太阳系新知 03 | 火星甲烷之谜

上一期我们说到,凤凰号的发现证实了火星上存在大量的水冰,人类拉开了对火星实地考察的序幕。

由于地球和火星都在围绕着太阳公转,两者的公转周期不同,每隔 26 个月,火星与地球的距离相对最近。因此,从地球前往火星,每两年多才有一次最佳的发射窗口期。这时候发射,最节省燃料和飞行时间,所以,几乎所有的火星探测器都会选择在这个窗口期发射(事实上我没找到例外,但为了保险起见,还是加上“几乎”两个字吧)。利用这个窗口期发射的探测器飞行的轨道被称为“霍曼轨道”,这是德国物理学家瓦尔特·霍曼在 1925 年首先提出来的,因此以他的名字命名。

2011 年 11 月 26 日,世界时间 15 点 02 分,在美国的卡纳维拉尔角空军基地,阿特拉斯五号火箭载着好奇号火星探测器发射升空。几分钟后,一级火箭分离,不到 10 分钟,火箭便冲出了地球大气层。二级火箭开始做姿态调整,将探测器精确地推入霍曼轨道,随后,二级火箭分离,一个圆环状的巡航级火箭载着火星着陆器奔向火星。经过了八个半月的长途跋涉,终于与火星会合,在进入火星大气层前,巡航级火箭与着陆器分离。着陆器稍微调整了一下姿态,并抛掉了两块用于配重的金属块,使得着陆器的重心得以改变,它一头扎向火星的大气层,开始了被称为“恐怖 7 分钟”的着陆之旅。

图:好奇号火星探测器

着陆器与火星大气发生剧烈地摩擦,尽管火星大气密度只有地球大气密度的 1%,但是剧烈的摩擦产生的热量依然把着陆舱的外皮烧的乌黑。几分钟后,着陆器便抵达距离火星地表 11000 米的上空,一个硕大无比的减速伞张开,巨大的伞面兜住了稀薄的火星大气,阻止了着陆舱的下降速度。几分钟后,着陆舱的前盖被抛弃,露出了着陆舱腹中的好奇号火星车。

在距离火星地表大约 1600 米的高空,着陆火星的关键设备——天空起重机——从着陆舱中分离出来,这是一个绑着好奇号火星车的小型反推火箭,它就像一只长着四只脚的甲壳虫,有八个反推发动机,怀里抱着火星车。甲壳虫的四只脚喷出耀眼的火焰,伴随着巨大的轰隆声,缓慢而平稳地朝着火星的地表降落。

这时候,反推火箭的无数传感器开始工作,计算机系统高速处理着火星地面图像,一边下降,一边调整着降落地点。锁定降落地点之后,好奇号火星车与天空起重机分离,他们之间有几根缆绳拴着。天空起重机的下降速度越来越慢,一点一点地将火星车平稳地放到地面上。当好奇号火星车的六个轮子着地后,反推火箭与火星车之间的缆绳自动切断。在缆绳切断的瞬间,反推发动机的推力没有改变,但总重量突然减小,于是天空起重机再次升高,并远远地飞离火星车,以免掉下来砸坏好奇号。

我给你准备了一段视频,详细描述了我刚才说的这个过程,非常震撼,如果不看到视频,我猜你根本想不到,一辆火星车要着陆火星,需要经历那么复杂的一个过程 ▼

2012 年 8 月 6 日,世界时间 5 点 17 分,好奇号火星车成功地在火星盖尔陨石坑着陆,它的着陆地点与预定地点仅仅相差 2.4 千米,要知道,它可是飞行了 5.6 亿公里才抵达火星。你可以把它的难度想象成隔着太平洋打高尔夫球一杆进洞,简直令人叹为观止。好奇号是人类的第七个火星着陆器,也是第四台火星车。它的身躯要比它的前辈们大得多,长宽都将近  3 米,高度也达到了 2.2 米,比一辆小轿车小不了多少。好奇号携带的仪器设备更是前辈们望尘莫及的。它最重要的目标就是寻找火星生命存在的证据。那么,好奇号有什么新型武器,它又是如何寻找火星生命的呢?

▷ 首先,好奇号是一辆可以移动的火星车,17 个不同用途的摄像头安装在好奇号的“长脖子”以及身体上,它就好像长了眼睛一样,可以细致地观察火星世界。假如火星上有一些小动物在它面前爬过,哪怕只有蚂蚁那么大,那也是逃不过好奇号的大眼睛的。当然,这种肉眼可见的火星动物显然是一种奢望,科学家们也没指望能拍到这种级别的火星生命。

▷ 好奇号有一个独门绝技,它的长脖子能射出一种红外激光,就好像双眼能射激光的超人一样。这种激光产生的高温,能把目标岩石的一小块区域蒸发汽化,通过检查汽化后的光谱特征来分析目标岩石的元素组成。这还没完,如果觉得有必要,它还可以进一步对目标岩石进行钻探,把得到的岩石粉末送到携带的质谱仪进行更详细的分析。

▷ 好奇号携带的三种主要仪器是四极质谱仪(QMS),气相色谱仪(GC)和可调谐激光光谱仪(TLS)。这些顶级装备使得好奇号就像一个流动的无人实验室,不仅能分析火星土壤、岩石的化学成分,更厉害的是,它还能以极高的精度分析火星大气的化学成分。而四个多月后,正是对火星大气成分的精确分析,带来了一个出乎意料的重大发现。

在好奇号的所有任务使命中,有一项备受关注,就是分析火星大气中有没有甲烷气体。为什么这个任务如此重要呢?

让我们先来认识一下甲烷。这种气体很可能你家里就有,如果你家的厨房烧的是天然气的话,那么天然气中的主要成分就是甲烷,它还有另外一个你更熟悉的别名:瓦斯。甲烷是一种最简单的有机物,除了天然气,沼气、矿井中的坑气中的主要成分也是甲烷。

在地球上,产生甲烷的最主要途径就是微生物分解复杂有机物产生的。注意到没,在自然环境下,甲烷往往与生命联系在一起。虽说甲烷并不是只能靠生命参与才能产生,自然界中的其他化学反应也能产生甲烷,但产生的效率远远没有微生物的效率高。所以,甲烷在行星科学中,被认为是一颗行星的生命指征物质,或者说是生命在大气中留下的印记。另外还有一种生命指征物质就是你我熟知的氧气,在地球上的自然环境中要产生氧气,目前我们知道的途径就是生命的光合作用。

氧气和甲烷之所以被当做生命指征物质还有另外一个很重要的原因,就是这两种物质的化学性质都不稳定,都很容易被自然环境所吞噬,也就是与其他物质发生化学反应而消失。因此,地球大气层中浓度维持稳定的氧气和甲烷完美地暴露了地球上有大量活着的生命,它们在源源不断地产生氧气和甲烷,使得大气中的浓度维持恒定。

假如地球上的生命全部在今天同时灭绝,那么,地球大气层中的氧气会在 200 万年内消失殆尽,全部与其他物质发生氧化反应。而甲烷比氧气短命的多,仅仅只需要 12 年左右,大气层中的所有甲烷都会被吞噬。从这个意义上来说,尽管地球大气层中的甲烷浓度远远低于氧气的浓度,但是,甲烷反而是更显著的生命指征物质。如果外星人有能力持续观察地球大气层中的甲烷浓度,那么用不了几周,它们就能做出地球上极有可能存在生命的预言。

早在 2004 年 3 月 3 日,欧洲航天局的“火星快车号”轨道探测器科研小组就宣布,这颗探测器的摄谱仪在火星大气层中发现了甲烷。这在当年也是一个大新闻,基于我刚才给你讲得理由,发现了甲烷对于寻找外星生命的行星科学家来说可是巨大的鼓舞。但是,火星快车号报告的甲烷含量极低极低,只有大约十亿分之一,这个浓度低到足以让科学界怀疑是不是误报,再加上孤证不立,仅有火星快车号的这一个孤证,很难让科学界信服。

到了 2009 年,NASA 的一位资深科学家米歇尔·姆玛领导的小组宣布,他们利用地面的望远镜观测到了火星上某处正在释放出大量的甲烷。但姆玛的证据也未能得到科学界的公认,证据还是不够强。

火星上到底有没有甲烷?这成了有关火星的众多未解之谜中最令人着迷的问题之一。就是在这样的背景下,好奇号带着全世界最先进的质谱仪踏上了火星的茫茫戈壁,科学家们期待着好奇号揭开火星甲烷之谜。

那么,好奇号到底有没有发现火星上的甲烷呢?

2013 年 12 月到 2014 年 1 月之间,好奇号报告,它测到了大气中的甲烷水平的一个峰值,尽管这个峰值也仅仅只有一亿分之几的浓度,但是与之前的两次报告相比,这已经高得足够惊人了,是之前报告的 10 倍。这立即引起了科学家们的极大兴趣,在随后的测量中,科学家们又惊讶地发现,升高的甲烷浓度保持了大约 2 个月,然后急剧下降。

这个发现轰动了全世界,马上就有行星科学家猜测,或许这是因为某种火星微生物的季节性繁荣导致的。但也有科学家提出,这或许是一次意外的火山活动排出了大量的甲烷。但即便是由火山活动引起的,也足以被载入火星研究的历史,因为此前科学家们认为火星上的火山活动几亿年前就已经全部停止了,火星早已是一颗死星了。

就在好奇号的这个重大发现让一些行星科学家激动难眠之时,突然传来了一个坏消息。很不幸,在好奇号发射之前,地球大气中的甲烷气体污染了用于侦测火星大气中甲烷的一个激光分析仪,同时,好奇号携带的一些化学物质的缓慢分解又增加了一些甲烷。分析团队了解了这个情况,他们为消除测量误差付出了巨大的努力。最终,他们宣布,

好奇号测量出的火星大气中一亿分之几的甲烷浓度数值是可靠的,但是,那个浓度高出10倍的短期甲烷峰值的来源仍然需要严密审查。

那么,我们是不是能以此肯定火星大气中存在甲烷呢?毕竟已经有了三次独立的报告,它们是 2004 年的火星快车号,2009 年的姆玛团队和 2014 年的好奇号。很遗憾,证据依然不够充分,对于如此重大的结论,科学界必须用最为严苛的要求来审查。为了彻底解开火星甲烷之谜,也为了解开火星生命之谜,欧洲航天局和俄罗斯航天局联手制定了一项雄心勃勃的计划,这个计划简称为“ ExoMars ”,这里的 Exo 表示外星生命的意思,因此我把这个任务的名称翻译为“寻找火星生命”计划。这个计划分为两个部分:

▷ 第一部分于 2016 年发射,目标是同时将一个火星轨道探测器送入火星环绕轨道,和一个着陆器送上火星地表。

▷ 第二部分将于 2020 年启动,目标是将一辆火星车成功地降落在火星地表。这个计划中的火星轨道探测器名为“微量气体轨道器”,你听这个名称就知道了,它的目标非常明确,就是要解开火星甲烷之谜。这个探测器简称为 TGO ,为了确保探测结果可靠,它搭载了两个独立的分光仪,而且一个由比利时制造,一个由俄罗斯制造,它们都可以探测到十万亿分之一以下浓度的甲烷。两个分光仪独立工作,交叉比对,可谓是双保险。

在为你揭晓 ExoMars 的探测结果之前,我要先把第一集结尾挖的一个坑给填上。如果你记性好的话,应该记得我在第一集结尾的时候说到,2015 年 9 月 28 日,NASA 宣布在火星上发现了流动的液态水的确凿证据。这一重大事件刚好夹在 2014 年好奇号发现火星甲烷浓度剧烈变化和 2016 年 ExoMars 微量气体轨道器成功抵达火星之间。所以,我必须把这件事情的始末先讲完。在给火星甲烷之谜结案之前,让我先把火星水之谜先结案。

NASA 公布的证据是:

通过火星探测轨道器上的成像光谱仪,研究人员在火星山坡表面找到了水化矿物的痕迹,从这些斜坡表面能看到一些神秘的条状纹路。在温度比较高的时候,这些条状纹路的颜色会变深,似乎随着陡峭的山坡往下流;而在温度较低的时候,这些条状纹路颜色会变浅 。当温度超过零下 23 摄氏度时,它们会出现在火星上的几个位置,而温度更冷时,它们就消失了。

含水的盐会降低盐水的冰点,就像在地球上,我们往道路上撒盐,冰雪会融化的更快。科学家们表示,这可能是浅层的地下水流动,有足够的水慢慢流向表面,才能解释得通条纹的变深。他们所说的水指的是高浓度的盐水。美国《国家地理》杂志在报道这次新闻发布会的内容时,用了“最具权威的、最可靠”的一词 。

讲到这里,我们可以为火星上的水之谜结案了,结论就是:

火星上拥有非常丰富的水资源,液态、固态和气态三种形态的水在火星上都存在,未来的火星殖民者不必为水发愁。

好,我们回到火星甲烷之谜上来。2016 年 3 月 14 日,搭载着“微量气体轨道探测器” TGO 和火星着陆器的质子-M 重型运载火箭在拜科努尔发射基地升空(估计大家跟我一样,总是听到美国的火箭型号,什么德尔塔三角洲、阿特拉斯宇宙神等,还有卡纳维拉尔角空军基地也是听到耳朵起茧,偶尔能听到一些非美国的火箭型号和发射场的名称,还是会有一些陌生。实际上,这个位于哈萨克斯坦境内,隶属于俄罗斯的拜科努尔发射基地才是世界上第一座,也是目前为止依然是规模最大的航天发射中心,它创造了人类航天史上的许多个第一)。

2016 年 10 月,TGO 成功进入火星环绕轨道,但试验性质的火星着陆器在最后时刻没有安全着陆火星,而是摔坏了。不过,欧空局依然宣布着陆器取得了成功,因为它已经完成了最重要的目标,就是测试着陆系统并且在下降期间返回数据。

经过一番调试,TGO 开始工作。所有关心火星甲烷之谜的科学家和科学爱好者们都在焦急地等待着 TGO 的观测结果,人人都希望 TGO 能为我们一锤定音。可是这一等就是 2 年多。终于,2018 年 12 月 12 日,美国地球物理联合会半年会议在华盛顿哥伦比亚特区召开,TGO的研究团队出席了这次会议,并现场做报告,所有人都伸长了脖子期待着 TGO 的好消息,他们中的大多数人都对火星存在甲烷充满了信心。好奇号负责甲烷探测的首席科学家克里斯·韦伯斯特甚至预测 TGO 至少能探测到十亿分之一左右的甲烷浓度。

然而,这个世界却总是喜欢给我们制造意外。首席研究员万代尔略带失望地说道:

虽然还有一些噪音要处理,但我们已经知道,我们看不到任何甲烷了。研究小组的初步结果显示,在低至 50 万亿分之一的水平仍然没有发现甲烷,而他们的观测几乎一路下降到火星表面。

听到这个结果后,韦伯斯特表示十分惊讶,但是他马上表示:我们花了 6 个月的时间检测甲烷峰值,并且花了数年的时间才发现了甲烷浓度的季节性变化,我们的结论也不是能被轻易否定的,TGO 只是还需要更多的时间。

关于火星大气中到底有没有甲烷的争论还在持续升温,到了 2019 年 4 月 1 日,英国的《自然》杂志的子刊《地球科学》发表了欧空局的一篇报告,这篇报告支持好奇号的结论。欧空局控制的“火星快车”号于 2013 年 6 月 16 日在盖尔陨石坑,也就是好奇号着陆点附近的火星大气层中检测到了甲烷。而当年好奇号颇有争议的甲烷探测,则正好发生在此次测量的前一天。欧空局的团队通过数值建模和地质分析方式对甲烷的潜在来源进行调查后发现,可能是盖尔陨石坑附近的一处断层区域所发生的短暂性事件,使甲烷被释放进入火星大气层,之后才被好奇号探测到。换句话说,这篇论文明确支持火星大气中存在甲烷。

有意思的是,9 天之后,也就是 2019 年 4 月 10 日,《自然》杂志同时发表了两篇火星研究论文,论文的作者正是 ExoMars 寻找火星生命计划的研究团队,其中一篇论文正式公布了TGO 的初期观测结果,结论很明确:没有在火星上发现甲烷

火星甲烷之谜再次陷入扑朔迷离中,而今天收听我节目的所有听众,你我都正身处这个谜题之中,一切都还是正在进行时。

讲到这里,你可不要以为好奇号带给人类的惊奇仅仅是火星甲烷之谜。好奇号自 2012 年登陆火星至今,依然在服役,从它那里传回来的有关火星的新发现从来就没有中断过。而 2018 年11 月 26 日,美国人又把洞察号火星探测器成功送到了埃律西昂平原。好奇号和洞察号都有一些什么样的新发现呢?

科学有故事,我们下期接着聊。

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