太阳系新知 02 | 你怎么知道火星上有水?

上一期我们说到,美国总统克林顿在 1996 年宣布了疑似火星微生物遗迹的陨石,同时还宣布要将人类历史上的第一辆火星车在 1997 年送上火星。

美国宇航局没有让克林顿失望, 1997 年 7 月 4 日,美国独立日,火星探路者号成功着陆火星。一辆被命名为旅居者号的小小的火星车从着陆器上开了出来,火星的戈壁滩在荒凉了几十亿年后,终于迎来了第一个带着目的移动的小东西。不过,这次火星任务的主要目的是为了验证最新的安全气囊着陆技术,但旅居者号的科考能力非常有限,所以,它没能给我们带来什么新发现。然而,人类探索火星的热情被探路者号的成功推向了高潮。

“去火星上找到水”这成了全世界行星科学家和科学爱好者们最大的愿望。带着无数人的期望和美国宇航局的雄心, 1998 年 12 月 11 日,”火星气候探测者号”升空,顺利地飞向火星,它的目标是在火星的环绕轨道上用遥感技术来寻找火星大气层和地表的水。22 天后,另一个火星探测器“火星极地着陆者号”也成功发射升空,它的目标是登陆火星南极寻找水源。两个火星探测器同时在太空中飞向目标,这让美国宇航局从上到下忙得团团转。但所有人都是既辛苦又兴奋,他们对这两颗探测器抱着极大的信心。

第一颗火星气候探测者号经过了 286 天的长途跋涉,终于要进入火星环绕轨道了。就在这个时候,意外发生了,火星气候探测者号的信号突然消失了。这个打击让美国宇航局的专家们措手不及,一阵忙乱之后,最终也没能找回信号,火星气候探测者号消失在了火星的大气层中。

事故原因分析报告出来后,把局长的鼻子都要气歪了,这是一次彻彻底底的人为失误造成的重大失败。我把这个原因说出来,估计你都要被气死。原来,这颗探测器中的飞行系统软件使用的是公制单位牛顿来计算推进器的动力,而地面人员则使用了英制单位磅力设置了探测器的方向矫正量,结果导致探测器进入大气层的高度有误,最终瓦解碎裂。你可以想象一下美国宇航局的局长在看到这份报告时候的表情,我的天哪,这可是花了 3 亿 2760 万美元啊,就被一个马虎的工程师给彻底毁了。我没有查到那位可怜的工程师最后被怎么样了,估计他这一辈子再也不会搞错单位制式了。这 3 亿多美元的惨痛教训让 NASA 在此后制定了严格的单位制式使用规定。

俗话说,福无双至、祸不单行, 2 个多月后,所有人还没有走出火星气候探测者号失败的阴影,几乎是同样的悲剧再度上演。火星极地着陆者号在登陆火星的最后一刻也突然失联,永远失去了信号,神经再坚强的美国宇航局的领导们也承受不住这样的双重打击。虽然这次事故的准确原因一直没有定论,但审查委员会高度怀疑也是人为的程序 bug ,导致反推引擎提前关闭,探测器从 40 米的高空直接摔落,脆弱的电子设备瞬间被摔得稀巴烂。

在不到 3 个月的时间,美国人接连失去了 2 颗火星探测器,7、8 亿美金打了水漂,这让美国宇航局遭到空前的指责和压力。美国民众纷纷指责宇航局领导不行、管理不行、设计不行、统统都不行。

美国宇航局这次真的是惨到家了,他们从上到下背负着巨大的压力,忍辱负重,咬着牙为下一次火星探测任务忙活着。转眼间,新世纪来临了,人类终于走入了 21 世纪。当 2001 年来临的时候,所有的科幻迷都期待着能发生点跟宇航有关的大事。为什么?因为这个年份在每一个科幻迷的心中都有着非常特殊的意义。此时收听我节目的听众,如果你是一个科幻迷,当然一听就懂。其他听众就需要听我解释一下了:

1968 年,好莱坞的传奇导演库布里克和科幻三巨头之一的阿瑟·克拉克合作的科幻电影《 2001:太空奥德赛》正式上映,它最终成为了科幻影史上的经典,所有太空科幻迷心中的《圣经》。在这部电影中,克拉克幻想着人类在 2001 年就可以驾驶着载人宇宙飞船飞向木星。一转眼,33 年过去了,当人类的历史终于走进了 2001 年,这时候阿瑟·克拉克已经 91 岁高龄了。然而令老人感到失望的是,他所幻想的那个未来并没有到来,人类的宇航技术并没有取得突飞猛进的进展,我们所拥有的技术只能向月球以外的行星发射无人探测器。


图:《2001:太空奥德赛》剧照

但是,令老人感到高兴的是。有一艘火星探测器被命名为“ 2001 火星奥德赛号”,就是为了纪念他在 30 多年前写成的伟大作品。2001 年 4 月 7 日,协调世界时 15 点 02 分,在著名的美国卡纳维拉尔角空军基地,三角洲二号运载火箭腾空而起,它呼啸着飞出了地球大气层,将探测器送上了飞向火星的霍曼转移轨道,这是从地球到火星的捷径,仅仅只需要 6 个月零几天就能抵达火星。

2001 年 10 月 24 日,火星奥德赛号抵达火星环绕轨道,它开始围绕着火星兜圈子,通过推进器的气阻减速,每绕一圈,就会离火星更近一些,就这样一圈一圈地接近火星。到了 2002年 1 月,气阻减速终于完成,火星奥德赛号抵达预定火星轨道。NASA的所有工作人员总算是长吁了一口气,这颗探测器终于成功了。它能否为我们揭开火星水源之谜呢?

首先,火星奥德赛号最大的本事就是从高空拍摄卫星照片,它拍摄了大量的火星地表照片,再次证实了以往的火星探测器的研究成果 ——火星在历史上肯定存在过大量的水。因为在火星表面到处都是流水冲刷过的痕迹,有冰川的遗迹,还有干涸的河床、湖床,甚至是瀑布的痕迹。但这些发现并不能让科学家们感到满意,我们想要知道的是,现在还有没有水?2003 年 7 月,终于有了新发现。

我先给你介绍火星奥德赛号上携带的一个设备,叫伽马射线光谱仪(GRS),这个仪器有一个本事,它能侦测到中子。科学家们要用这个设备来侦测从火星表面释放出的中子,期待着这些中子能为我们带来火星地表下面的信息。

图:火星奥德赛号

为了能够让你理解火星奥德赛号的重要发现,我必须要花点时间给你讲解一下火星释放出中子的原理。实际上,这些中子产生的原因其实来自太空。看似空无一物的太空,其实一点都不平静,整个太空中弥漫着来自银河系之外的高能粒子。虽然极为稀薄,但这种高能粒子的能级非常高,我们也形象地把它们称为“宇宙射线”。你可以把它们想象成从银河系之外打过来的微小子弹,它们能跨越数百万甚至上千万光年打到我们的太阳系,它们或许来自超新星,或许来自黑洞的喷流以及人类未知的神秘天体。

在地球上,绝大多数来袭的宇宙射线会击中浓密大气层中的各种物质,能够抵达地表的数量微乎其微。然而,火星的大气密度不到地球的 1% ,所以,相比之下,就会有多得多的宇宙射线轰击到火星的表面。这些宇宙射线的能级极高,能穿透到火星数米之下的地表,与地表下的岩石和风化层发生相互作用,制造出一种独特的高能快中子源

火星奥德赛号原本计划侦测的就是这种从火星地表数米深处放出的快中子。但是,令人没有想到的是,火星奥德赛号确实侦测到了从地表射出的中子,但问题是,竟然还含有大量的慢中子。对,所谓的快中子,慢中子,就是指的这些中子的运动速度。我们打个比方,这就好像根据理论计算,来自宇宙中的子弹击中岩石后,会溅射出高速运动的碎片。结果是,我们侦测到了这些高速运动的碎片,说明理论没错,但同时,我们也侦测到了运动速度慢很多的碎片,这就必须要有个合理的解释。

到底该怎么解释这个现象呢?一个最容易得出,也最符合奥卡姆剃刀原理的解释令所有人都震惊了。

我们先来说一下快中子是如何变成慢中子的。核反应堆就能稳定地制造快中子,对快速中子流的控制就可以调节核反应堆的能量输出大小。要达到这个目的,在核反应堆中需要使用减速剂,原理其实很简单,就是让快中子反复撞击减速剂中的原子,从而减速。在核反应堆中最常用的减速剂有两种,就是石墨和重水,真正起作用的就是碳原子和氘原子,氘原子是氢原子的一种同位素。实际上,普通的水也能起到减速剂的作用,只是效果没有重水好。

现在,火星奥德赛号侦测到了从火星表面逸出的慢速中子流,这就意味着,在火星地表一到两米深的地方必然大量存在着某种起到减速剂的物质。那么,什么物质既能够大量存在,又能够起到减速剂的作用呢?最容易想到的候选物质有两种。第一种就是干冰,这是被冻成固态的二氧化碳,含有大量的碳原子,可以成为减速剂。但是,考虑到干冰稳定存在的温度要求很低,因此,应该只有在火星的两极这样的严寒地区才能允许大面积的干冰存在。在非两极地区,昼夜温差很大,太阳一晒,干冰应该就挥发了。看来,干冰的可能性不大。

另一种最容易想到的物质就是水,当然,限于火星的表面温度,水应该是被冻成了冰。水中含有大量的氢原子,可以起到减速剂的作用。如果这个猜想成立,那么结论就非常惊人了。这说明在火星表面之下的不深处,可能存在着一个遍布全行星的固态水库。科学家们做了进一步的计算,假如真的是水在充当减速剂,那么这些水的质量大约占到了火星表面数米深度以内物质总质量的 14%,而这些冰如果全部融化,足以在火星表面形成一个覆盖全球的 14 厘米深的海洋。

越是惊人的结论就越是需要惊人的证据,仅仅依靠慢中子流这一项证据显然是不够的,是不足以说服科学家们相信这么惊人的结论。但遗憾的是,火星奥德赛号的能力也就到此为止了,它毕竟是一个轨道环绕器,没办法亲自下到火星上去刨一个坑看看里面有没有水冰。你听到这里可能以为我是在随口说一句俏皮话,幽默一下。其实不然,要证实火星奥德赛号的发现,我们真的需要一个会刨坑的火星探测器。也正是火星奥德赛的这个发现,让美国宇航局下定决心制造一台会刨坑的火星着陆器,看看火星的泥土之下,到底有没有水冰。

这就是 2008 年 5 月 25 日在火星北极成功着陆的凤凰号火星探测器,它将给全世界的火星迷带来一个大大的惊喜。凤凰号的外形就像一只张开翅膀的大鸟,它有一根带铲子的机械臂,可以把火星上的土壤铲到一个叫做 TEGA 的分析仪器中,这也是凤凰号携带的最重要的一个仪器,中文全称是:热与蒸发气体分析仪。就在凤凰号开始工作的二十多天后,大事件发生了。

图:凤凰号

2008 年 6 月 19 日,NASA 公布了两张重磅照片,一时间轰动了全世界。第一张照片是凤凰号在第 20 个火星日拍摄的,照片上是凤凰号的铲子在火星地表土壤中挖出的一个沟槽,很浅,最多也就是 10 几厘米深。NASA 的科学家很有意思,他们还给这个沟槽起了个名字来纪念火星上的第一个人造沟槽,名字是:渡渡鸟-金凤花。在这个沟槽中,我们可以非常明显地看到一些白色的物质,很白很白。第二张照片依然是这个沟槽,但时间是第 24 个火星日,那些白色物质的面积明显缩小了。首先,这些白色物质不可能是干冰,因为凤凰号所在区域的地表温度是零下 90 多摄氏度到零下 20 摄氏度之间,远高于干冰需要的零下 120 摄氏度的低温。大家想想,零下几十度的温度中,白色,会挥发,除了水冰,实在想不到其他东西能解释了因此,这两张照片一公布,立即就轰动了全世界。

你们想啊,凤凰号只是随便这么浅浅地一铲子下去,就挖出了这么大一块冰,这说明火星的土壤中确实如火星奥德赛号预言的那样,含有极其巨量的冰。不过,仅仅凭这两张照片,还不是实锤的证据,要拿到实锤的证据需要的是实实在在的化学分析数据。大家别急,凤凰号有这个能力,它可以把铲出来的土倒入 TEGA 中进行加热再分析成分。

这份土壤样本的分析数据是这样的:在加热到 0 摄氏度时,检测到了水蒸气。实锤,这就是火星水冰的实锤证据,铁证如山了。

有些听众可能会奇怪,0 摄氏度时难道不应该是冰融化成水吗?在地球上是这样。但是在火星上,大气压还不到地球的 1% ,气压越低,水的沸点就越低,所以,火星上的冰直接就从固态加热成气态了。

2008 年 7 月 31 日,NASA 召开了新闻发布会,宣布了凤凰号的重大发现。来自亚利桑那大学的 TEGA 的首席科学家威廉·博因顿非常幽默地说:

嗯,宣布这个消息我很开心,我们已经把一块冰的样本放入了 TEGA 。昨天我们发现成功了,真是大喜过望啊,大家纷纷开香槟庆祝。我们等待这一时刻已经很久了。当然,众所周知,奥德赛号的伽马射线光谱仪六年前就发现了这块冰,但现在我们终于摸到它,还尝了一口,这之前可没人做到过。我要声明哈,从我的角度来说,这味道真不赖。我很高兴有机会参与整个过程。

6 年前火星奥德赛号非同寻常的预言终于有了非同寻常的证据,凤凰号的研究成果也发表在了当年的《科学》杂志上。自从凤凰号证实了火星地表下的那些白色物质确实是水冰后,我们就能通过火星上空的轨道卫星发现更多的证据互相印证。例如,在火星上每年都会有小陨石撞击,在拍摄到的新陨石坑中总能发现亮晶晶的白色物质,几天或者几周后它们就会消失,这些都是货真价实的水冰。

火星上水冰的储量很大,也很容易挖出来,未来的火星移民不愁水喝。讲到这里我突然想到电影《火星救援》,男主费劲心思地冒着爆炸的风险燃烧氢气生成水,估计也是为了电影的戏剧需要。其实很简单,只要到外面去挖冰就可以了,一铲子下去就能挖到大块大块的冰。就算挖不到大块的,直接加热火星的土壤,也能得到水。

通过轨道卫星对火星全球的遥感分析,我们发现在火星极地干冰盖的下面,也储藏着大量的水冰。现在,科学家们相信,整个火星的水储量足以用 30 米的深度覆盖整个星球。在远古时代,火星上曾经拥有深达 500 米的海洋。

然而,在火星上证实了水冰的存在不但没有满足我们对火星的好奇,反而更加激发了我们对火星的好奇心,我们迫切地想知道,在火星上有没有可能存在液态水呢?还有,最为至关重要的是,火星上有没有可能存在生命?

凤凰号仅仅是拉开了对火星实地考察的序幕,五年后,火星将再次迎来一位重量级的地球来客,而它将作出一些令科学家们倍感错愕和浮想联翩的新发现。它是谁,它的新发现是什么?咱们下集揭晓答案。

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