編譯 喬琦

在過去的這段時(shí)間里，我們忙著控制新冠疫情，忙著應(yīng)對(duì)破了紀(jì)錄的高溫天氣，忙著思考如何擺脫水資源短缺的困境。與此同時(shí)，我們派往火星的探測(cè)器卻享受著頗為寧靜的生活。停留在火星表面的洞察號(hào)著陸器正監(jiān)聽著火星地震情況，而毅力號(hào)漫游車則四處游弋，尋找生命的蹤跡。

前不久，科學(xué)家拿出了這兩位英勇的機(jī)器人傳回地球的大量發(fā)現(xiàn)。在發(fā)表于《科學(xué)》（Science）期刊的3篇論文上——每篇的作者署名都有十幾位不同國籍的科學(xué)家，研究人員詳細(xì)介紹了他們使用洞察號(hào)上搭載的地震儀檢測(cè)火星內(nèi)部地質(zhì)情況的睿智方法。這也確實(shí)讓他們獲得了對(duì)于這顆紅色行星地殼、地幔及核心的全新認(rèn)識(shí)，并且也是人類科學(xué)家第一次繪制其他星球的內(nèi)部情況。另外，還有一組科學(xué)家則召開新聞發(fā)布會(huì)，公布了毅力號(hào)探測(cè)器發(fā)回地球的初期研究成果，并且宣布這輛漫游車下一步將會(huì)探索耶澤羅隕石坑——那里曾經(jīng)是一片可能棲息著火星古代微生物的湖泊。

火星這顆紅色行星還有很多值得科學(xué)家研究的地方?！盎鹦堑幕驹亟M成和地球大致相似，但外觀卻大為不同，”劍橋大學(xué)地震學(xué)家桑內(nèi)?科塔爾（Sanne Cottaar，在《科學(xué)》雜志發(fā)表了一篇剖析上述三項(xiàng)新研究的論文）說，“有很多證據(jù)表明，火星的演化歷程和地球很不一樣。現(xiàn)在，探測(cè)器為我們繪制的火星各深度殼層圖像，將幫助我們理解火星地質(zhì)是如何形成的，以及火星是如何演變成現(xiàn)在這個(gè)樣子的。”

對(duì)比地球和火星這兩顆行星，總能讓我們產(chǎn)生諸多疑問。舉例來說，為什么地球有磁場(chǎng)，而火星的似乎消失了？為什么地球表面的火山散布在各個(gè)地方，而火星上的火山要集中得多，也普遍大得多？火星上直徑達(dá)到374英里（約合602千米）、高度達(dá)到16英里（約合26千米）的奧林帕斯山是整個(gè)太陽系中目前已知的最大火山。這種火山群的成因一定是災(zāi)難級(jí)別的地質(zhì)活動(dòng)，但現(xiàn)在的火星表面卻平靜得出奇，幾乎完全沒有火山活動(dòng)（不過，有些科學(xué)家在2021年5月拿出了他們認(rèn)為是火星近期火山活動(dòng)的證據(jù)），這點(diǎn)和地球大為不同。只有探測(cè)到火星地表之下的情況，科學(xué)家才能更好地認(rèn)識(shí)這些行星奧秘——同時(shí)也有助于我們理解同樣身為巖石行星的地球的諸多怪異性質(zhì)。

不過，在我們深入研究這些科研文獻(xiàn)之前，還是先簡(jiǎn)要介紹一下有關(guān)火星和洞察號(hào)探測(cè)器的情況吧。相較地球而言，火星的地質(zhì)情況相當(dāng)平穩(wěn)。由于我們的星球有板塊構(gòu)造——也就是在下方地幔上漂移的幾大地殼板塊——地表上就充斥著像火山噴發(fā)和災(zāi)難級(jí)地震這樣的地殼活動(dòng)。而火星沒有板塊構(gòu)造，也就是說，它的地表就是一整塊，這是因?yàn)榛鹦呛诵脑谶@顆行星形成之初就快速成形并冷卻了。如今，火星仍在不斷冷卻，同時(shí)不斷收縮，這可能是火星地震規(guī)模要比地球地震小得多的成因。

發(fā)生在火星地表的地震現(xiàn)象（右側(cè)圓圈）會(huì)產(chǎn)生S波。這類波經(jīng)火星核心反彈后，會(huì)被洞察號(hào)探測(cè)器探測(cè)到（頂部白色圓圈）

洞察號(hào)探測(cè)器的任務(wù)就是借助它攜帶的地震儀探測(cè)這些火星地震。實(shí)際上，自2019年2月以來，這部探測(cè)器就一直在這么做。它為科學(xué)家提供了極為豐富的火星地震數(shù)據(jù)，其中尤以兩種現(xiàn)象的資料為最：火星地震產(chǎn)生的P波和S波?！癙波是與壓縮效應(yīng)有關(guān)的波，就像空氣中的聲波一樣。P波也是我們?cè)谛行莾?nèi)部觀察到的傳播速度最快的波，”科隆大學(xué)地震學(xué)家布里吉特?納普梅耶爾-恩德倫（Brigitte Knapmeyer-Endrun，那篇模擬火星地殼的論文的第一作者）說，“然后就是次級(jí)波S波。這種波與剪力效應(yīng)有關(guān)，就類似你撥弄吉他弦使其振動(dòng)產(chǎn)生的波?！?/p>

重要的是，這些S波傳播得比P波慢，因此，火星發(fā)生地震后，洞察號(hào)會(huì)先探測(cè)到P波，隨后才會(huì)探測(cè)到S波。“借助P波和S波抵達(dá)探測(cè)器的時(shí)間差，我們就能掌握地震發(fā)生的具體位置以及與探測(cè)器之間的距離?！奔{普梅耶爾-恩德倫說。這兩種波的傳播、反射介質(zhì)也有差別，P波可以穿過固體、液體和氣體，而S波只能穿過固體。

通過分析洞察號(hào)地震儀探測(cè)到的地震波，科學(xué)家們就能了解火星的內(nèi)部構(gòu)成。既然S波無法穿過液體核心，那么它們的所有能量都會(huì)在火星核心和地幔的邊界處反彈回去。這就像是計(jì)算機(jī)的二進(jìn)制編碼：只用兩種元素——0和1——就能產(chǎn)生極為復(fù)雜的程序。類似地，科學(xué)家借助P波和S波這兩種波就能繪制出火星內(nèi)部的精細(xì)圖像。“我們知曉過兩種波抵達(dá)探測(cè)器的時(shí)間差后，就會(huì)說知道這地方有多厚了?！奔{普梅耶爾-恩德倫說。

通過這個(gè)技巧，納普梅耶爾-恩德倫和她的同事就能估算火星地殼的厚度。在此之前，科學(xué)家借助在火星軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星測(cè)量過這顆紅色行星各處的引力和地勢(shì)差異，并且也嘗試估算了火星地殼厚度，最后得到的結(jié)果是平均約110千米厚?！艾F(xiàn)在，根據(jù)得到的火星內(nèi)部數(shù)據(jù)，我們可以說那個(gè)數(shù)字實(shí)在是大得太多了。”納普梅耶爾-恩德倫說。他們現(xiàn)在認(rèn)為，火星地殼的平均厚度絕不超過72千米。

此外，這些研究人員還認(rèn)為，火星地殼分為2層或3層。最上面那層約10千米厚。洞察號(hào)的測(cè)量顯示，這一層地殼出乎意料地輕，這或許是因?yàn)樗呻E石撞擊后殘留的巖石碎片構(gòu)成。第二層則大約20千米厚。“遺憾的是，我們還不清楚再往下到底是什么?？赡芤呀?jīng)就是火星地幔了，但也可能是第三層火星地殼。對(duì)此，我們還有一些模糊不清的問題沒有解決，”納普梅耶爾-恩德倫這樣表示，“但我們可以肯定地說，火星地殼絕對(duì)沒有原來預(yù)測(cè)的那么厚，密度也要低一些?！?/p>

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院行星地震學(xué)家西蒙?斯塔爾（Simon St?hler）則領(lǐng)銜了對(duì)火星內(nèi)部最深處也是最熾熱處的研究，那就是火星核心。雖然沒法真正看到行星中心，但斯塔爾的團(tuán)隊(duì)通過分析火星核心-地幔邊界處反彈出來的S波數(shù)據(jù)，還是得到了許多有關(guān)火星核心的信息。這些S波雖然沒法穿透液態(tài)核心，但能通過某種方式到達(dá)火星表面，并且被洞察號(hào)探測(cè)到。從火星發(fā)生地震，到我們收到火星核心反射過來的信號(hào)?！斑@個(gè)過程大概需要10分鐘?！彼顾栒f。以這個(gè)時(shí)間為基礎(chǔ)，斯塔爾的團(tuán)隊(duì)就能推斷S波在火星內(nèi)部何種深度傳播，進(jìn)而估測(cè)火星核心本身的深度：大概是火星地表下面大約1 550千米處。

研究者還發(fā)現(xiàn)，火星核心的密度特別低，大概只有6克/厘米3左右，顯著低于他們根據(jù)行星富鐵核心模型預(yù)測(cè)的密度。“火星核心為什么這么輕？這個(gè)問題我們還沒有完全搞明白?！彼顾栒f?；鹦呛诵目隙ê斜辱F更輕的元素，但究竟是什么尚不清楚。斯塔爾及其團(tuán)隊(duì)目前最大的愿望是，探測(cè)到發(fā)生在某個(gè)特定位置的火星地震產(chǎn)生的P波。這個(gè)位置就是正對(duì)著洞察號(hào)探測(cè)器駐留處的火星地表另一端。因?yàn)檫@類P波可以穿透火星核心-地幔邊界，所以它們會(huì)攜帶著有關(guān)火星核心構(gòu)成的信息抵達(dá)洞察號(hào)探測(cè)器。不過，斯塔爾也表示，要想實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，“必須有火星的配合，地震必須發(fā)生在正對(duì)著探測(cè)器的火星地表另一側(cè)”。

斯塔爾的團(tuán)隊(duì)在論文中稱，火星核心的半徑在1 830千米左右。不過，由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院地球物理學(xué)家阿米爾?卡恩（Amir Khan）領(lǐng)導(dǎo)的另一支研究團(tuán)隊(duì)則認(rèn)為，這個(gè)尺寸實(shí)在是太大了。如果火星核心真有那么大，那么這顆星球很可能就沒有下地幔這樣的結(jié)構(gòu)——這種結(jié)構(gòu)包裹在行星核心周圍，作用就像是吸熱毯一樣。地球地幔主要分為上下兩層，兩層之間還有一個(gè)所謂的“過渡區(qū)”。此外，地球上地幔和下地幔的成分也并不完全相同?！皟H就礦物學(xué)角度而言，我可以輕描淡寫地說，火星地幔是地球地幔的簡(jiǎn)化版本。”卡恩說。（他是那篇介紹火星地幔論文的第一作者。）

科學(xué)家此前利用地球化學(xué)和地球物理學(xué)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的火星核心半徑意味著，這顆行星沒有下地幔，但他們還需要洞察號(hào)探測(cè)器發(fā)回的火星地震學(xué)數(shù)據(jù)證實(shí)這一點(diǎn)。如果火星真的沒有下地幔，那么它的核心很可能要比地球核心容易冷卻得多。這就是認(rèn)識(shí)這顆紅色行星演化過程的關(guān)鍵所在，對(duì)我們理解“火星為什么會(huì)失去磁場(chǎng)”這個(gè)問題有著尤為重要的意義，要知道，磁場(chǎng)是行星大氣能在猛烈太陽風(fēng)轟擊下保留下來的關(guān)鍵。而磁場(chǎng)的產(chǎn)生則要求行星內(nèi)核與外殼之間存在溫度梯度，也就是要求行星內(nèi)核與外殼之間的溫度差高到足以攪動(dòng)行星中心的液態(tài)金屬從而產(chǎn)生磁場(chǎng)。然而，火星核心冷卻得實(shí)在太快，所以這種對(duì)流電流也很快消失了。

卡恩的分析還表明，火星的巖石圈很厚——所謂巖石圈，就是地幔堅(jiān)硬且冰冷的那部分。這或許就是一個(gè)線索，能夠解釋火星為什么沒有那種導(dǎo)致地球火山運(yùn)動(dòng)的板塊構(gòu)造?！叭绻行堑膸r石圈很厚，它就很難打破，也就很難形成類似地球板塊那樣的結(jié)構(gòu)，”卡恩說，“或許，很早很早以前，火星有這樣的結(jié)構(gòu)，但現(xiàn)在肯定是沒有了?！?/p>

在洞察號(hào)監(jiān)聽火星內(nèi)部的振動(dòng)時(shí)，毅力號(hào)則在火星布滿灰塵的表面行駛，尋找?guī)r石中古代生命的跡象以及各個(gè)地點(diǎn)的風(fēng)化層樣本，從而方便科學(xué)家了解耶澤羅隕石坑的地質(zhì)學(xué)歷史?！疤剿鞑⒉皇嵌膛軟_刺，而是馬拉松?！泵绹詈骄挚茖W(xué)副主管托馬斯?澤布臣（Thomas Zurbuchen）說。他在前不久召開新聞發(fā)布會(huì)集中展示了毅力號(hào)漫游車在火星工作的頭幾個(gè)月里取得的成果?！疤剿骰鹦鞘俏覀兙囊?guī)劃的一項(xiàng)長(zhǎng)期項(xiàng)目，它會(huì)將目前的機(jī)器人探測(cè)和未來的航天員登陸探測(cè)結(jié)合起來。而毅力號(hào)正是這個(gè)漫長(zhǎng)計(jì)劃中的一步?！?/p>

新聞發(fā)布會(huì)上的科學(xué)家簡(jiǎn)要列出了毅力號(hào)到目前為止所做的全部工作?！拔覀兠媾R的挑戰(zhàn)是，確定我們想要毅力號(hào)去的精確地點(diǎn)，以及如何將一切有價(jià)值的內(nèi)容囊括到計(jì)劃中來。”美國宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)工程師維維安?孫（Vivian Sun）表示。孫表示，他們決定讓毅力號(hào)迂回前進(jìn)至著陸地點(diǎn)以南3 000英尺（約合914米）處。在那里，毅力號(hào)會(huì)提取第一枚火星巖石樣本，然后妥善儲(chǔ)存在艙體中，等待后續(xù)任務(wù)將其帶回地球。

毅力號(hào)長(zhǎng)著一條7英尺（約合2.1米）長(zhǎng)的機(jī)械臂，裝備有一整套全新設(shè)備，其中包括火星氧氣制造儀（MOXIE）。毅力號(hào)已經(jīng)成功借助這件設(shè)備將火星大氣中的少量二氧化碳轉(zhuǎn)變成了氧。漫游車機(jī)械臂上還裝有很多能夠獲取火星當(dāng)前氣候數(shù)據(jù)的感應(yīng)器，以及用來拍攝周圍環(huán)境照片的高分辨率照相機(jī)?！盎鹦菈m暴讓我們總是拍不到清晰的照片。”加州理工地球化學(xué)家肯?法利（Ken Farley）說。他還表示，在他看來，火星上的風(fēng)刮起來和地球很像。

在目前拍到的照片里，有一些巖石似乎像是硬化了的湖泥，那里可能是尋找生物特征化石（標(biāo)志著前生命形式）的好地方。此外，研究團(tuán)隊(duì)還想查明隕石坑中的巖石究竟是沉積形成的，還是火山運(yùn)動(dòng)形成的。如果是后面一種情況，那就可以用放射性定年法確定巖石形成的具體年代，從而更好地了解毅力號(hào)收集的物質(zhì)樣本的地質(zhì)時(shí)間線。法利表示，他們目前得到的最令人驚喜的發(fā)現(xiàn)是，山洪暴發(fā)和水位變化方面的證據(jù)，這意味著，耶澤羅隕石坑過去曾經(jīng)歷過數(shù)次充斥液態(tài)水然后又回歸干旱的過程。

借助全新設(shè)計(jì)的人工智能軟件，毅力號(hào)還打破了漫游車在火星上自主駕駛的時(shí)間記錄——要知道，這還只是它獨(dú)自上路的第二天?！盎鹦擒囎詣?dòng)駕駛的速度現(xiàn)在已經(jīng)和人工指導(dǎo)駕駛沒什么兩樣了?！眹姎馔七M(jìn)實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人專家奧利維爾?圖佩（Olivier Toupet）說。雖然人類可以遠(yuǎn)程操控毅力號(hào)每天行駛100英尺（約合30.5米）左右，可以小心翼翼地指揮它躲避各種障礙物，但人工智能軟件讓漫游車有了更好的靈活度。人工智能軟件會(huì)在漫游車行駛時(shí)繪制火星地表的三維圖像，這樣漫游車就能實(shí)時(shí)更新、優(yōu)化前進(jìn)路線。圖佩表示，目前，火星地表自動(dòng)駕駛的單程記錄是大約350英尺（約合107米），他們希望毅力號(hào)能在接下去的4周里將這個(gè)數(shù)字提高至原來的4倍。

在完成向南的迂回前進(jìn)之旅后，毅力號(hào)就會(huì)轉(zhuǎn)向西南，前往一處曾經(jīng)給耶澤羅隕石坑注水的古河流三角洲。抵達(dá)之后，它就會(huì)充分利用機(jī)械臂上的儀器探索附近火星巖石的元素構(gòu)成、礦物學(xué)結(jié)構(gòu)、形狀以及紋理。這些信息有助于科學(xué)家了解這塊盆地過去的水文情況。

幾千英里之外，洞察號(hào)也仍會(huì)繼續(xù)記錄火星地震情況，并將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)回地球。屆時(shí)，科學(xué)家們就能史無前例地運(yùn)用地震學(xué)知識(shí)詳細(xì)描述其他巖石行星內(nèi)部工作機(jī)制的特征。“對(duì)人類來說，這是一個(gè)非常年輕的領(lǐng)域?！笨扑柋硎荆拔覀冄鐾强盏臅r(shí)間要遠(yuǎn)多于關(guān)注腳下的時(shí)間?！?/p>

資料來源 Wired