太阳系新知 01丨火星来客 ALH84001

从今天开始,我给大家开讲一个新专辑《太阳系新知》,这是我的一个全新的原创专辑,是最原汁原味的科学有故事风格,为了把这个专辑做好,我多准备了一周时间,因此晚了一周开播,还请大家见谅。

科普类的节目,天文是一个大题材,我讲过很多,《原来是这样》中旭岽和水兄也讲的特别多。但我发现,现在一说起天文,似乎大家关注度最高的都是太阳系以外的事情,系外行星、超新星、黑洞、宇宙大爆炸、引力波、暗物质、暗能量等等,而我们身处的太阳系似乎要被大家遗忘了。我想,可能是因为大家普遍觉得太阳系似乎已经没有什么太多秘密了,探索太阳系的高峰是 40 多年前的旅行者号探测器的世纪之旅,时间已经很久远了。所以,好像一讲太阳系,就有点炒冷饭的感觉。

但是,这真的是一个错觉,真实的情况是,人类的天文新发现从数量上来说,太阳系内的新发现依然占了大头,而人类对太阳系的探索自旅行者号后从未停止过。在最近的这 20 年中,其实我们对太阳系有了很多颠覆性的认知,这中间也发生了很多极为有意思的故事。在我准备资料的过程中,我一次又一次地被发生在 20 年之内的一个个科学探索故事所深深吸引,太阳系再次向我展开了它令人惊叹的一面。而我对太阳系的认识,也有了一次重大的升级。我相信,我的这些新知,也肯定会有很多成为你的新知,我们绝大多数人对于太阳系的认知都应该升级了。好,咱们闲话少说,开始上菜。

我们的故事要从 1996 年 8 月 7 日,美国东部时间下午 1 点 15 分开始。这一天,风和日丽,阳光明媚,在白宫的南草坪上,美国总统克林顿面带笑容地走到一个小小的发言台前,从容地拿出讲稿,朝前方看了一眼,然后说:

世界上一些最杰出的科学家,经过数年的探索和几个月的深入研究,终于得到了今天这个结果……如果这一发现得到确认,它肯定会成为科学界发现的最令人惊叹的宇宙见解之一可以想象,它的影响深远,包含着的意义令人敬畏。尽管它有希望解答一些我们最古老的问题,但它也提出了另外一些更触及根本的疑问。

克林顿的白宫讲话轰动了全世界,一时间,全世界所有主流媒体的头版头条全都是关于这项重大新发现的报道。据我所知,这也是美国总统第一次就一个科学新发现给予如此重视。

著名的美国天文学家卡尔·萨根这样评价:

这些结果如果得到证实,将成为人类历史上的一个转折点。

4 个月零 13 天后,卡尔·萨根告别了人世。

大家的好奇心是不是已经被我吊足了呢?要想知道克林顿到底宣布了一项什么重大发现,我要从头跟你说起。

在克林顿白宫讲话的 12 年前,也就是 1984 年的夏天,在南极的艾伦山,这是美国南极考察站的所在地。地质学家斯科尔开着雪橇车在基地附近闲逛。她突然注意到,在前面不远处有一块土豆大小的黑黢黢的石头

要知道,在南极发现每一块石头都很值钱。为什么?因为这片大陆覆盖着几公里厚的冰雪,终年人迹罕至,如果你在白茫茫的冰原上发现了一个小黑点,几乎可以肯定就是一块来自天外的陨石。因此,在南极捡陨石已经成了各国南极科考队的一项重要日常工作。我国的南极科考队已经捡了 1 万多块陨石,全世界的科考队捡到的南极陨石总数至少超过 4 万块,或许更多。

所以,当斯科尔找到了这么一块陨石,并没有怎么激动,她只是将它按照操作流程包好,贴上标签,写上了 ALH84001 ,其中 ALH 就是艾伦山的简称, 84001 就表示 84 年发现的第一块陨石。因此,这块陨石的中文名称就是艾伦山 84001 ,它随后被送到了位于休斯敦的约翰逊空间中心陨石实验室保存。斯科尔当然想不到,12 年后,艾伦山 84001这个名字将出现在全世界每一家报纸的头版头条上。

在许多陨石的内部,包含着极微小的气泡,而这些气泡隐藏着陨石身世的秘密。艾伦山 84001 在约翰逊陨石实验室静静地躺了 10 年,终于在 1994 年轮到接受“体检”,这块陨石的命运就是因为这次体检而彻底改变了,就好像童话中的流浪汉被发现是失落的王子一样。原来,科学家们通过分析陨石中的气泡,竟然发现,这块陨石来自火星,一下子它就成了众人瞩目的火星王子。当然,仅仅是火星王子这个身份,那还远远不值得克林顿发表白宫讲话,这仅仅只是一个开端。

你可能会好奇,科学家们凭什么就能肯定它是来自火星的呢?这就要仰仗 1976 年在火星成功着陆的海盗 1 号和 2 号火星探测器的研究成果了,海盗号探测器成功采集了火星大气的成份数据,并发回了地球,所以,大气成份的数据就成了鉴定陨石身份的关键证据。艾伦山 84001 的气泡数据分析结果与火星大气成份相符,这块陨石极有可能是来自火星的。这里我要特别说明的是,发现来自火星的陨石并不算是特别重大的发现,因为此前已经发现了很多块,艾伦山 84001 是 12 块来自火星陨石中最古老的一块,它大约有 45 亿岁

通过放射性同位素年代测定以及其他一些复杂的物理分析,科学家为我们还原了 84001 的身世:

大约在 1.5 亿年前,火星表面遭受了一次严重的小行星撞击,无数的火星岩石被抛向了太空,速度超过了火星的第二宇宙速度。这些被抛向太空的岩石在太阳系中游荡了一亿多年,大约在 13000 年前, 84001 被地球俘获,坠落在了南极的冰天雪地上,最终被斯科尔捡到。

这简直就是一个传奇的身世啊,不过更传奇的还在后面。84001 被认为是火星来客后,立即就引起了许多科学家的兴趣。对于火星陨石,当时科学家们最感兴趣的研究课题是证实火星上存在或者不存在水。1996 年,行星科学家哈维和地质学家麦克斯温在《自然》杂志上发表了第一篇对 84001 的分析论文[1]。不过,这篇论文很遗憾地指出, 84001 中包含的是非水生物质,也就是说,这块陨石无法证明火星上曾经存在过水,继续研究的价值不大。

《自然》杂志可是最权威的科学期刊之一,假如 84001 不是在哈维他们研究的同时,又受到了另外 9 名科学家的关注,那么很可能就再也不会有后面的故事了。每一个传奇故事的背后都会有一系列的幸运和巧合。

《自然》论文发表后,又过了仅仅一个月,以隶属美国宇航局的约翰逊航天中心的天体生物学家大卫·麦凯领衔的 9 名科学家小组宣布:

在 84001 中发现的一种叫多环芳烃的物质可以用生命过程来解释。这等于宣布了火星在 45 亿年前就很可能出现了生命。更加令人震撼的是,他们还公布了一张照片,这是电子显微镜拍摄的陨石内部的高分辨率照片,在这张照片上有一条蚯蚓形状的物质,非常像是某种细菌的外形,它还不到头发丝的1% 那么细。

照片一出,天下哗然,有人把它比喻为二十世纪上天送给人类的最后一份大礼,各种媒体的震惊党标题也是满天飞舞,好不热闹。于是,就有了本节目开始的那一幕,美国总统克林顿在白宫南草坪宣布了这一重大消息,顺带着还宣布,美国将在第二年,也就是 1997 年的独立日这一天把人类历史上第一辆火星车送上火星。美国宇航局没有让克林顿的牛皮吹破,这就是后来成功登陆火星的火星探路者号火星车。

大卫·麦凯等人轰动全世界的研究成果在克林顿讲话的 8 天后发表在了另外一本与《自然》齐名的权威科学期刊《科学》杂志上[2]。请大家记住,科学界名言是:非同寻常的主张需要非同寻常的证据。84001 中含有疑似火星微生物的遗迹百分百是一个非同寻常的主张,那科学界就需要它有非同寻常的证据。那么,大卫·麦凯他们提出哪些火星微生物遗迹的证据呢?

我们来逐一看一下大卫·麦凯提出的四个证据

▷ 第一个证据。84001 中检测出了一种被称为多环芳烃的有机化合物,而且他们排除了受到地球污染的因素。在地球化石中,这种有机化合物一般都与腐坏的生物有关。换句话说,在地球环境中,要产生多环芳烃,那么一般都需要腐化生物的参与

▷ 第二个证据。84001 中含有某些特定的含铁和含硫矿物的沉积,在地球上,这些矿物可以是某些细菌的代谢产物

▷ 第三个证据。这可能是最有力的一个证据,在 84001 的碳酸盐矿物的边缘附近聚集着排列有序的磁铁矿,也就是四氧化三铁晶体微粒。从这些晶粒的大小、形状和精致细节来看,它们与地球上那些能消化磁铁矿的细菌所制造的晶粒类似

▷ 第四个证据。这也是最直观,最受媒体欢迎的证据。就是那张电子显微镜的照片,一个细菌状的结构

这四个证据,单独看其中的任何一个证据,都难以构成铁证。例如,多环芳烃并不总是与腐化生物有关,在一些特殊的自然条件下,也能形成多环芳烃。第二个证据与第一个证据面临同样的问题。第三个证据也面临诘难,地球上的微生物制造磁铁矿是为了利用地球的磁场来帮助引导方向,但是,火星的磁场还不到地球磁场的 0.2%,微生物凭什么也会演化出生成磁铁矿的能力呢?第四个证据虽然看起来很酷,但火星上的这个微生物也未免太小了点吧,只有几纳米大,即便用当今最先进的显微镜也无法看到它们的细胞壁,因此,要认定它们是生物而不是某种天然形状的巧合,实在也是有点困难。

但如果把四个证据放在一起,那么用火星微生物来解释就会变得最简单,需要的假设也最少。

任何科学结论都需要经过独立第三方的审查,尤其是如此惊人的结论,就更加需要经受住超常严格的审查。在克林顿讲话之后不久,美国宇航局的时任局长丹·戈尔丁就邀请了声名卓著的古生物学家比尔·舍普夫对自家的研究成功进行独立评估。这位舍普夫当然有这个资格,它曾经发表过多篇重量级的研究远古地球生命证据的论文。并且,舍普夫没有被允许自己对陨石进行研究,只是被要求对已经发表的的证据做出独立的评估。

经过仔细而慎重地评估后,舍普夫发表了自己的独立评估结论:不能排除 84001 受到地球环境的污染可能。具体说来是这样,舍普夫认为非生物作用以及在南极停留的这 1.3 万年间受到地球环境污染都可以留下上面提出的那四个证据,但是,舍普夫也承认,火星微生物也是一种可信的解释,只是目前资料的质量还不足以清晰地指出哪一种解释才是正确的。

换句话说,火星远古微生物并没有经受住科学共同体的严苛检验,但结论只是没有能盖棺定论,而并没有被推翻。对于科学家们来说,要想继续给火星微生物假说增加可信度,有两件必须要完成的艰巨任务。第一个任务是证明火星至少曾经有水;第二个任务是从火星上带一块确保没有受到地球污染的岩石标本回来。

火星上到底有没有水?破解这个谜团将成为从 1996 年后人类探索火星的最为主要的目标,没有之一。我们迫切地想知道,火星现在有没有水?过去有没有水?我要恭喜所有收听我节目的人,我们都是幸运的,因为这个问题现在已经有了确切的答案。

2015 年 9 月 25 日,星期五,美国宇航局突然发布了一篇新闻稿[3],只有寥寥数语,但是内容绝对劲爆,上面说:“ NASA 宣布已经解决了火星的未解之谜,一项重大的科学发现下周将在 NASA 总部揭晓,我们周一见”[4]。好一个周一见,吊足了人们的胃口,在我印象中,美国宇航局还是第一次这么吊人胃口。于是,全世界的科学迷都在热烈地讨论着周一到底要宣布什么重大发现。难道说,NASA 在火星表面发现了地外生命?没有什么发现还能比这个更重大的了。但是,我当时就觉得不可能,因为有了 1996 年的那次经验,如果真是发现了地外生命,那么召开发布会的应该是白宫而不是 NASA,奥巴马肯定不会放过这种青史留名的机会。


图:发布会现场

令人无比煎熬的三天终于过去了,周一到了,发布会来了。NASA 郑重宣布:火星并不是预想中干燥荒芜的星球,今天我要宣布的是,在某些条件下,我们在火星上找到了液态水[5]。注意,他指的液态水实际上说的是地表水,在地表有流动的液态水,这又是一项关于火星的重大发现。美国《国家地理》杂志在报道时用了“最具权威的、最可靠”的一词[6]。

那么,美国宇航局到底找到了什么证据呢?火星上的水到底又是怎么被发现的呢?火星上有多少水?这些水都在哪里?科学有故事,咱们下期接着聊。

参考资料:

[1] https://www.nature.com/articles/382049a0

[2] https://science.sciencemag.org/content/273/5277/924

[3]https://www.nasa.gov/press-release/nasa-to-announce-mars-mystery-solved

[4]https://heavy.com/news/2015/09/is-nasa-going-to-announce-mars-has-flowing-liquid-water-life-ocean-mystery-solved-press-conference-how-to-watch-livestream/

[5]https://v.qq.com/x/cover/el7mouselxpimp4/l0169yj54b4.html

[6]https://news.nationalgeographic.com/2015/09/150928-mars-liquid-water-confirmed-surface-streaks-space-astronomy/

.END.

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