毅力號之眼

編譯 姚人杰

著陸過程的恐怖七分鐘結束了。降落傘成功打開，空中吊車的反推火箭成功點火，火星車發出“砰”的落地聲！毅力號這臺由人類制造的火星車要在距離地球十分遙遠的紅色星球上進行科學研究，此刻它的車輪終于接觸到火星表面。

昵稱為“珀西”的毅力號現在睜開了它許多只眼睛，環顧四周。毅力號火星車上擁有很多攝像頭，著陸器拋背罩上有3個攝像頭，降落器有1個攝像頭，無人直升機“機智”號上有2個攝像頭，總數是25個。大多數攝像頭的作用是幫助火星車安全行駛；一些攝像頭近距離觀察火星上的古老巖石和砂礫，尋找火星上曾經存在生命的跡象；一些攝像頭能看見色彩與紋理，與人類看見色彩與紋理的方式幾乎一樣，但攝像頭能看見更多東西——火星車上的攝像頭所想象的顏色超越了人類眼睛和大腦所能及的色彩，然而，人類的大腦依然得去弄懂那些攝像頭傳送回來的照片。

為了尋找生命留下的跡象，你得去一個曾經可能適合生命棲息的地方。在火星上，那個地方便是耶澤羅撞擊坑（Jezero Crater）。三四十億年前，那兒是一處淺淺的湖泊，沉積物從坑壁順流而下。如今那兒是約45米高的懸崖，沉積物分散在古老的三角洲上，逐漸變干，形成條紋和多種顏色。

那些顏色是一種地質學信息圖。它們代表了時間一層層地累積下來，一個地層又一個地層代表了一世又一世；它們也代表化學，美國宇航局（NASA）科學家將攝像頭指向它們，就能說出他們看到的是什么礦物，也許還能說出小小的火星生物是否曾經稱呼那些沉積物為家園。“假如火星上存在沉積巖，沉積巖又保存了遠古生物圈存在過的證據，那么我們會在那兒找到證據。”亞利桑那州立大學的行星科學家吉姆·貝爾（Jim Bell）說道，他也是火星車上一組攝像頭的課題負責人，“證據應該存在于這個地方。”

他們在尋找生命存在的證據，但他們不會看見那些證據。因為在那50米長的真實信息圖中，一些最有趣的顏色是看不見的，至少對身在地球上的你我而言是看不見的。光線被物體反彈或者繞過物體或者穿過物體后，再擊中我們的眼睛，我們才看見顏色。然而，火星上的光與地球上的光略有不同。而毅力號火星車的“眼睛”能看見人類眼睛看不見的光——由反射后的X射線、紅外線、紫外線構成。這些光線的物理學原理是一樣的，但感知起來不一樣。

貝爾的團隊負責桅桿變焦相機系統（Mastcam-Z），一組裝在毅力號最高點的科學用雙鏡頭。“我們為火星車研發了桅桿變焦相機系統，那輛火星車要去火星上一個從未中選過的地點，因此我們不得不在設計時想著各種可能性——用最優化的鏡頭去捕捉火星上任何地點的地質情況。”梅麗莎·賴斯（Melissa Rice）說道，她是西華盛頓大學的一位行星科學家，也是桅桿變焦相機系統項目的主要負責人。

對于近景，桅桿變焦相機系統能看清大約1毫米寬的細節；而在100米開外，它能識別出僅有4厘米寬的特征。這種能力好過你我的視力。它也能更好地看見色彩——或者該說成以“多光譜方式”捕捉到人類習以為常的寬頻段可見光譜，但也能捕捉到大約十幾種窄頻段非常規“顏色”。

該系統的兩臺相機用柯達制造的現有標準圖像傳感器實現這了不起的“超級視覺”，那些圖像傳感器和你手機里的電荷耦合器件（CCD）沒啥兩樣。使得它們很特別的是濾色鏡。在電荷耦合器件前面有一層拾取紅色、綠色和藍色的像素。想象一個正方形網格——上面的格子拾取藍色和綠色，底下的格子拾取綠色和紅色，現在將這種網格延伸成重復的馬賽克圖案，這被稱作拜爾陣列，是人眼中三種能感受顏色的光感受器的電子版本。

火星與地球沐浴在相同的日光——擁有每個波長光線、一模一樣的大雜燴——之下，然而火星獲得的日光較少，因為火星離地球更遠。另外，地球有厚厚的、充滿水汽的大氣層，能反射和折射日光，而火星只有少量大氣，大氣中還充滿微紅色的塵埃。

火星上有許多紅色和棕色的景象。但在火星上看見這些紅色和棕色景象就像增加了另一套知覺過濾器。“我們討論過要不要顯示接近真實顏色的圖像——基本接近于我們拍攝下的原始顏色圖像。”賴斯說，“但人眼進化的目的是在地球光照下看見周圍景象。假如我們想再現火星在人類眼睛里的樣子，我們應該模仿地球光照條件到火星上。”

于是，圖像處理團隊一方面研究毅力號發回的原始數據流，調整火星上的顏色為地球風格的顏色。或者，團隊可以模擬火星光線擊中火星上物體后的光譜。那會讓照片看上去有點不一樣，不那么真實，但也許更像人類在火星上會實際看見的景象。（火星人會看見什么景象就說不準了，因為假如火星人有眼睛，它們的眼睛會進化得適合在火星天空下看色彩，它們的大腦也會是迥異的。）

但賴斯對這兩種做法都不怎么感興趣。“對我來說，結果在某種意義上甚至不是視覺圖像。我感興趣的結果是定量的。”她說。賴斯在尋找的答案是：多少特定波長下的光被火星巖石中的東西反射或吸收。這一“反射值”能準確告訴科學家他們在尋覓的答案。拜爾濾色鏡對于波長超過840納米的光——也就是紅外線——是透明的。在那層濾色鏡前面，有一個裝有另一套濾色鏡的色輪；它們負責阻擋人類可見的光線顏色，這樣你就得到了一臺紅外線相機。拾取到幾段狹窄的波長后，你就能確定和區分不同種類的巖石以什么方式反射不同波長的紅外線。

在毅力號出發前，桅桿變焦相機系統研究團隊必須準確弄清相機是如何看見那些差別的。他們創造了一個“地質板”（Geo Board），通過設計人員的頭腦風暴會議，匯集供參考的色彩樣本和實際的正方形片狀巖石。“我們搜集了各種巖石板，包括火星上人類已知的所有類型材料和我們希望在火星上發現的材料。”賴斯說，“譬如，在那塊 ‘地質板’ 上有碧玄巖和石膏。在普通的彩色圖片中，碧玄巖和石膏看起來都像亮白色的巖石。”這兩種礦物的主要成分都是鈣元素和硫元素，但石膏混入了更多水分子，而水對某些波長的紅外線反射得多過其他物質。“當我們用設定了更長波長的桅桿變焦相機系統拍攝偽色圖像，圖像變得像白晝一樣清澈，難以區分二者。”賴斯說。

桅桿變焦相機系統盡管能執行多光譜的多項任務，但它也有局限之處。它的分辨率對于觀察巖石紋理很管用，但它的視野只有大約15度寬，而且它很低的上傳帶寬會讓你家里的路由器咯咯竊笑。毅力號將給地球傳回許多壯觀的圖片，桅桿變焦相機系統的成果看上去真不算什么。至少說，無法一眼看到它的優點。所有展望都受制于技術和地球火星之間遙遠距離的瓶頸。“伙計，咱們的工作如同分診，”貝爾說，“我們利用圖片的顏色來判斷有沒有值得進一步探究的東西，就像‘嘿，那很有意思。也許那兒有些化學上的新東西，也許有一種不一樣的礦物，一些不一樣的巖石紋理’。”

月球車的狹隘視野意味著，準確來講，科學家無法見到他們希望看見的所有景象。貝爾和研究團隊在加州南部沙漠中進行的模擬中，領略過那種視野限制。“權且當作笑話，但也是一條客觀教訓，我的同事在一次野外測試中將一根恐龍骨頭放在火星車路徑的旁邊。”他說，“結果我們操縱火星車從恐龍骨旁徑直駛過，它根本沒發現。”

要鑒別出實際的元素——更重要的是弄清這些元素是否曾為生命提供棲息之處——你需要更多顏色，部分顏色甚至更加不可見。那就是X射線光譜學的用武之處。

具體而言，毅力號手臂上有一個傳感器，名叫行星X射線巖石化學分析儀（PIXL）。負責它的研發團隊期望能將礦物元素組成和細粒紋理結合起來。科研人員正是依靠這兩者才發現疊層石（也就是擁有極小的圓頂狀和圓錐狀結構的沉積層，只能來自活體微生物）。地球上的疊層石提供了一些地球最早的生命存在的證據，負責毅力號的科學家希望他們能在火星上實現相同的發現。

PIXL研發團隊的領導者是噴氣推進實驗室的天文生物學家及野外地質學家阿比蓋爾·奧爾伍德（Abigail Allwood）。她以前就做過這類工作，利用這項技術，再結合沉積物的高分辨率圖片，在澳大利亞找到地球上已知最早生命存在過的跡象，并且判定格陵蘭島上的類似沉積物不是遠古生命留下的證據。在格陵蘭島上做這種研究并不容易，那兒的環境甚至比火星更加嚴酷。

X射線與人眼所能看見的光都屬電磁波譜，但X射線的波長要小得多——甚至比紫外線更加小。X射線屬于電離輻射，只有當你是氪星人的話，X射線在你眼中才是一種顏色。X射線導致多種不同原子以特有的方式發出熒光。“我們生成X射線，讓巖石處在X射線下，再檢測信號，研究元素化學。”奧爾伍德說。PIXL和團隊也準備了一臺白光閃光燈。“前面的照明在一開始只是一種讓巖石更容易看清楚的辦法，是為了讓巖石的化學組成與可見的巖石紋理結合起來，以前從未在火星上做過這種事。”奧爾伍德說道。顏色一開始有點讓人煩惱——熱與冷都會影響燈泡。“我們最初嘗試了白光LED燈，但隨著氣溫變化，它無法生成同樣色度的白光。”她說道，“于是給我們供應相機的丹麥研究人員向我們提供了彩色LED燈。”這些LED燈包括紅色、綠色、藍色和紫外線燈。這些顏色組合在一起，可以構成更好、更加穩定的白光。

這種組合的LED燈也許能找到火星上的疊層石。在確定有希望的目標地點——大概全靠桅桿變焦相機系統慢搖鏡頭掃描撞擊坑——火星車會側向移動，靠近目標，伸出手臂，PIXL開始工作。最細小的特征、顆粒和紋理能顯示巖石到底是火成的，還是沉積而成的，或者像燉菜一樣融合在一起，又或是像三明治一樣顯現層狀。各層的顏色以及其他特征會給出每層年代的線索。最理想的情況下，可見的顏色和紋理的地圖與由X射線生成的、不可見且只有數字的地圖會達成一致。當正確的結構與正確的礦物成分對應一致，奧爾伍德就能判斷她到底獲得了像澳大利亞那樣的生命跡象，還是格陵蘭島類型的失敗結果。奧爾伍德說：“我們發現PIXL真正有意思的地方在于，它通過化學分析，展示出你看不見的東西。那會成為探索的關鍵。”

奧爾伍德希望PIXL的掃描產生豐碩的成果——在儀器如同郵票大小的視野中，生成一幅擁有6 000個位點的紅外線地圖，每個位點都代表多個光譜分析結果。她稱其為“超光譜數據立方”。

當然，毅力號上還有其他鏡頭和儀器，其他掃描器也在巖石和風化層中尋找有意義的細微跡象。在PIXL旁邊就有一臺以另一種方式審視巖石的儀器，靠向巖石時發射出激光，讓巖石的分子振動，而那就屬于拉曼光譜學。毅力號收集到的數據會是超光譜的，但也是多面向的。當我們送機器人去另一顆星球，就會發生這種事。

一位地外行星研究者告訴我，讓人類來承擔探索任務，或者通過火箭將取回的樣本送回地球的話，會產生最好的、貼近地面真相的數據。稍遜一籌的是X射線和拉曼光譜學分析得出的數據，更不濟的是火星車攝像頭、軌道飛行器上的攝像頭拍攝下的畫面。當然，所有這些設備要在火星上無間地合作。

奧爾伍德說：“在火星上尋找生命不會是像 ‘某某儀器看見了些東西’ 這樣。它會是像這樣—— ‘所有儀器都看見了這個、那個和其他跡象，解讀之后，火星上存在過生命是個合理判斷’。火星上沒有無比確鑿的證據，只有繁雜的數據和信息，猶如一塊緙織壁毯。”而就像上好的緙織壁毯一樣，最終的全貌只有將不同顏色的經線與緯線小心翼翼地編織在一起，才會浮現。

資料來源 Wired