火星发现地下湖泊!科学家用这些方法探测火星水

2018-07-26 14:02:42    所在频道:  科技    来源: 科普中国

发现地下湖的火星南极极冠(图自:NASA)

  昨天夜间,新一期的《科学》杂志公布了一个大新闻:欧空局的火星快车号探测器在火星南极极冠之下1.5千米处,发现了一个直径达到20千米的地下水富集区域,极有可能是个巨大的湖泊,相较而言杭州西湖最宽处仅仅3.2千米。火星地下湖的发现,是探测火星历史上里程碑式的重大发现。

  1.大量水源的发现意味着什么?

  水是生命之源,大量的水极有可能孕育生命,地球上生物多样性已经足够说服所有人相信生命的无穷潜力,毕竟地球上大洋底部的火山口环境中都能孕育各种生命,更别提地球上还有近800种生命力极其强悍的水熊虫物种(没听说过的读者可以搜索下,感受下这物种的可怕!),火星这个地下湖的条件也可能孕育。

  大洋底部的火山口温度极高、几乎没有氧气,但依然有生物广泛存在于周边(图自:NASA Science)

  火星南极极冠附近长期处于酷寒状态,绝大部分是二氧化碳干冰,地下湖所在的位置温度也低至-60度左右,没有结冰、很高的导电率说明水中富含各种盐类,是高浓度卤水。

  按照此前好奇号火星车的研究,火星上高氯酸盐并不罕见,那么这个水湖中很有可能溶解了大量的高氯酸盐,而中学知识告诉我们,加热氯酸钾就能产生氧气。同时,水本身是一种优秀的能量转换介质,电解(例如使用太阳能和核能)产生氢和氧都是人类所亟需的,氧气可用于呼吸,液氧液氢也是重要的火箭燃料。

  液态水、仅仅极冠之下1.5千米深,这意味着利用起来难度并不大,同时还有一个重点:这只是发现的第一个。

  2.谁发现的?

  科学家们的分析数据来自欧空局第一个火星探测器火星快车号。它主要得名于2003年的6月的发射窗口是6000万年以来火星与地球之间达到的最近状态,只需要半年左右即可抵达(6月2日出发12月25日圣诞节抵达),犹如快车一般。不过时间一晃过去了15年,它的轨道器至今依然在火星工作。

  火星快车轨道器和小猎犬二号着陆器(图自:NASA)

  此前的美苏/俄探测实在遭遇过太多不幸的失败,欧洲人并没有把所有的鸡蛋放在一个篮子里,这颗探测器的预算也相对较少,仅为3.5亿美元左右。为了节省成本,这个火星快车和欧空局的另外两个重要任务--探测彗星的罗塞塔号、探测金星的金星快车号--使用基本一样的卫星平台。它还尽量实现低成本、多功能,搭载了一个英国主要负责研发的小猎犬二号火星着陆器,这个小猎犬二号与当年两次载着伟大生物学家达尔文发现物种起源和进化论的帆船同名。欧洲人对这次任务的期待可想而知。

  不过很不幸,小猎犬二号成功降落火星后并没有正常工作。《变形金刚》系列电影也向这位伟大的人类使者致敬,在电影开头中小猎犬二号是在火星被邪恶势力霸天虎的红蜘蛛发现并破坏,红蜘蛛也因此发现了小猎犬二号就来自隔壁的地球,最终将《变形金刚》的战火烧到了地球!

  3.科学家们都有哪些手段在火星发现水?

  历史上人类共有55个火星探测任务,但是成功率只有可怜的53%,毫无疑问,几乎每一个任务都将发现水作为一个重要研究方向。通常来讲,探测火星任务主要有三种:轨道器,飞在空中;着陆器,降落定点勘察;火星车,可以移动。不同的任务也能在不同的维度进行分析,对水的探测技术大概有如下几类:

  ·遥感拍照。NASA的轨道侦察器(2005工作至今)携带了一个口径高达0.5米的高精度观测相机,它可以对火星实现分辨率0.3米的高清绘制,它曾经在2011年拍到过卤水在斜坡上汇聚成溪流的壮观景象。

  轨道侦察器拍到的大量水流痕迹(图自:NASA)

  ·氢原子全球监控。NASA的奥德赛号轨道器(2001工作至今)借由探测仪器发现了氢原子在火星地下大量存在,尤其是在火星两极底部、奥林帕斯山山坡等地,空气中的氢原子含量甚至在周期性变化,这是最早坐实火星上广泛存在水的轨道器。后来的NASA大气专家任务、欧洲的ExoMars任务都丰富了这个分析。

  ·雷达。本次的重大发现就由欧洲的火星快车号(2003工作至今)上雷达完成,通过分析雷达回波研究土壤介电常数,当干燥的土壤中出现大量的水分时介电常数自然会大幅上升。火星快车已经收集了十几年数据,目前只是分析了星下轨迹最多的极地地区,这必将激励科学家们进一步分析其他区域。

  (摘自:R. Orosei可以明显看出雷达探测到的介电常数在这片区域出现巨大变化

  (摘自:R. Orosei et al. Radar evidence of subglacial liquid water on Mars. Science.)

  ·光学和红外光谱仪。NASA的奥德赛号通过采用这种方式重点分析了两极的冰冠,毕竟冰的形成夹杂着沙尘,它的研究结论证明极地地区覆盖有85%的干冰和15%的水冰,总量和格陵兰岛相媲美,后来的各个任务也确认此发现。

  ·物理分析。这种研究需要接触到土壤,就只有着陆器和火星车能够完成,目前成功实现着陆的全部是NASA任务,70年代的两个海盗号着陆器、90年代末的探路者着陆器和旅居者号火星车、21世纪的凤凰号着陆器、勇气号火星车、机遇号火星车、好奇号火星车,它们可以直接分析土壤中水分含量,凤凰号更是挖出了冰块。它们基本证明火星地表土壤水含量在2%左右,而更深处这个比例更高。

  凤凰号挖到的冰块出现明显的融化趋势(图自NASA)

  ·中子反照设备。这是好奇号火星车的独门绝活,它会不断向土壤发射中子束,分析中子与氢原子核为主的能量反应,从而得到土壤不同深度氢原子(水和潜在有机物)含量。它降落的盖尔撞击坑已经存在了35亿年且接近火星赤道地区,本应非常干燥,但这里的深层土壤依然广泛发现了水分的存在。

  ·辅助分析。火星上先后发现了黏土、非常圆滑的砾石、成片出现在地势较低处的盐分、含铁化合物的水合物、小型沟渠等,这些都印证了火星必然曾经广泛存在水流。

  然而,这些研究都指向历史上存在的水和痕迹,仅存的水实在少得可怜。后续的研究结论更让科学家们失望:火星已经基本内部冷却不再活跃、进而逐渐停止地质运动,这意味着地表的空气和水已经没有补充;内部冷却磁场消失,没有了庇护大气和水的的保护伞,太阳风依然在不停剥离这些宝贵资源。

  但是,今天的发现告诉我们:人类还不算晚,因为火星深层依然存在大量的水,甚至这种湖泊可能在别处存在!这意味着新的希望!

  人类派到火星的使者们合影(图自:planetary.org)

  直到今天,火星依然有共计8个探测器(美国5个,欧洲2个,印度1个)在工作,今年五月新发射的NASA洞察号探测器也正在飞往火星途中。而到了2020年,美国、中国、欧盟、印度等国又将掀起新一波探测高潮,我国也将挑战一次实现轨道器、着陆器和火星车的复杂任务。希望这些探测器为我们带来更多研究结论,载人登陆火星的意义也会显著增强。

  也许我们距离发现火星生命,真的只差下一个研究。