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火星,在科学和狂想之间

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  • 2019-04-23 16:31:22

对太阳进行更加细致的观察就会发现,在它的引力作用下,围绕着它而形成的天体系统暗藏玄机。有八颗主要行星围绕着太阳运转,其中内侧四颗主要由金属和岩石构成的行星被称为“类地行星”,其中位列第三的蔚蓝色行星的表面主要被液态水所覆盖,同时又被一层致密的大气所包裹;第四行星看上去则与上一颗截然不同——它的表面被红色的沙尘所覆盖,只在极地区域有一些呈白色的干冰,大气层稀疏,却又因为季节变化,会产生剧烈的流动,发生遍布全球的沙尘暴。

围绕着太阳运转的第三和第四行星,它们形成的时间、过程,乃至最初的外貌都颇为相似。但是在随后40多亿年的演化过程中,这两颗行星却走上了截然不同的道路。名为“地球”的第三行星一直保持着致密的大气层和广阔的海洋,凭借其表面温暖湿润的环境孕育出宇宙中最大的奇迹——生命现象。生命在地球上繁衍、进化,直至出现了具有高度智能的人类。

火星,在科学和狂想之间

火星的“水手峡谷”绵延4000公里,是迄今在太阳系内发现的最大峡谷

而此时地球上的人类正以好奇又困惑的目光望向名为“火星”的第四行星——是什么原因,让这个可能曾经和地球一样温暖湿润的行星,变成了被红色沙尘所覆盖的干燥荒凉的不毛之地?在40多亿年的历史里,火星是否也曾经如地球一样衍生出生命?火星生命是否与地球生命相似,它们又会在火星上留下什么样的痕迹?人类研究和探索火星,能否更深刻地理解生命的含义和太阳系演化的奥秘?从火星的变迁过程中,人类又能得到怎样的教训?在未来,如果人类文明有机会向整个太阳系,乃至整个宇宙扩张,火星能否成为人类的下一个落脚地和中转站?

那么,对于21世纪的人类来说,火星又意味着什么?人类为什么一定要去火星?可以说目前重要的原因,就是去寻找生命。

寻找火星生命

寻找火星生命——不仅是一个科学问题,也是一个会令整个人类社会都为之兴奋的话题——这关系到了人类社会的各个维度:生命的本质是什么?人类是否孤独?生命是否还有更多的可能?但是面对这样一个与地球同源,当前环境却又大不相同的临近行星,人类又该从哪里开始去寻找火星生命的痕迹?

在所有支持生命存在的因素之中,水是最重要的。“跟随水的踪迹”是目前人类行星科学家们寻找地外生命迹象的首要准则。水是生命之源,水可以深刻改变一颗行星的环境,也能够孕育出生命。火星蕴含着大量的水资源,这个结论固然已经被证实,无可置疑。但是火星所储存的水是否能够,或者曾经能够在火星营造出一个适合生命现象产生的环境?再进一步讨论,如果火星在40多亿年的历史中,尤其是在自然环境尚未变得像现在这样恶劣时,曾经产生出类似于地球的生命现象,那么它们又可能在火星留下什么样的痕迹?

目前人类对于火星的探测显示,在它40多亿年漫长的历史中,或许有几百万年的时间,在表面上曾经存在过由液态水形成的河流。这样的时间长度,相比于几十亿年的行星历史来说虽然只是短短的一瞬,但也有可能就是在这期间衍生出过火星生命。以地球为例,生命现象的存在,除了水分之外,还需要碳、氢、氮、氧、磷和硫等构成生命的必要元素——相比之下,氮元素和碳元素又比较特殊,它们需要存在于土壤之中,却又不能够与土壤中的矿物质结合得太过紧密,让微生物无法采集和利用。这些物质需要能够溶于水中,容易被微生物所吸收——这些条件火星都有可能满足。

火星,在科学和狂想之间

2018年12月,欧洲航天局公布的“科罗廖夫环形山”照片

由有机物构成的生命体在死亡之后会发生降解,生物的遗迹转化为沉积物,进而转化为岩石。这些物质会一层层地沉积下来,暴露在液体中发生岩化作用,从湿润的糊状逐渐变为坚硬的岩石。而水流一遍遍的冲刷,会带走生物遗迹中的一些化学物质,土壤中生物遗迹的化学成分会发生变化,一些物质会发生氧化,变成气体溢出,有机碳逐渐转化为无机碳。从这个角度来说,火星上丰富的水资源可能反而不利于生物遗迹的保存。

“火星快车号”(Mars Express)人造卫星曾经在火星大气中检测到氨的成分,这有可能是来自火星生物,也有可能来自于火星的火山;而火星微量气体任务卫星(ExoMars Trace Gas Orbiter)也曾经在火星的大气中发现些微的甲烷成分,这同样激发了人们关于火星存在着微生物的想象;“好奇号”火星车曾试图分析火星大气中甲烷所含有的同位素,希望以此来判断这些气体是由生物释放还是另有来由,结果显示这些气体源自火星生物的可能性不大,即使来自火星生物,也是在地表以下极深的位置,人类的探测器目前无法触及。

这个尚未被确认的发现难以不让人联想到人类在地球的类似经历。直到20世纪下半叶,人类才在地球南极附近的冰面下发现了世界最大的淡水湖之一——沃斯托克湖(Lake Vostok)。这个230公里长、50公里宽、800米深的淡水湖被深埋在大约3.7公里的冰面之下。在人类发现它之前,这个淡水湖已经与世隔绝了至少1500万年的时间。在这种没有阳光照射,温度低于0摄氏度的极端恶劣的条件下,科学家们仍然从湖水中发现了众多微生物的痕迹。

探索火星之梦

“因为它就在那儿。”——当被问到究竟为什么一定要攀登珠穆朗玛峰时,乔治·马洛里(George Mallory)这样回答。“因为它就在那儿。”在这句简单的回答中蕴含着人类最强烈的激情。这种激情不是为名利所驱动,也不会被困难和危险所阻挠。因为看见而渴望到达和征服,是人类作为智慧生命所独有的情感,这种情感驱动着人类走遍地球,又把目光投向宇宙。

火星与地球在组成结构上也颇为相似。这两颗行星都拥有一个炽热的、由融化的金属所构成的内核,又因为这些金属在内核的流动产生出全球性的磁场;内核之外,两颗星球都具有地幔和地壳结构,都拥有活跃的火山活动,在表面同样都覆盖了大量的液态水,致密的大气层又可以保持水分不至蒸发流失到宇宙空间之中。

火星,在科学和狂想之间

美国国家航空航天局发生的“维京1号”火星探测器在1978年于火星轨道上拍摄的“奥林帕斯火山”

在太阳系所有的行星中,火星的季节也与地球最为近似,这是因为两颗行星公转的倾角相似,而火星公转的周期大约是地球两倍——一个火星日和一个地球日的时长大约相同,但一个火星年却大约相当于两个地球年,火星季节的长度也大约是地球两倍。火星的表面温度低于地球,在冬天时最低可以达到零下135摄氏度,而在夏天时赤道温度最高可以达到35摄氏度。

火星和水星、金星、地球几个太阳系内侧的类地行星一样,表面被火山喷发,大气层中的灰尘,还有来自太阳系内部其他天体的撞击等因素共同塑造。在太阳系形成的初期,距离现在41亿至38亿年前的一段时间,也就是所谓的“后期重轰炸期”(late heavy bombardment),火星与其他几颗太阳系内侧的天体一同经历了众多陨石和小行星的轰击。来自太空的撞击在火星表面上留下了众多的陨石坑,也因此形成了巨大的平原——这看上去如同火星的累累疤痕,但人们也可以由此判断火星表面各个区域的形成时间。

因为在表面曾经有液态水的存在,加上其他的种种因素,塑造出了火星表面丰富的地貌。火星表面并不平坦,火星表面长近4000公里,最深处达到7公里的水手峡谷(Valles Marineris)是太阳系内最深的峡谷;而外表为盾状的火星火山奥林帕斯(Olympus Mons)直径达到600多公里,高25公里,是太阳系内最大的火山。而火星表面一些看似样式统一的沟渠,非常可能是在火星表面由冰所融化的液态水进行冲刷的结果。有些沟渠上陨石坑的痕迹极少,说明这可能是在最近几百万年的时间里形成的(也有人怀疑这些沟渠是由火星表面的液态二氧化碳和全球性的沙尘暴所共同塑造)。

火星的土壤里也储存有大量的冰。“凤凰号”探测器在它的降落地点就曾经探测到水的存在,而“好奇号”探测器通过自身所携带的火星样本分析设备(Sample Analysis at Mars)也在火星土壤中检测到了水的存在。科学家们估计,在火星表层,每立方米的土壤中可能含有超过30升水,这些火星水资源足够供未来到达火星建立科学基地或是永久居住地的人类取用。

另一方面,火星曾经拥有的大量水资源确实已经流失,以水蒸气的方式进入到太空中。火星水资源流失最重要的原因正在于火星逐渐失去了自身致密的大气层,这使得火星无法维持自身的表面温度和大气压,液态水不复存在,地表的样貌和状态也逐渐发生了根本性的转变,成为一颗看上去光秃秃的红色星球。

火星,在科学和狂想之间

美国国家航空航天局的两位工程师在位于加州帕萨迪纳的喷气推进实验室测量火星着陆器的“工作空间”

消失的磁场

火星的直径只有地球一半左右,体积大约为地球的15%。火星的密度也略小于地球,因此其质量大约只有地球的11%,表面引力自然不及地球,大约是地球表面引力的38%。因为引力作用较弱,火星的大气层厚度达到11.1公里,相较于地球8公里的大气层更厚,但是其温度更低,平均分子量更低。论起密度,火星大气层远远不如地球大气层致密,无法起到调节温度和保护行星表面水资源的作用。

太阳风在极大程度上摧毁了火星的大气层,让火星环境发生了根本性的变化。

那么,火星是否也曾经像地球一样,拥有一个全球性的磁场?根据探测,现在的火星虽然没有全球性的磁场,但是火星地壳的一部分区域却被磁化了。这说明在之前,火星拥有一个全球性的磁场,并且磁场曾经发生过磁极变换。很有可能的情况是,火星在大约40亿年前就失去了全球性磁场的保护。火星究竟是怎样失去了自身的全球性磁场,目前人类还没有确切的答案。这有可能是由于小行星的撞击,也有科学家怀疑是因为火星的内核不再像地核一样充满融化的金属,而是逐渐冷却,失去了流动性,导致了全球性磁场的消失。

人类对于火星内部结构的探寻正在进行中。美国航空航天局的火星探测器“洞察号”(InSight)在2018年11月顺利登陆火星,它携带了一个极为精密的地震仪,用以探测和收集火星的地震波,这是人类理解火星内部构造最直接也是最准确的方式。与探测地球的方法类似,想要理解一颗行星的内部构造,目前最准确的方法就是去倾听它的内心,通过收集来自其内部、贯穿了整个行星的地震波来理解整个星球的结构。

除了地震仪之外,一个名为“自转与内部结构实验”(The Rotation and Interior Structure Experiment)的科学设备也将通过精确测量火星的自转来探测其内部结构。在2019年1月下旬,“洞察号”将开始布置另一个科学仪器,这是一个名为“热流与物理性质包”(The Heat Flow and Physical Properties Package)的热感应探针,它将从火星的地表向下钻探一个深达5米的洞,通过探针探测火星表层土壤的温度变化,以此研究在火星内部热量传递的途径,从另一个方面来理解火星的构造。

科学与狂想的交汇之地

对于这个距离地球最近5460万公里,最远4.01亿公里,平均距离为2.25亿公里的邻近行星,人类已经发射了多个着陆器、火星车或是人造卫星前去考察。它们有的在火星轨道上工作,有的在火星的地表进行研究,有的则在火星的表面漫游。目前就有“2001火星奥德赛号”、“火星快车号”、火星侦察轨道卫星、火星大气与挥发物演化任务、火星轨道探测器和火星微量气体任务卫星等八颗人造卫星在火星轨道上进行探测,还有“好奇号”火星车和“洞察号”探测器在火星的表面进行实地探测。“机遇号”火星车曾经遭遇火星表面的沙尘暴,因为缺少电力进入了休眠状态,但地球上的工作人员仍然盼望着有朝一日它能够苏醒。

如果我们把目光放得更为长远,在更遥远的未来,人类是否可能在火星建设家园,又是否能在火星上获得财富?人类想要在未来移民火星,就需要能够在火星上创造出类似于地球的自然环境——这是否可能,目前还有很大的争议。

在人类数千年的历史中,火星在大多的时间里都只是夜空中一颗明亮且遥不可及的星星,只有当人类借助科学的力量放眼宇宙,才明白火星是地球的兄弟和近邻。在几十亿年的时间里,一颗蔚蓝,一颗火红。通过研究火星,人类会更能理解生命的出现是真正的奇迹,而生命又是如此脆弱。

(本文写作参考了美国航空航天局网站、欧洲空间局网站以及相关科学媒体的报道)


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