發現火星水

劉聲遠

科學家發現火星地下有好幾千米深的水體。它能支持生命嗎？

歐洲空間局的一個科學家團隊于2018年7月25日宣布，他們發現火星南極冰蓋下面有一個大型水體。該發現是一項為期10年的專題研究的成果，它可能改變發現火星生命的概率。

真的假的？ 科學界看法不一

直徑大約為20千米的這個水體，被隔絕在火星南極冰蓋下近1.6千米。其中水的鹽度很高，以至于在該水體底部-67.7℃的條件下水依然能保持液態。一旦該水體的存在被最終證實，它就會是迄今為止在火星上發現的最重要的液態水體。有關火星液態水的其他證據，都來自于遠古水體和短暫的季節性水流。發現火星上類似于地球南極冰下湖的現有穩定水體，燃起了火星愛好者的一種熱望：我們的行星近鄰——火星上說不定真的有生命呢！

美國宇航局資深科學家邁克凱表示，就算火星的這座地下湖鹽度很高，那里卻依然是尋找火星現有生命的最佳去處。還有科學家認為，液態水可能是火星生命的最重要成分。火星有足夠能量來推動“化能營養生命”（即無需陽光而是依賴化能合成作用的生命），但之前的問題是未發現有水力系統來維持火星生命（如果真的存在的話）的持續運作。好了，火星地下湖的發現正好解決了這個問題。

但并非所有科學家都對這一發現這么看好。美國宇航局一艘先進的火星探測飛船并未探察到這座火星地下湖，這表明該湖可能是暫時性的，而生命需要永久性水源支持。美國亞利桑那大學教授霍爾特是使用雷達技術探測液態水領域的帶頭人。他認為，這次發現火星地下水體嚴格地說只是發現了疑似存在的火星水體，而不是確鑿的發現。

火星地下水體（示意圖）。

有無生命？ 一些人不抱希望

近年來，行星科學家和天體生物學家一直在搜尋火星水的跡象，畢竟水是我們已知的生命所必需的條件之一。在尋找過程中，他們把目光轉向了火星極地覆冰區域，這些區域包含的冰蓋和二氧化碳可能會把液態水隔絕在地下。科學家之所以對這些地下水體非常感興趣，正是因為它們讓我們想起地球南極洲的冰下湖，而這些冰下湖中的微生物生命直到最近才被發現。

地球南極洲的冰原一度被看作是一片生物學荒漠，尤其是在巨大的冰體下更被認為不可能存在生命。但在這種認識持續了30年后，科學家終于意識到南極洲竟然是地球上最大的濕地，冰下湖竟然是生命的綠洲。

即便上述新發現被證實，一些科學家依然對火星地下湖適宜于生命不抱太大希望。他們的理由是，就算這座地下湖中有微生物，它們也生活在極為嚴苛的條件下，而在這樣的條件下生命岌岌可危。

按照上述新發現，火星地下湖的位置和深度意味著那里的條件比地球南極洲冰下湖的條件嚴苛得多。首先，火星地下湖距離火星的冰凍表面只有1.6千米，而地球南極洲已知最大的冰下湖——沃斯托克湖距離地表3.2～4千米。雖然科學家對火星地下湖最深處的溫度估計值有爭議，但有一點是毋庸置疑的——如果火星地下湖中真的有液態水，那么湖水的鹽度就必須很高。高鹽度和低溫加在一起，微生物就很難存在。雖然地球南極洲有鹽湖，但其中“唐胡安水塘”的鹽度是海水鹽度的19倍，截至目前科學家還沒發現這座湖中有生命跡象。該湖中有細胞，但因湖水鹽度太高，細胞無法進行代謝。而所有生物都必須進行代謝才能生存。

地球南極冰下湖（示意圖）。

地球南極唐胡安水塘。

怎樣發現？靠測量介電常數

為了探測火星極地的液態水，科學家需要穿透可能厚達好幾千米的冰層。為此，科學家運用歐洲空間局（簡稱歐空局）“火星快車”飛船搭載的“馬西斯”雷達感應器采集了相關數據。從2012年5月到2015年12月，他們花了3年半時間來獲取29個雷達數據庫，這是因為雷達的最佳工作時段是在夜間，即雷達距離火星表面800千米以內時。但“火星快車”的偏心軌道讓它與火星表面的距離在354～9978千米之間變化，這讓科學家只在較短時間內能探索火星極地冰蓋下的情況。

然而，就在這29個數據庫里，科學家發現了火星南極冰蓋下一個穩定水體的清晰證據。當初歐空局科學家和工程師所設想的“馬西斯”職能，正是在火星表面下尋找液態水。“馬西斯”儀器組包括一部雷達測深儀和一根13米長的天線。“馬西斯”發射和接收雷達脈沖，這些脈沖反射自火星表面，而且穿透到火星表面下5千米。“馬西斯”的工作原理與地球上使用的穿地雷達相似，后者主要探索格陵蘭和南極洲冰原下面的情況。

火星水發現過程（示意圖）。

穿地雷達通過測量介電常數來運作。介電常數描述的是雷達所穿越的材料的電子特征。一些材料（例如干燥的巖石或二氧化碳）的介電常數比其他材料（例如液態水）的值低，這是因為像水（在氫側有一個正電荷，在氧側有一個負電荷）這樣的極化材料會改變每次脈沖的兩個參數——雷達波穿透材料時的反射量和穿透速度。例如，穿透巖石的雷達波把穿透脈沖反射回天線的速度，比穿透水的雷達波的更快。這樣，“火星快車”上的天線先接收到反射自火星表面巖石的雷達波，然后才接收到反射自水的雷達波。這二者的時間差，有助于科學家了解雷達遇到的材料類別。

“火星快車”科學團隊發現了火星南極地下一個長度約為20千米的高介電常數區域。這里的介電常數值之高，讓人幾乎只能聯想起液態水，例如格陵蘭和南極洲冰川下面湖泊中的水。這一數據也排除了二氧化碳。因為二氧化碳不像水那樣極化，所以介電常數值低。

孰是孰非？ 還需進一步探測

“火星快車”在火星水的尋找中并非孤軍作戰。美國宇航局的“火星勘測軌道器”也一直在向火星表面發射雷達脈沖，尋找火星地下水的跡象。但“火星勘測軌道器”所搭載的雷達儀器組——“沙雷德”并未探測到“馬西斯”所探測到的那片高介電常數區域。

運用雷達波探測火星水

當“火星快車”飛到火星南極上空時。它發射雷達波到火星南極冰面，雷達波在那里被反射。部分雷達波穿透冰層。被冰層下的巖石反射。水的反射強度高于巖床反射強度。這就證明冰層下方有液態水。

雷達探測火星地下水源。

然而，“沙雷德”所采用的技術稍稍有別于“馬西斯”的。霍爾特說，這兩部雷達之間的主要區別是波長。“馬西斯”采用的波長超過90米，因而能穿透更深。“沙雷德”采用的波長為15米多，因而能更清晰地探測靠近火星地表的火星地下情況。有科學家認為，“沙雷德”因穿透不深而捕捉不到火星南極地下湖的證據。但霍爾特相信，如果真的存在火星南極地下湖，它也會出現在“沙雷德”的雷達探測數據中。

究竟孰是孰非？火星天空中的“第三只眼”有可能澄清這個爭議。計劃于2020年發射的中國火星探測器搭載的雷達測深器的傳輸頻率在“馬西斯”和“沙雷德”之間。或許，中國火星探測器將在“火星快車”任務結束后接力“馬西斯”的觀測。最終，如果要想證實歐空局科學家的上述新發現，并且探測到火星液態水的其他源頭，就可能意味著要靠雷達技術以外的技術，因為雷達技術只限于探測靠近地表的大量水。

就算雷達技術有缺陷，就算歐空局團隊發現火星南極地下湖的證據不算確鑿，也仍然有科學家相信我們現在已經有了火星地下水的一些好證據。這也意味著火星地下多個區域可能存在水體，只不過“馬西斯”和“沙雷德”不容易探測到它們。

如果能從火星地下水體取樣，無疑將能回答許多重大問題。鉆到一個火星地下水庫中去取水是最直截了當的解決方案，但在外星上干這樣的事，其技術障礙是目前無法逾越的。例如，為了鉆到地球南極洲冰下探尋生命，科學家運來了幾十萬噸設備和燃料。要想把如此多的負載送到火星，其成本就目前而言根本負擔不了。但這些挑戰看來阻止不了一些科學家的“狂想”。正如邁克凱所說：“這（指歐空局團隊發現火星地下水體）對火星生物學來說真的是一個很大的新聞。那么，鉆下去！鉆下去看看！”