毅力号将用它的23只“眼睛”,观察充满未知的火星

毅力号火星漫游车遥感桅杆的头部特写。桅杆头部包含超级分析相机(SuperCam,它的镜头位于顶部较大的圆形开口中)。桅杆头下方的灰色框,有两个桅杆变焦相机系统。在这些成像仪的外侧,还有漫游车的两个导航相机(NavCam)。
图片来源:NASA/喷气推进实验室-加州理工

再过两个多月,美国航天航空局(NASA)的毅力号(Perseverance)火星漫游者就要发射升空了,它将拥有有史以来最先进的“眼睛”,对这颗“红色星球”(Red Planet)的表面进行观察。桅杆变焦相机系统(Mastcam-Z,Z在这里代表“zoom”,即变焦)具有下一代变焦功能,这能让毅力号任务更轻松地进行3D成像。火星车的操作员仔细规划了毅力号的每条行驶路线,以及车上机械臂的每一次移动,他们将能通过3D眼镜查看这些立体图像,观察火星上独特的风景。

桅杆变焦相机系统位于毅力号的“头部”,是桅杆相机(Mastcam)更高级的版本,NASA的好奇号(Curiosity)火星探测车就是用桅杆相机来绘制的精美火星全景图。但是,桅杆相机的作用远不止于此,桅杆变焦相机系统的功能就更多了:除了制作出火星图片,让普通大众能查看火星车的日常发现外,这些相机还提供了关键数据,帮助工程师进一步对火星车进行导航,同时让科学家更好地选择有趣的岩石进行研究。两种成像系统的区别就在于,好奇号的桅杆相机不能变焦。

毅力号将用它的23只“眼睛”,观察充满未知的火星

这张图片显示了桅杆相机系统的3D打印模型,桅杆相机系统是NASA毅力号火星漫游车上的科学相机之一,它将包含一个3:1的变焦镜头。
图片来源:NASA/喷气推进实验室-加州理工

随视野变焦

在最初的设计中,好奇号的桅杆相机是具备变焦功能的,但事实证明,在当时用如此小尺寸的仪器是很难实现的(好奇号于2011年发射升空)。

桅杆变焦相机系统的首席研究员和桅杆相机的副首席研究员、来自亚利桑那州立大学(Arizona State University)的吉姆•贝尔(Jim Bell)说:“最初的计划是给好奇号配备一个变焦相机,让它可以像‘意大利面西部片’(Spaghetti Western)中的视角那样在极大的广角范围内进行拍摄。这个相机本来可以拍下一个令人惊叹的火星全景图,但事实证明当时的条件下我们很难做出这样的相机。”

(译者注:Spaghetti Western翻译过来是“意大利面西部片”,又称“意大利西部片”,是美国电影工业最早对意大利出品西部片的称谓,而意大利人则称之为“western all’italiana”。意大利西部片的兴盛时期为1960年代到1970年代中期,讲述的是美国西部的传奇故事,电影中应用了较多的变焦镜头。)

取而代之的是,好奇号的桅杆相机配备了一个远摄镜头(telephoto lens)和一个广角镜头(wide-angle lens),每张图像是单独拍摄的,可以合并生成立体视图。但是广角镜头一次拍摄到的火星表面景观要远多于远摄镜头,最多的时候,一张广角图像需要匹配9张远摄图像。

毅力号的桅杆变焦相机则简化了这一过程,两个镜头会进行变焦,直到两者能匹配用于制作单个3D图像为止。这样一来不仅操作流程更容易,向地球发送的图像和数据也更少。

毅力号将用它的23只“眼睛”,观察充满未知的火星

这张图显示了NASA毅力号漫游车上的23台相机,其中很多都是好奇号上相机的升级版本,还有一些是额外新增的。
图片来源:NASA/喷气推进实验室-加州理工

科学家之眼

除了能为操作员提供立体视图,更好地选择出最安全的行进轨迹,桅杆变焦相机还可以帮助地质学家选择出科学研究的目标,更好地了解观察到的岩石样本所在处的火星地质:它们是否是从相邻的悬崖边掉落下来的?是否来自一条古老的源?

桅杆变焦相机将用它“超人的眼力”,以多种颜色(光的波长)来观察火星的景观,包括某些人眼无法看到的颜色。例如,用紫外线红外线扫描地形时,可能会发现散落在火星表面的金属陨石,或是反映了表面做成成分的颜色变化,而这些观测结果可以利用其他的相关仪器进行更为详细的分析。

桅杆变焦相机不是一种光谱仪,也就是说,它不能使用光线信息进行详细的科学分析,“但它可以为其他仪器提供后续研究的矿物线索。”贝尔说道。

毅力号的相机系统还可以观测太阳天空、观察火星的卫星凌日情况,以及测量火星沙尘暴云层在各个季节的变化情况。

为全人类观察火星

第一次接触火星照片时,贝尔还只有11岁,1976年由维京号(Viking)着陆器发送回地球的火星图像登上了晚间新闻,他就是在那时第一次看到了火星的样子。后来他参与了火星探路者号(Mars Pathfinder)任务,并进一步领导研发了勇气号(Spirit)和机遇号(Opportunity)火星车上的全景相机(panoramic camera,Pancam)系统,而勇气号和机遇号则引发了新一轮的火星研究热潮,吸引了无数后续的科学家和工程师。

毅力号将从它的着陆点耶泽罗陨石坑(Jezero Crater)向地球发回火星远景图像,这张图不论是对于执行该项任务的研究人员还是对于所有的后续跟进人员而言,都同样至关重要。

这也就是为什么桅杆变焦相机的图像,以及由业余群体制作的镶嵌图计划放在公共网站上进行共享。贝尔说:“重要的是,公众要有主人翁意识。桅杆变焦相机的图像属于我们所有人。”

毅力号是一位体重约2 260磅(1 025千克)的机器人科学家:它的天体生物学任务将是寻找火星上古代微生物生活的迹象;它还将表征火星的气候和地质,收集火星样本并在将来返回到地球,为人类探索这颗红色星球铺平道路。无论毅力号将在7月17日至8月5日的哪一天发射升空,它都会在2021年2月18日登陆火星的耶泽罗陨石坑。

火星2020毅力号漫游车任务从属于一项较大的航天计划,该计划还包括对登月飞行任务,为人类探索更遥远的火星做好准备。到2024年,NASA将负责让人类宇航员重返月球表面;到2028年,NASA还将通过阿尔忒弥斯(Artemis)月球探测计划,让人类在月球之上和周围建立持续的存在。

想了解更多毅力号火星车的相关信息,请访问:

https://mars.nasa.gov/mars2020/

https://www.nasa.gov/perseverance

参考来源:

https://www.nasa.gov/feature/jpl/nasas-perseverance-rover-will-look-at-mars-through-these-eyes

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Sixu Chen

NASA的技术实力令人叹为观止