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“凤凰”号证实火星存在水冰

日期: 2018-04-28
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“凤凰”号第一次在火星上证实了水冰的存在,这是它迄今为止的最重要发现,在此后的日子里,人们理应对它有更多期待

“那些坚硬发亮的物质确实是水冰,而不是别的东西!”在6月20日的新闻发布会上,美国亚利桑那大学教授、“凤凰”号任务首席科学家彼得・史密斯(Peter Smith)自豪而兴奋地向全世界宣布,“凤凰号”不负众望,证实了火星地表下水冰的存在。

证据来自于“凤凰”号6月15日在火星表面挖下的一条名为“渡渡鸟-金发姑娘”(Dodo-Goldilocks)的小土沟,当时在沟里显露出来的一些较为明亮的物质在16日还存在,而到19日却悄然升华了。在刚刚看到那些颜色发白的物质时,科学家们认为它们也许是水冰,也许是盐,然而4天后的不翼而飞却昭然表明它们的身份只可能是水冰――因为盐不会蒸发;至于干冰,由于火星大气极为稀薄,所以二氧化碳必须在零下125摄氏度的情况下才会凝固,而此时正值火星春末夏初,温度相对较高,因此也决不可能是干冰。

其实,在火星上发现冰并不是一件出人意料的事情。早在1971年,人们就从美国“水手9号”发回的火星照片上发现了许多干涸的河床,表明火星上可能曾经存在液态的水。而2001年“奥德赛”火星探测器和2003年的“勇气号”和“机遇号”火星车则找到了更为有力的证据,包括火星表面洪灾遗留的地形地貌和只能在有水环境下形成的矿物质结构等,其中“奥德赛”更是探测到火星极地的地表之下可能蕴含有大量水冰――“凤凰”号正是为了证实这个而去。“奥德赛”号于2001年发射升空,它的任务是在火星轨道上进行为期两年半的火星地理勘探,包括勘察火星表面的化学成分和矿物质,而首要任务则是寻找火星地表下面的水。为此,“奥德赛”号搭载了“伽马线光谱仪”(GRS),用以探测当宇宙射线撞击火星表面时从土壤中释放出来的伽马射线和中子,并测量它们的能量。这些数据可以表明土壤中都有些什么元素,其中科学家对氢元素尤其感兴趣,因为它暗示着水的存在。在综合分析诸多数据之后,科学家们确信,在高纬度地区,火星上的水以冰的形态大量存在,其中还含有尘埃、泥土和碎石,覆盖火星表面约90厘米之厚。“这太惊人了!”当时负责“伽马线光谱仪”的亚利桑那州立大学的威廉・波英顿说,“我们找到的冰比我们所期望的还要多。”

在火星上竟然探测到了那么多水冰,这一发现令全世界都振奋不已。2003年6月2日,欧洲航天局用俄罗斯火箭发射了他们第一个火星探测器――“火星快车”。与此同时,美国也于6月和7月接连发射了“勇气”号和“机遇”号两个“孪生”火星车。两个火星车都登陆在火星的赤道附近,而为了“寻水”,科学家还特意让“勇气”号降落在一个干涸的古代湖床,而“机遇”号的着陆点以前曾是一片海洋。

在2004年1月着陆以后,经过漫长的跋涉和勘测,“勇气”号和“机遇”号不断找到了火星表面曾经有水的新证据,其中最为引人注目的包括显示水流冲刷痕迹的河床、波浪状的岩层、富含硅石的土壤以及火星“蓝莓”(即赤铁矿)。火星表面长而宽的河床,显示出那里曾有大量的流动的水,其水量要比科学家此前推测的多得多;而富含于土壤中的硅石和镶嵌在火星岩层上由赤铁矿构成的小石球,则通常都只在有很多水的环境中才能形成。这一切都说明火星也曾是一个湿润的世界,也曾拥有液态的水。

随后,为了继续“寻水”,2005年8月美国“火星勘测轨道飞行器”升空,2006年3月进入火星轨道。它是当今世界上最大、最先进的火星探测器,携带了迄今为止最为尖端的太空探索装备。飞船探测器的3台高清晰度摄像机能够清晰拍摄火星表面一张办公桌大小的物体,其大功率雷达设备更能够穿透火星表面土壤深达1.6公里,以探测火星地下岩层中是否存在固态水。根据“火星勘测轨道飞行器”拍摄到的有史以来最清晰的火星地表图片,科学家进一步发现火星北极地区覆盖着厚厚的冰层,于是2年以后,“凤凰”号被派往那里一探究竟。


消失的水冰。6月15日,“凤凰”号在名为“渡渡鸟-金发姑娘”的小沟中发现了一些白色发亮的小碎块(左图)。6月19日,这些小碎片凭空消失了,过程很像是升华。由此科学家确信,这些小碎块正是掩埋于火星浅层的水冰,而不是盐、干冰或其他物质。

“凤凰”号2007年8月4日离开地球,飞行6.8亿公里后,于2008年5月25日成功着陆火星北极一个从未被勘测过的平原,它的位置相当于地球上的西伯利亚。这一地区类似于地球上的永久冻结带,科学家估计在这里的浅层冻土下,冰的含量按体积最多可能达到80%。“极地是一个了不起的大储藏室。”彼得・史密斯说,“正如你把食物保存在冰箱里一样,火星把有机物和生命的历史保存在冰层中。”

由于不需四处勘探,因此“凤凰”号没有做成火星车,而只是一个着陆器(lander)。它长5.5米,宽1.5米,用三条“腿”站立,拥有一只两米多长具备挖掘功能的机械臂,像台反铲挖土机一样,它一铲下去能在火星上挖出五十多厘米深的沟,整个工作现场“就如同一个建筑工地”。来自华盛顿大学的“凤凰”号探测任务负责人雷・阿韦德森(Ray Arvidson)说。

为了研究这些土壤,“凤凰”号还装配了许多仪器,比如立体成像仪、热量及逸出气体分析仪(TEGA)、显微、电子化学暨传导分析仪(MECA)等等。科学家计划用机械臂挖掘土壤,然后将样本分别送进各个仪器,以精确的科学数据来证明火星地下是否有冰,冰层是否曾融化为液态水,并详细分析火星土壤的各种组成成分――矿物质、化学物质以及与之相关的有机物质。

登陆后经过了几天的休整,6月2日,“凤凰”号甩开膀子开始挖掘练习:地面控制人员发送指令,首先让机械臂在“凤凰”号的西北边挖一条小沟,然后由机械臂前端的照相机给土壤拍照,最后再指挥机械臂把土倾倒在附近指定地点。虽然这一系列动作看似非常简单,就像小孩拿着铲子在沙滩上玩耍,“但我们是从1.7亿英里(2.74亿公里)以外的地方对它进行操作,根本无法亲眼看到它表现如何。”彼得・史密斯说。

科学家将第一次挖掘的小沟暂时命名为“渡渡鸟”(Dodo),紧挨在它右边挖的第二条小沟被叫作“金发姑娘”(Goldilocks)(来自于童话《金发姑娘和三只熊》的故事),而后科学家把这两个小沟连在了一起,合称为“渡渡鸟-金发姑娘”(Dodo-Goldilocks)。

6月6日,科学家开始“动真格的”,准备使用“热量及逸出气体分析仪”对火星土壤进行第一次科学实验。“这是自‘海盗’号之后,30年来第一次在火星上使用科学仪器做研究。”彼得・史密斯说。实验方法和平时人们在家烘烤食物没有太大的不同,“就像一个烤箱,把土壤和冰块放在里面烤,直到烤出气体来。”由于不同种类的矿物质中的水分会在不同的热量下挥发出来,因此“热量和释出气体分析仪”只需“嗅”一下释放出的蒸汽,便可判断出火星土壤样本中的矿物种类。然而与家里烤箱不同的是,“热量及逸出气体分析仪”总共携带有8个微型烤箱,每个烤箱的直径只有2毫米,就像一根铅笔里面的铅芯一样细,只有极其微小的颗粒才能进入,为此,每个烤箱上都安装有一道细密筛网,而正是这道筛网把“熊宝宝”(Baby Bear)――第一份样本――挡在了外面。

土块太大无法进入烤箱――没办法,科学家只好把接下来的几天时间都用于摇晃筛网,希望能够将土块震碎。终于,在11日“凤凰”号发回了信号,报告烤箱已经装满,可以开始实验。这个消息让科学家们欢喜地又唱又跳,而火星土壤出人意料的粘性也引发了大家更多的思考――是土壤中的盐分在起着粘合剂的作用吗,一切都要等分析结果出来才有定论。

在“热量及逸出气体分析仪”中,“熊宝宝”先后被加热到35摄氏度和176摄氏度,并未有任何发现,而后温度继续缓慢提高(最高至982摄氏度),使样本中的矿物质汽化,“含有化学束缚水的矿物质在加热到更高温度后可能释放出水,对此我们抱有很大的希望。”“热量及逸出气体分析仪”研究小组负责人、亚利桑那州大学的威廉・博伊顿(William Boynton)说。如果矿物质中含有水,就说明火星表面岩石曾经存在于液态水的环境当中。截至发稿时,科学家仍在对“熊宝宝”的研究结果进行分析,这个过程非常复杂。

在用“热量及逸出气体分析仪”分析“熊宝宝”的同时,6月12日,科学家又指挥“凤凰”号取了第二份土壤样本――“熊妈妈”(Mama Bear),和“熊宝宝”一样都来自“金发姑娘”小沟――洒到了“显微、电子化学暨传导分析仪”的光学显微镜上。第二天便收到“凤凰”号传回的图像,呈现在科学家眼前的是迄今为止人类看到的最精细的火星土壤图像。

这些图像中包含近1000颗单独的土壤颗粒,最小的还不到头发直径的十分之一,其中至少有4种截然不同的矿物颗粒。这些样本中既有较大、黑色、玻璃状的颗粒,也有较小、发红的颗粒。“我们也许正在观看这些土壤的历史。”“显微、电子化学暨传导分析仪”研究小组的汤姆・派克(Tom Pike)说,“这表明,原始的火山玻璃颗粒经过风化,变成了更小的含有更高浓度的铁的颗粒。”而火星土壤即使在目力可见的最小范围内都是成团结块的。

“在这个我们从未到过的火星北极,这里的土壤很不寻常。”彼得・史密斯说,“我们非常感兴趣,到底是什么样的化学和矿物活性使这些颗粒结团并粘在了一起。”

在最初挖掘的“渡渡鸟-金发姑娘”小沟当中,除了现在已升华的几小块水冰之外,还有一片白色发亮的物质从土层中显露出来,虽然它并没有在阳光下消失,但科学家猜测这可能也是一个冰层。

从6月16日开始,“凤凰”号的挖掘区域由西北转向了它自己的东北方向,这里的地面有裂缝和隆起,呈现出多边形的地表特征,很可能是由于地下水冰膨胀以及收缩而导致。机械臂在这里又挖了两条新的小沟分别叫做“白雪公主一号”(Snow White1)和“白雪公主二号”(Snow White2),在地下5厘米的深度,些许浅色的坚硬的物质再次出现在科学家眼前。

那些白色的物质到底是什么?火星的土壤为什么那样结块?北极冰层是否曾经融化过?火星地下的水冰里到底有一些什么成分?关于火星,还有很多很多的问题需要“凤凰”号回答。“搞明白土壤是这次任务的首要目的,这里的土壤与我们预想的有所不同。”彼得・史密斯相信,“利用各种仪器进行分析,我们可能会有真正的发现。”

转自《南方周末》



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