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话说火星探索(上)
    时间:2017-8-25     点击率:182

话说火星探索(上)

余力

贫瘠、寒冷、荒凉的星球。在太阳系中火星是排在水星、金星和地球之后由内及外的第四颗行星,是我们地球的近邻,在夜晚的星空中很容易辨别,是一颗穿越浩瀚苍穹的红色亮点。火星与地球有很多相似之处如:自转周期与地球相当,一昼夜仅比地球多39分钟。它的轴倾角24度也与地球接近。虽然距太阳更远,它的公转周期几乎是地球的两倍,绕太阳一周需要687天,但仍有四季分明的气候。除此以外,火星与地球还有共同的童年,它们几乎在同一个时期形成,大约在45亿年前。总之,在很多方面它们是一对姐妹星球。此外,火星与地球由同样的物质构成,都容易受到小行星和彗星的撞击。火星也有和地球不同之处:它的直径是地球的53%,面积与地球的陆地面积相当。它的密度比地球低,重力是地球的三分之一。火星有稀薄的大气,95%是二氧化碳,还有3%的氮,大气密度大约是地球大气的1%,相当于海拔30公里的气压。在火星上看不到蔚蓝色的天空,而且极端干燥,整个火星比地球最荒漠的沙漠还要干燥。虽然云朵漂浮在空中,但数十亿年来没有下过一滴雨。地表上的岩土和沙石呈一片黄褐色,非常单一且分布着各种大小的被陨石撞击的坑。土壤和岩石中富含氧化铁,空中漂浮的铁锈粉尘将天空染成红色。因为比地球更远离太阳,因此它的气候非常寒冷。除了赤道附近,温度都在零下,冬季最低温度达零下125℃,夏季最高22℃,平均气温-63℃。二氧化碳不仅存在于地面还以乾冰形式存在。火星没有强大的地磁场,宇宙射线和太阳的紫外辐射很容易穿透大气到达地表面。总之,火星给人们的第一印象:这是一颗贫瘠、寒冷、荒凉的星球。

a)地球(左)与火星(右)

b)火星上一片黄褐色的岩土和沙石

c)火星上的赤铁矿

d)火星上的乾冰

1贫瘠、寒冷、荒凉的星球

充满神秘的星球然而,火星又充满了神秘,极具吸引力和挑战性。火星的地形地貌丰富多样,有沙丘、高山和巨型的峡谷。地表布满大大小小的陨石坑,还能见到液体溢出形成的沟壑。火星上有太阳系中最高最大的奥林匹斯火山,高达2.7万米,是喜马拉雅山的3倍。山顶的火山口足以装下纽约、伦敦和巴黎三座城市。“水手号”探测器1965年发现的水手号峡谷长5000公里、深9.8公里、宽5公里,具有太阳系中最壮丽的地质构造,规模之大令人惊叹。即使它的一个很小的分支就可以轻易装下世界上最负盛名的自然奇迹——美国亚利桑那大峡谷!然而,与它的壮观相比,它的形成显得更为深邃奥秘。虽然目前在火星上还看不到液态水,但南北有两个由冰构成的极冠,大量的数据显示火星上有水冰、地表下冰层、和水的存在。火星上还有沼气释放,由于沼气不能在大气中长期停留,释放必定是近期的行为。沼气释放随季节变化很可能与地下的冰层有关,这些都说明火星是一个活跃的星球,不是生物学上的活性就是地质学上活性,或两者兼备。

a)火星全球图

b)覆盖水冰的极冠

c)奥林匹斯火山(顶视)

 

d)奥林匹斯火山(侧视)

e)水手号大峡谷

f)水手号大峡谷近景

2充满神秘的星球

望远镜观察时代。火星是一颗在夜晚星空中很容易辨别红色星球,早在很多世纪以前就被人们注意到留下大量文字记录。在16世纪,为了抵抗当时欧洲教会的黑暗统治,科学家发明了天文望远镜等工具作为斗争武器,德国天文学家开普勒通过对火星长达8精竭虑的观察和计算,发现和证明火星绕太阳的轨道是椭圆,太阳是这个椭圆轨道的焦点之一,重创了万物以地球为中心的教会。他提出的开普勒第一和第二定律以及《新天文学》作,是后来天体运动和物理的基础。从开普勒时代开始,后来的天文学家如荷兰的惠更斯、意大利的卡西尼等,对火星的自转周期、轨道倾角等进行了计算。到19世纪初天文学家已收到集了丰富的火星基本数据。开普勒最后一个伟大的发现——行星运动第三定律:行星公转周期的平方与它到太阳距离的立方成正比。有了这条定律,从数学上推出牛顿万有引力定律就相对比较容易。牛顿定律是现代经典物理学的基础,有了它18-19世纪的工业革命才成为可能。随着开普勒以及后人们对火星的研究,教会统治的黑暗时代走向了终结,现代科学和工业革命开始了——人类与火星的首次邂逅,收获颇丰。

上百条火星运河的由来。 太阳系中火星与地球最为相似。如果它们从一开始就是一对姐妹行星,那么,生命可以在两个星球独立地存在吗?火星地面是否还存在过生命或生命的足迹?直到上个世纪60年代以前,与许多人的想象一样,甚至科学家也认为,火星上或许存在过完整的文明,那里的人甚至会建造运河。但是,这些都是火星探测器首次造访火星之前的各种可能性猜测。起初,人们是带着火星上有生命的希望来探索的。许多事情真真假假、是非难辨科学家大伤脑筋。然而,它们却是绝好的素材,给人以无限想象的空间,成为外星人之类科幻作品的源泉长盛不衰。

1877年,意大利天文学家斯基亚伯雷通过望远镜观察火星时,发现有交叉线状班纹,他习惯用“渠道”名来命名看到的班纹。意大利语“渠道Canali”与英语“运河Canal”仅一字之差,因而被误译为运河。美国天文学家洛威尔对斯基亚伯雷的观察尤为痴迷,更对运河说深信不疑,并在在亚利桑那州建立了天文台潜心地观察研究,花了10年时间编制成火星图,其中甚至标志出上百条运河轰动一时并广为流传。1894年,他出版了他的第一部著作《火星》,获得大批的拥躄。

火星脸与金字塔故事。1976年夏,“海盗号”探测器在火星取名为“赛多尼亚”的贫瘠地区拍到了后来称之为“火星脸”的照片。这张照片最初并未能得到重复,以至于被认为是光影造成的奇特效果。随后的3年中,有两位计算机高手对“光影巧合说”进行了坚持不懈的研究,借助图像处理的新技术,火星脸的画质有很大的提高:火星沙漠中人脸图像的更多细节都还原出来,结果的确是一幅暗合人体比例的人脸图像:眼睛、眉毛、鼻子对称,符合人的特征。这种具有惊人对称性的火星脸,很难令人相信是大自然所为。不久,他们又在一组归错了档的文件中发现了第二张火星脸的照片,这时已没有人再认为火星脸是光影所致的了。通过进一步的研究,又在距火星脸不远处发现了一座五边形、疑似左右对称并颇具规模的“金字塔”,甚至还发现有疑似的寺庙等。这样问题就出来了:放在人们面前的这些照片上,运河、火星脸、金字塔都是足以乱真的工程建筑物画面,如果确实是人造的,那么就必须承认数十万年前火星上曾有过文明社会和生命。但是需要证据,起码要找到有说服力的历史遗迹。文明社会的遗留物中有一种是不可能完全清除的,那就是垃圾,不可能不遗留大量的废弃物。遗憾的是,人们始终未能找到任何诸如垃圾等的证据。

事实上“海盗号”首次登陆的主要任务,是希望通过与火星作近距离接触直接找到生命或生命存在的迹象。但是传回来的照片只有岩石和沙土的画面。而且,“水手号”传来的照片也证明,贫瘠、荒凉、寒冷的火星上,恶劣的程度远超过原来的想象:水少得几乎不存在。常识告诉我们,如果没有水,很难维持生命。火星上没有生命的另一个理由是,火星上没有游离态的氧,而且也没有大地磁场和氧层,在宇宙射线和太阳强烈的紫外线辐射下地表所有生物都无法幸存。

a)“火星脸”

b)疑似的“金字塔”

c)疑似的“寺庙”

3火星脸与金字塔

过去是一个完全不同的世界。 1971年,“水手9号”探测器对火星进行了大面积全方位的拍摄,虽然证实了运河不存在,但也揭示了神秘火星的另一面。原来火星两个半球的地貌完全不同,一半像月亮一样荒漠,而另一半有大面积的平原,推测这里应该是火星早期海洋的海底,也有人推测火星在远古时期可能有湖泊。

1976年,“海盗号”又发现火星土壤与地球海底的粘土相似,进一步为火星表面很久以前是海洋提供了佐证。科学家于是推测早期的火星可能发生了一些事,释放了大量的水,那时的火星大气层比较厚,有气候变化和雨水,北部有一个巨大的海洋。此外,地表上蜿蜒的山谷明显是被流水雕琢而成。壮丽的水手号巨型峡谷也许原来是因滚滚洪流漫过地表冲刷而成。峡谷如此之大,粗略估计大约需要100-200条亚马逊河的水量一路汹涌冲刷而来才有可能形成。如果真是这样,只能说明火星过去的情况与我们现在看到的截然不同。所以,有些人坚信过去的火星曾经有一个时期是个温暖湿润的星球,地表不仅有湖泊与河流还有海洋有液态水和充足的大气维持气候,是一个适宜居住的星球。问题是为什么现在成了一个贫瘠、寒冷、荒无人烟的不毛之地?是如何变的?而且,既然过去的火星是一个适宜居住的星球,那么应该有生命存在,他们又上哪里去了?这些正是火星神秘深邃之处。     

a)古代干沽海底的沉积岩(左),远古时期的湖泊(右)

b)温暖季节冻结岩床流动(左),远古时期的流床(右),线状溝壑(右)

c被流水雕琢的地貌(左),被腐蚀的岩层(右)

4火星世界的远古回溯

寻找生命存在的要素,无人探测器硕果丰富。行星科学家最关心的首先是火星上有无生命?如果火星的大气和土壤中存在各种生命必须的要素,就有可能找到生命或生命存在的踪迹,找到生命的最佳地点应在土壤中。但是必须首先找到水。20世纪以来,借助火箭技术的发展,美苏等国对火星探索的努力一直与时俱进地在进行,仅美国就发射了数十个无人探测器。从1965飞越火星上空的“水手号”探测器开始,后来比较成功的有1969年“水手9号”绕火星轨道全方位观测,1976年“海盗号”登陆观测,2004年“勇气号”“机遇号”火星车漫游取样,2008年“凤凰号”火星车近距离综合探测,2012年号称火星科学实验室的“好奇号”,则是一座耗资10亿美元、配备各种最先进的取样分析仪器的移动实验室,可以掘地三尺取样探测标志生命踪迹的微生物和细菌。

a)“水手4号”火星观测卫星(左),海盗号”登陆探测器(右)

b)“勇气号”“机遇号”探测车(左),“好奇号”探测实验室

5 无人火星探测器

大量的探测数据显示火星有大量的水冰和地下水,但行星科学家还是希望以更先进的科学手段证实它的存在。2008年“凤凰号”登陆使他们如愿以偿。这次发现了白色的石膏和近在咫尺水冰、碳酸钙,甚至有被尘毯覆盖的5-7公分厚的冰层,在新的陨石坑又发现了冰。它们说明:不仅火星的南北极而且赤道附近也有水冰。所以,火星上现在确有以冰或冻土形式存在的水。土壤中60%的质量是水,不仅如此,地下还有液态水。这样,由地热提供的热量就有可能营造出提供生命存活的环境。如果说有液态水、多种矿物质、和足够的时间,化合物中就可能孕育出生命的理论是正确的话,那么火星上必定出现过生命。显然,还不能就此下这个结论的原因是:我们对火星的探索已经有数十年的历史,机器人探测硕果虽然丰富,但人类的手甚至从未触摸过火星土地。除了传来的数据,哪怕是一把土、一块石头也未曾拿回,仅靠数据分析难免出现偏颇。所幸的是,地球的南极发现了一块据称来自火星的陨石,经严格论证应该是火星早期碰撞产生的碎片。重要的是发现陨石中有微小生物生命存在,证据是典型的细菌矿物质残留和与细菌形状一致的卵圆形结构,这是迄今我们拿到的来自火星的唯一证据。这块陨石对解释地球生命起源至关重要,但仍有美中不足的是它转了一个大弯子,是天上掉下的“馅饼”,不是我们的亲力亲为。

a)  有着白色石膏的冻土层(左),冻土层厚度(右)

b)  火星的土壤层(左),陨坑中冰块(中),富钙矿脉(右)

c)铁矿小球(左),蛋白石(中),高氯酸盐(右)

d)岩石缝隙中的化合物(左),火星陨石中的碳酸盐小球(右)

e)落在地球南极的火星陨石,带有细菌矿物质残留(左),陨石中的生命痕迹(中),卵状微生物细菌(右)

6 发现火星

在某种意义上去火星有可能是“回家”。从科学的角度,探索者希望知道:生命是否可以在两个星球以同样的方式存在?但更希望知道:生命是否也可以在两个不同的星球以不同的密码存在?探索者希望火星和地球上生命遗传代码的差别越大越好。就是说火星上有无不同于地球生命的第二种生命?如果在火星上能发现第二种生命独立存在的证据则意义非同小可,说明人类将不再是单一星球的物种,地球也不是唯一有生命存在的星球,生命在宇宙中是普遍存在的。但是,如果找到的生命密码与我们相同,则可以说明火星与我们是亲戚,生命要么起源于地球然后到达火星,或许更有可能是起源于火星,然后通过与小行星或彗星的撞击落到地球。如果真是如此,在某种意义上火星就应该是地球的母星,去火星就是“回家”。这样我们也许能找到生命之源的证据,从而了解我们地球以及整个宇宙的奥秘。事实上,直到现在地球上的生命起源仍是个迷。从各种方面分析,细菌不会是最早的生命,它应该还有早期更简单的演变过程。然而,所有的研究记录都支持细菌是地球上最早的生命。解决这个难题的办法,只有假设它是从别的星球演化之后来到地球,而且还必须在那个星球找到它,显然那个星球非火星莫属。

寻找生命是为科学、又不完全是为科学。起初,科学家探索火星的目的是寻找生命,寻找生命是为科学,是为了打开宇宙生命奥秘的钥匙。现在他们的视野更宽阔、更深远,想法甚至更疯狂:探索火星的目的不完全是为了科学,而离开宜居的家园是为了去探索新的土地和新的机遇。登月与它完全不能相提并论!月球已经去过了6次,带回了大约300公斤的物质。那里的地质地貌也大致清楚,进一步的工作很大程度上只是补充细节。然而,若是通过火星探索一旦找到新土地和新机遇,那就相当于开启了一份对人类未来的保险。现在不能否认,人类在地球上的生存环境面临一系列的威胁:生态破坏和核战争,任何一颗小行星偶然撞击,都可以毁灭地球上的大多数生命。人类必须成为具备有星际旅行和生存能力的物种。这听起来似乎有些不可思议,但绝非夸大其词哗众取宠!这些观点想法恰恰出自本文将要提到的两位不可小看的人物,冯·布劳恩和伊隆·马斯克。两位生长的时期相差半个多世纪,但他们的观点竟然完全合拍:人类应发展成为存在于星际之间的物种,地球不可能永远保持适宜居住的环境,如果找不到地球之外的栖息地,人类终将灭绝。火星是这样一块地方:离地球够远但可以移民,殖民者可以摆脱旧世界的支配和约束;资源够丰富可以支持先进的技术文明,促进人类文明新分支的诞生。总之,不断探索是刻在人类基因中的一种本能,人类一旦踏上火星就不再是单一星球上的物种。今天的火星于人类而言,就像500年前美洲大陆于英国殖民者。

 

参考资料:

1, 我们为什么要去火星,Stephen.Petranek,赵敏译,中信经营出版社

2, 赶往火星,Robert.Zubrin;Richard.Wagner,阳曦 徐酝芸译,科学出版社

3, 星际旅行指南,CCTV2010

4Aviation Week & Space Technology

5,百度和AIAA Daily Launch