凌晨兩點的會議室，見底的咖啡杯在會議桌上圍了一圈，電腦螢幕的光映襯著十幾雙佈滿血絲的眼睛。但圍桌而坐的人們卻很興奮，邊研讀文獻，邊討論怎麼有效提取資料，解碼火星環境。“那段時間真是跟打仗一樣。”近4年前火星科學任務攻關時的場景，陳凌歷歷在目。2021年5月，中國首次火星探測任務天問一號攜帶的“祝融號”火星車，著陸在火星烏托邦平原上，吹響了中國人用自己的深空探測裝置研究火星的“集結號”。陳凌等來自中國科學院地質與地球物理研究所（以下簡稱地質地球所）、中國科學院國家天文台（以下簡稱國家天文台）的科研人員也投身其中。研究人員從“地球科學極客”化身“星際解密人”，紛紛拿出看家本領，通過“多兵種聯合作戰”，用中國自主資料刷新了對火星環境演變的認知。近期，他們的系列突破性成果斬獲2024年度中國科學院傑出科技成就獎。火星北半球。用“絕活兒”刷新認知火星與地球是太陽系宜居帶“唯二”的行星。從高山峽谷到四季變化，在太陽系行星中，火星與地球共性最多。這顆紅色星球上是否存在生命？問題的答案令人心馳神往，而火星水活動、磁場變化等資訊是重要線索。一直以來，科學界對火星水活動和磁場的認知存在矛盾。科學界普遍認為，約36億年前的火星存在大量水活動，此後迅速減少，約30億年前幾乎消失；火星內部磁場約在40億年前消失，後在39億年前被重新磁化，並在約37億年前再度消失。“從過去的認知來看，磁場會保護水，磁場消失後，水也會逃逸。火星磁場反而比水消失得更早，這不合理。”陳凌說。矛盾背後的原因是什麼？陳凌與合作者組成多學科融合的“星際戰隊”，採用雷達探測、地貌分析和磁場測量等多維手段，建構了“地下-地表-空間”三位一體的協同體系，研究火星多時間尺度環境演變。針對中國首次火星探測任務中的重重難題，他們紛紛拿出“絕活兒”，各顯神通，拿下火星研究的3個“國際首次”。擔任火星地下結構探測組組長的陳凌是一名“行星CT學家”，曾創新地震成像方法，解析地球大陸內部、邊緣造山帶等區域的深部精細結構。她的搭檔、地質地球所研究員張金海是一名探地雷達“密碼破譯師”，長期處理和分析嫦娥探月工程相關資料。他們聯手破解了行星雷達弱訊號提取、高精度成像和建模模擬等系列難題，讓雷達不再因火星表面碎石塊干擾而成為“近視眼”，“首次”揭示了火星淺表80米內的分層結構。這些創新方法證實，火星在35億年前至32億年前曾發生大型洪水活動，16億年前仍有小型洪水事件發生，將火星水活動時間延長了近14億年。張金海憑藉對雷達訊號的敏銳“洞察力”，進一步察覺到在30至80米深度還存在結構的橫向變化。他與陳凌等分析證實，這種結構的橫向變化反映了埋藏在地下的古多邊形地貌特徵，是32億年前至16億年前火星發生長時間氣候乾濕、冷暖變化的見證。在火星地貌研究方面，地質地球所研究員秦小光和國家天文台研究員劉建軍組成了黃金搭檔。秦小光是一名古環境“偵探”，曾分析過數萬個地球沉積物樣品，擅長通過微觀特徵還原古環境變遷。劉建軍是一名“行星資料守門人”，從嫦娥一號至今，帶隊創立了載荷地面驗證、行星環境模擬、載荷在軌定標等一系列保證資料真實性和有效性的方法。他們的合作“首創”了用火星沙丘瞭解水活動的新方法。秦小光仍記得那個激動人心的時刻：2021年，在國家天文台運控大廳與劉建軍等一起查看“祝融號”傳回的照片時，一張多光譜照片讓大腦突然“嗡”了一下，他趕緊喊“停一下”。憑藉在羅布泊工作20多年的經驗，秦小光敏銳注意到沙丘上的一些特徵——多邊形龜裂、帶狀痕跡和膠結團粒，這些極可能是水留下的“指紋”。後續研究證實，火星在140萬年前至40萬年前仍存在由大氣降霜、降雪形成的周期性水活動，這是人類“首次”發現火星現代水循環的直接證據。在另一項突破性的“姊妹”研究中，劉建軍和秦小光通過分析2000多個沙丘的遙感圖像，發現火星在約40萬年前曾發生“冰期-間冰期”全球性氣候轉變，為火星氣候模擬提供了重要約束。火星磁場探測則面臨更嚴峻的挑戰——火星車行駛時的干擾訊號比有效磁場訊號強1萬倍，猶如“在搖滾演唱會現場聆聽針尖落地”。地質地球所研究員杜愛民是火星磁場“捕手”，作為“祝融號”磁場探測儀的研製負責人，他帶領團隊創新性地採用雙探頭設計和旋轉測量的獨特訊號分離技術，成功捕獲火星弱磁場訊號——約10納特斯拉，僅為此前衛星磁測模型預測值的1/10，相當於地球磁場的1/5000。研究表明，火星早期磁場發電機在36億年前驟降，並持續維持弱磁場狀態，由此發現了火星由強變弱的長期水活動過程的磁場約束機制。這些系統性突破不僅刷新了人類對火星環境演化的認知，更在行星科學領域鐫刻下鮮明的“中國印記”。"祝融號”火星車。“刀尖舔血”的日子“陳凌他們啊，那真是拼了命在幹！”獲獎消息傳來，地質地球所的同事無不感慨。這番評價並非溢美之詞。2021年8月10日，地質地球所召開首次火星探測任務科學研究動員會。會後，該所當天成立了7個任務組——涵蓋火星地質、物質成分、地下結構、磁場、空間環境、宜居要素、地質工程等多個研究方向。“動員會就像發令槍。”陳凌回憶說，“一聲令下，我們所有人都放下手頭工作，集中精力專攻這一件事。這是中國科學院的特色優勢。”攻關時刻，研究人員不僅拿出了看家本領，還用性命在拼。火星雷達訊號分析堪稱“在刀尖上跳舞”。“我們不僅要與時間賽跑，更要確保每一個資料處理環節都萬無一失。”張金海坦言，“這項研究承載著國家榮譽，容不得半點差錯。”為攻克技術難關，研究團隊常常通宵達旦。在最開始的訊號破譯階段，張金海與博士生李超採用“人肉接力”工作法——兩人輪班倒，確保24小時不間斷工作。經過72小時連續奮戰，他們終於找到了突破口。為完善訊號處理流程，陳凌帶領團隊連續攻關46天，高強度的工作讓他們的生物鐘失調了——有時興奮到極點，睡不著覺；有時剛睡兩三個小時，就起來接著幹。經過無數次頭腦風暴，他們最終確立了13個關鍵步驟的標準處理流程，成功破解了火星雷達的“密碼語言”。長期超負荷工作讓一些人的身體健康亮起紅燈。地質地球所研究員王旭突發腦血栓導致半身不遂；地質地球所研究員吳海斌也因心臟問題做了支架手術。2022年春節剛過，論文投出沒幾天，秦小光突感呼吸困難，就醫後被直接送進ICU——肺動脈血栓一旦發作，搶救時間不超過5分鐘。然而，回憶起那段“刀尖舔血”的日子，秦小光卻語氣平靜地說：“沒什麼後悔的。”火星多時間尺度環境演變團隊。圖片來源：國家航天局/國家天文台科學與工程的“雙向奔赴”首次火星探測任務取得一系列突破性成果，離不開科學與工程的“雙向奔赴”。“從載荷設計到載荷運行，從就位探測到資料分析、科學問題解譯，這一系列研究實現了工程技術與科學研究的緊密銜接。這不僅對行星研究至關重要，也為地球上其他領域的研究提供了協作攻關的新模式。”陳凌說。這種協同合作模式的成功，離不開地質地球所與國家天文台的精心策劃。劉建軍回憶，任務攻關期間，首次火星探測任務首席科學家潘永信院士、總設計師張榮橋、副總設計師李春來和中國科學院院士郭正堂等多次深入交流，搭建科學與技術溝通的橋樑。“在探索未知領域時，科研人員都懷有極大的熱情。但只有通過強有力的組織，才能將這些熱情轉化為實實在在的成果。”秦小光說。“雙向奔赴”的精神還體現在具體實踐中。劉建軍告訴《中國科學報》，“祝融號”火星車最初的探測計畫並未包含對火星沙丘水活動的研究。科學團隊與工程人員經過數十次的討論，最終確定了物質成分探測儀1.5米的最佳工作距離，既確保了資料精準性，又避免了火星車陷入沙丘的風險。“中國深空探測事業正在進行從‘工程抵達’到‘科學引領’的歷史性跨越。”劉建軍說，“如今，我們的工程技術能力越來越強，已經能夠支撐實現更複雜的科學目標了。”特別是在中國深空探測領域仍然面臨國外技術封鎖等國際大環境下，多位科學家指出，科學研究和工程技術之間更需要緊密合作、相互支援，共同攻堅克難。“有人覺得做科研辛苦且競爭激烈，但我覺得，我們這一代人何其有幸，趕上了中國科技發展的黃金時代，這是千載難逢的歷史機遇。”張金海動情地說。中國首次火星探測任務取得圓滿成功，意味著中國僅用一項任務就達成了歐美數十年才完成的“繞、著、巡”目標。展望未來，中國深空探測的宏偉藍圖已在眼前：天問二號將執行小行星伴飛取樣探測任務，天問三號將實現火星採樣返回，嫦娥七號和嫦娥八號將開展科學探測和資源開發利用驗證試驗，推動國際月球科研站建設……這一系列壯舉將推動中國深空探測科技邁向新高度。“中國深空探測的前景光明，我們還有很多事情要做，要向著更遠的星辰大海不斷邁進。”陳凌充滿期待地說。 (中國科學報)