝刷而成的溝槽和其他特征。
計劃：火星科學實驗室將在蓋爾坑內一片平坦的低地上著陸，然後小心地攀登夏普山，研究山體的每個岩層，這相當於縱觀火星的各個地質年代。
的挑戰在於“好奇號”能否降落到那裡，機會隻有一次。
如何駕駛火星車
在火星上，“好奇號”怎麼知道要去哪裡？怎麼去？你或許以為，噴氣推進實驗室的工程師像搖動遊戲杆一樣操控火星車。但與遙控駕駛和電子遊戲不同，火星車司機沒有即時的視覺輸入和屏幕，看不到火星車的實時位置。此外，跟著陸時的情況一樣，從地球發出指令，到火星車接到指令，兩者之間總有一段時間延遲。
“由於通信延遲，我們無法做到實時交互式的操控。”操控團隊負責人約翰·邁克爾·莫魯基恩（John Michael Morookian）解釋說。
準確地說，莫魯基恩和這個團隊的成員都是火星車路線規劃師。他們與其說是操控火星車，還不如說是提前為它規劃路線，編寫專門的軟件，然後上傳指令。
“我們會參考‘好奇號’拍攝的周邊圖像。”莫魯基恩說，“4部黑白導航相機提供一套立體圖像，還有避障相機的照片和全景攝像機的高分辨率彩色照片，這些都能詳細展示前方的地形特征，以及工作現場的岩石和礦物種類，幫助我們識別科學家可能感興趣的構造。”
利用所有可得數據以及名為漫遊序列和可視化程序（Rover Sequencing and Visualization Program，RSVP）的專門軟件，操控團隊可以創建一張三維的可視化地形圖。
“這本質上是一個火星環境模擬器。我們把虛擬的‘好奇號’放進全景場景中，然後模擬它沿設計路線行駛的過程。”莫魯基恩解釋說，“我們還可以戴上立體眼鏡，看到三維場景，這讓我們感覺好像在火星上同‘好奇號’一起行進。”
在虛擬現實中，操控團隊可以通過操縱場景和火星車來測試所有可能的路線，從而尋找路線，同時確定需要避開的區域。他們可以讓虛擬火星車犯各式各樣的錯誤，比如陷進沙丘、翻車、撞上大石頭、掉下懸崖等等，還可以不斷完善駕駛指令序列，而真正的“好奇號”在火星上安然無恙。
“科學家會研究圖像，尋找有趣的地形特征，然後請我們制定一條行進路線。路線確定後，我們再編寫詳細的指令，讓‘好奇號’從A點移動到B點。”莫魯基恩說，“在此基礎上，我們可以添加指令，指揮機械臂接觸目標。”
“好奇號”火星車在“天穹”（Big Sky）的自拍照，由火星機械臂末端透鏡成像儀拍攝於2015 年10 月6 日（第1 126 個火星日），當時“好奇號”的衝擊鑽正鑽入砂岩（左下角）。
圖片來源：美國國家航空航天局、加州理工學院－噴氣推進實驗室、馬林空間科學繫統公司
根據指令，“好奇號”每晚停車8小時，以便核發電機為電池充電。但停車前，“好奇號”會將地形圖像和科學信息等數據傳回地球。在地球端，路線規劃團隊接收數據，規劃路線，編寫程序，然後將相關數據傳回火星。“好奇號”第二天醒來後，先下載指令，然後恢復工作。這個過程周而復始，不斷重復。
“好奇號”還有自動導航功能，可以穿越操控團隊在圖像裡尚未看到的地方。借助自動導航，“好奇號”能夠感知潛在的危險，從而有能力翻山越嶺，到未知的領域去探索。
“我們不常使用自動導航功能，因為計算量太大，火星車行進起來太耗時。”莫魯基恩說，“我們發現，與其使用自動導航，還不如等我們第二天上班看到圖像，研究明白，然後讓它沿著設計好的路線能走多遠走多遠。”
莫魯基恩帶我參觀了路線規劃團隊的工作間，向我解釋他們怎樣按照多個時間表規劃“好奇號”的路線。
“我們不僅要做每日路線規劃，”他說，“還要做長期戰略規劃，後者要用到火星勘測軌道飛行器高分辨率成像科學實驗設備（HiRISE）的圖像。我們基於這些圖像裡的地形特征，選擇合適的路線。這項工作具有戰略性，需要考慮未來幾個月的路線。”
路線規劃團隊還要做短程規劃（supratactical）。短程規劃隻考慮下一個星期，目的是管理和完善“好奇號”近期活動的類型。此外，由於團隊裡已經沒有人再按火星時間作息，所以規劃人員會在每周五確定未來幾天的計劃。
“我們周末休息，所以要在星期五規劃好後面幾個火星日的活動。”莫魯基恩說，“我們分成兩組，一組負責確定行駛時間，另一組確定機械臂和其他儀器的工作時間。”
不過，“好奇號”在周末傳回的數據還是會有人監控。如果有問題的話，他們會請周末應急小組做更詳細的評估。莫魯基恩說，有幾次他們不得不啟用周末應急小組，但到目前為止，還沒有出過嚴重的問題。“但這確實讓我們保持警覺。”他說。
“好奇號”具有多種響應式安全檢查手段，比如監測火星車甲板的整體傾斜度和車輪懸掛繫統的循跡性。如果車輪壓到體積太大的物體，“好奇號”會自動停車。
“ 好奇號”的導航相機每天把黑白圖像發回地球， 路線規劃團隊將這些圖像與“好奇號”傳回的其他數據結合起來，生成三維地形模型，然後在裡面添加一個虛擬的三維火星車。這樣，路線規劃團隊便能更好地了解火星車的位置以及圖像中各種地形的規模和間距。
圖片來源：美國國家航空航天局、加州理工學院－噴氣推進實驗室
“好奇號”不追求速度。它的設計行駛能力是每天200米，但它很少在一個火星日裡走那麼遠。
到2016年年中，“好奇號”已經在火星表面行駛了大約13.2千米。
“好奇號”火星車的車轍可以幫助路線規劃團隊計算行駛距離，從而更準確地操控“好奇號”。圖片中車輪孔洞留下的痕跡是JPL 三個字母的莫爾斯電碼。
圖片來源：美國國家航空航天局、加州理工學院－噴氣推進實驗室
