人類(lèi)探索火星的七大驚人發(fā)現(xiàn)

編譯 王曉濤

1980年，海盜號(hào)軌道器拍攝了102張火星照片。科學(xué)家最終把它們拼合成了這幅令人驚嘆的圖畫(huà)。橫跨這顆行星表面的黑色裂縫就是“水手谷”，那是一條近10千米深、4 000多千米長(zhǎng)的大峽谷

從宇宙角度上說(shuō)，與地球之間平均距離為2.25億千米的火星簡(jiǎn)直就算是在我們的后院里了。如果發(fā)射時(shí)機(jī)合適，火箭只需要1年不到的時(shí)間就能抵達(dá)火星。自1965年以來(lái)，為了勘測(cè)火星塵土飛揚(yáng)的地貌，人類(lèi)已經(jīng)成功執(zhí)行了20多次火星任務(wù)。各式各樣的火星探測(cè)器輪番登場(chǎng)，其中包括飛掠器、軌道器、著陸器、火星車(chē)。于是，我們了解了很多有關(guān)這位宇宙鄰居的信息，比如火星地表之下的情況和氣象現(xiàn)象。

加州大學(xué)伯克利分校行星科學(xué)家、火星大氣和揮發(fā)物演化任務(wù)（MAVEN，探測(cè)器2013年發(fā)射升空）首席研究員香農(nóng) · 庫(kù)里（Shannon Curry）說(shuō)：“火星離我們實(shí)在太近了，我們很走運(yùn)，能夠以自己的方式去探索這顆星球。”

人類(lèi)儀器已經(jīng)繪制了火星各個(gè)角落的圖像，挖穿了火星地表下的一些礫石，取樣了彌漫在火星塵土飛揚(yáng)的大平原上的空氣。根據(jù)各類(lèi)探測(cè)器收集并發(fā)回地球的種種數(shù)據(jù)，科學(xué)家了解了許多火星知識(shí)。本文通過(guò)與四位專(zhuān)家的對(duì)話以及相關(guān)的研究報(bào)告，羅列了那些引起巨大轟動(dòng)的火星發(fā)現(xiàn)。

一、 火星是一個(gè)寒冷、 干燥的地方

美國(guó)宇航局好奇號(hào)火星車(chē)在看向火星夏普山底部時(shí)拍攝了這幅干燥且塵土飛揚(yáng)的火星地貌照片

在人類(lèi)探測(cè)器飛掠火星之前，科學(xué)家普遍認(rèn)為，這顆行星應(yīng)該是一個(gè)郁郁蔥蔥的世界，到處都是生命的氣息。早年間，科學(xué)家通過(guò)望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)火星表面上存在類(lèi)似運(yùn)河的特征，便誤以為那是智慧物種的創(chuàng)造。然而，在1965年水手4號(hào)探測(cè)器于第一次火星任務(wù)中飛掠這顆紅色行星并拍攝下照片之后，所有人都知道以前的推斷錯(cuò)了，因?yàn)檎掌械幕鹦潜砻娣浅Ｘ汃ぃ究床坏绞裁粗参锖蛣?dòng)物。

多虧了這次任務(wù)以及后續(xù)的任務(wù)，我們現(xiàn)在知道了，火星上幾乎沒(méi)有液態(tài)水。這顆星球的巖石地表上到處都是撞擊坑，任憑凜冽的強(qiáng)風(fēng)刮過(guò)，任憑緩慢移動(dòng)的沙丘沖刷，同時(shí)還點(diǎn)綴著深邃的峽谷和壯觀的火山。此外，火星也是太陽(yáng)系最高且最大的火山的所在地，這座火山就是高度接近22千米（珠穆朗瑪峰的2.5倍）的奧林匹斯山。到目前為止，對(duì)這座火山最精確的測(cè)量來(lái)自2004年的火星全球勘測(cè)者號(hào)探測(cè)器。雖然火星表面現(xiàn)在干燥無(wú)比，但就科學(xué)家目前所知，這顆星球還是有水的——只不過(guò)不是液態(tài)。在火星上，水以冰、水蒸氣，還有礦物質(zhì)結(jié)構(gòu)分子中的原子等形式被鎖定。

相較地球來(lái)說(shuō)，火星是一個(gè)靜止且安靜的地方，而且就我們目前所知，火星上也沒(méi)有什么生命。賴斯大學(xué)火星地質(zhì)學(xué)家克爾斯騰 · 西巴赫（Kirsten Siebach）說(shuō)，這顆行星的環(huán)境就像“凍干了一樣”。這樣的環(huán)境條件讓火星的地質(zhì)記錄得以保存數(shù)十億年。西巴赫說(shuō)：“我們可以在火星巖石中看到這段漫長(zhǎng)的美麗歷史。隨著我們?cè)桨l(fā)了解火星，對(duì)這顆星球的描述就會(huì)越來(lái)越詳細(xì)，未來(lái)可以訴說(shuō)的故事也會(huì)越來(lái)越多。”

二、 火星大氣稀薄且容易引發(fā)沙塵暴

就像這張照片展示的一樣，火星上的沙塵暴可以包裹整個(gè)星球，其中的顆粒以高達(dá)每小時(shí)110千米的速度呼嘯飛行

水手4號(hào)探測(cè)器飛掠火星時(shí)，透過(guò)這個(gè)星球的氣體外殼，收集到了各種各樣的信息。其一是火星大氣壓只有地球的大約0.7%。火星引力也比地球小且沒(méi)有磁場(chǎng)，這導(dǎo)致它無(wú)法保有濃厚的大氣層。實(shí)際上，火星大氣已經(jīng)稀薄到連來(lái)自太陽(yáng)的熱量都無(wú)法很好地保存，因而也不能讓地表整日保持溫暖。因此，火星的表面平均溫度低至-26℃。

如此寒冷的氣溫、如此低的大氣壓使得火星表面無(wú)法支持液態(tài)水的存在。如果我們把一管液態(tài)水放在火星上，大部分會(huì)很快蒸發(fā)到火星大氣中，剩下的則會(huì)在火星的嚴(yán)寒中凍結(jié)成冰。

然而，對(duì)沙塵暴來(lái)說(shuō)，火星大氣已經(jīng)足夠厚了。實(shí)際上，沙塵暴在火星上非常頻繁，甚至成了經(jīng)年可見(jiàn)的標(biāo)志性特征。1971年，水手9號(hào)軌道器甫一抵達(dá)火星就發(fā)現(xiàn)整個(gè)星球都籠罩在沙塵之中。庫(kù)里說(shuō)：“火星上的沙塵暴實(shí)在是太猛烈、規(guī)模太大了，因?yàn)樗鼈兛梢园麄€(gè)星球并且一連持續(xù)數(shù)月。老實(shí)說(shuō)，那兒的沙塵暴很可怕。”在這些沙塵暴中，塵土顆粒會(huì)以高達(dá)每小時(shí)110千米的速度呼嘯而過(guò)，而且，它們主要由鐵的氧化物構(gòu)成——與構(gòu)成鐵銹的化學(xué)物質(zhì)一模一樣。正是這些顆粒賦予了火星標(biāo)志性的紅色外貌。

由于火星大氣實(shí)在太過(guò)稀薄，從整體上說(shuō)，這個(gè)星球上的沙塵暴不可能把人吹倒、吹走。因此，電影《火星救援》（TheMartian）中的一個(gè)重要細(xì)節(jié)其實(shí)是不太可能出現(xiàn)的：馬特 · 達(dá)蒙（Matt Damon）飾演的宇航員馬克 · 沃特尼（Mark Watney）不可能出于沙塵暴的原因被困在火星上。不過(guò)，這些攜帶大量顆粒的風(fēng)對(duì)工程師來(lái)說(shuō)確實(shí)算得上夢(mèng)魘，因?yàn)檫@些顆粒會(huì)粘在太陽(yáng)能電池板上，大大降低電池板的工作效率。2018年，美國(guó)宇航局的機(jī)遇號(hào)火星車(chē)在工作了成果豐碩的十四年半后，于一場(chǎng)火星全球性沙塵暴中沉寂，因?yàn)檫@場(chǎng)沙塵暴完全遮蔽了陽(yáng)光，導(dǎo)致太陽(yáng)能電池?zé)o法發(fā)電。

三、 火星曾經(jīng)擁有液態(tài)水

科學(xué)家根據(jù)火星勘測(cè)軌道飛行器拍攝的多幅照片重建的耶澤洛隕石坑內(nèi)的一處他們感興趣的地點(diǎn)畫(huà)面。這里的地貌看上去就像是從河流中滲出的泥土——這表明這一地區(qū)過(guò)去可能存在流動(dòng)的水。自2021年以來(lái)，毅力號(hào)火星車(chē)始終在探索這一區(qū)域

從1971年水手9號(hào)造訪火星開(kāi)始，科學(xué)家逐漸收集到大量足以證明這顆行星上曾經(jīng)有液態(tài)水流淌的證據(jù)。火星的地貌特征——河流經(jīng)過(guò)形成的水道、河流蝕刻形成的溝壑、撞擊坑中的水蝕痕跡以及被烤出裂縫的泥漿地面——都表明，這個(gè)星球過(guò)去可能不缺液態(tài)水。另外，2005年，歐洲空間局的火星快車(chē)軌道器探測(cè)到了含水的火星礦物——一些晶體結(jié)構(gòu)中混有指征性氫、氧原子混合物的巖石——它們可能是在火星表面尚有液態(tài)水的時(shí)期形成的。

美國(guó)宇航局的好奇號(hào)火星車(chē)自2012年登陸火星以來(lái)，就一直在蓋爾環(huán)形山內(nèi)溜達(dá)——科學(xué)家認(rèn)為，那里之前應(yīng)該是一片湖床。好消息是，好奇號(hào)火星車(chē)已經(jīng)找到了那里曾經(jīng)有液態(tài)水匯聚的證據(jù)。2014年，它拍攝到了具有層狀結(jié)構(gòu)的露頭。科學(xué)家認(rèn)為，這些露頭是從河流涌向三角洲地區(qū)的粉砂質(zhì)堆積物。

雖然火星上的液態(tài)水很可能存在了數(shù)百萬(wàn)年甚至數(shù)千萬(wàn)年，但這些液態(tài)水都在二三十億年前徹底消失了。不過(guò)，液態(tài)水曾經(jīng)在火星上存在，且曾經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間存在，這表明，許久之前，火星也曾擁有濃厚的大氣層和溫暖的環(huán)境。這一切的一切都意味著，古老的火星環(huán)境是一個(gè)適合孕育生命的地方。

四、 極地冰蓋的變化揭示了火星過(guò)去的氣候

火星南極冰蓋融化并在表面上形成凹坑時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)類(lèi)似瑞士奶酪的外觀

早在17世紀(jì)，科學(xué)家就用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到了火星的兩極很明亮（在整體昏暗的行星外觀下顯得尤為明顯），但直到1969年，人類(lèi)才通過(guò)水手7號(hào)探測(cè)器首次拍攝到了火星兩極地區(qū)的近距離照片。這顆紅色星球的兩極地區(qū)遍布年輕的冰蓋，按照科學(xué)家的估計(jì)，它們應(yīng)該都是在最近500萬(wàn)年里才形成的。火星勘測(cè)軌道飛行器和火星快車(chē)軌道器的探測(cè)結(jié)果則表明，火星兩極地區(qū)的冰是由一層又一層凝結(jié)的二氧化碳、冰凍的水和北風(fēng)吹來(lái)的灰塵組成的，并且會(huì)隨著火星季節(jié)的變換而增長(zhǎng)、收縮。冰蓋中的這些層狀結(jié)構(gòu)就像地球上樹(shù)木的年輪一樣，是可以供科學(xué)家深入研究火星季節(jié)性氣候的地質(zhì)記錄。

這些冰蓋可能會(huì)全部消失，然后又重新形成，也就是存在某種變化周期，跨度可能是幾十萬(wàn)年。科學(xué)家認(rèn)為，火星兩極冰蓋之所以會(huì)出現(xiàn)這樣的變化周期，是因?yàn)榛鹦堑恼w溫度存在上升和下降的變化周期，且成因遠(yuǎn)不只是火星公轉(zhuǎn)過(guò)程中與太陽(yáng)之間的距離遠(yuǎn)近變化。計(jì)算機(jī)模型研究暗示，木星不可忽略的引力拉拽效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致火星自轉(zhuǎn)傾角在15°至更為極端的35°之間波動(dòng)。相較之下，地球自轉(zhuǎn)傾角為23°且平均幾百萬(wàn)年也不過(guò)波動(dòng)3°。在較大的自轉(zhuǎn)傾角下，火星這顆相對(duì)較小的行星的兩極會(huì)接收到更多熱量，多到足以使其冰蓋完全消失。

五、 火星地殼中存在一塊塊局部磁場(chǎng)

壯麗的極光彌漫在接近火星表面的區(qū)域，幾乎遍布整個(gè)火星。這是因?yàn)榛鹦菦](méi)有全球性磁場(chǎng)，因而無(wú)法像地球那樣把極光約束在兩極地區(qū)

火星大氣和揮發(fā)物演化任務(wù)探測(cè)器與火星全球勘測(cè)衛(wèi)星從火星高空觀測(cè)這顆行星的結(jié)果證實(shí)，火星沒(méi)有像地球那樣的行星磁偶極子。不過(guò)，進(jìn)一步的測(cè)繪表明，整個(gè)火星地殼中都分布有塊狀局部磁場(chǎng)。這些磁場(chǎng)“馬賽克”來(lái)自火星地表的火山巖，它們攜帶著火星剩余磁場(chǎng)的磁性。

行星的磁場(chǎng)屏蔽效應(yīng)來(lái)自星球內(nèi)部物質(zhì)的攪動(dòng)。由鐵和鎳構(gòu)成的行星熔融態(tài)核心在流動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電流，進(jìn)而為整塊行星電磁鐵提供動(dòng)力。看不見(jiàn)的磁場(chǎng)線包裹著太陽(yáng)系大多數(shù)行星，其中就包括地球。由于火星比地球小，它的冷卻速度也快得多，因而核心部分早早停止運(yùn)動(dòng)，全球性磁層也隨之消失。不過(guò)，靠近火星表面的金屬在凝固過(guò)程中留下了磁場(chǎng)的信息，保留了部分磁印記。

這些散布在整個(gè)火星地殼的局部磁場(chǎng)催生了與地球迥然不同的極光。極光是來(lái)自太陽(yáng)的大量帶電粒子落入行星大氣時(shí)形成的。在地球上，這些鬼魅般的亮光集中在兩極地區(qū)，因?yàn)槟抢锏拇艌?chǎng)最強(qiáng)。但火星極光不但可以出現(xiàn)在兩極地區(qū)，也可以在靠近赤道的地方搖曳，因?yàn)闆](méi)有全球性磁場(chǎng)約束它們。2021年，阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)的希望號(hào)軌道飛行器拍攝的照片顯示，火星天空中的極光可以呈現(xiàn)出各種各樣的蜿蜒曲折形狀。

六、 火星實(shí)地探測(cè)證實(shí)了神秘地球隕石的起源

大約13 000年前墜落在南極大陸上的火星巖石，它本身?yè)碛?5億年的歷史

在成千上萬(wàn)顆具有科研價(jià)值的地球隕石中，有一小部分鶴立雞群。科學(xué)家原本并不知道它們從哪來(lái)，但在海盜號(hào)登陸器于1976年登陸火星并對(duì)火星環(huán)境取樣后，針對(duì)火星大氣的成分分析證實(shí)，這些奇怪的巖石球正是火星隕石。

地球科學(xué)家收藏了大約300顆這樣的隕石。當(dāng)外來(lái)天體撞擊火星地表后，這些巖石碎片就被濺射到太空中，并離開(kāi)火星。由此產(chǎn)生的碎片會(huì)在黑暗的太空中漂浮數(shù)千年，直至最后墜入地球。接著，這些來(lái)自火星的巖石便催生了成千上萬(wàn)篇發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊上的論文，并且讓科學(xué)家得以近距離研究火星這個(gè)銹跡斑斑的星球。

七、 火星曾與地球很相似

未來(lái)的某一天，樣本回收著陸器（右下方）和火箭（右上方）很可能會(huì)協(xié)同工作，一道將毅力號(hào)火星車(chē)收集到的火星巖石樣本送回地球

亞利桑那州立大學(xué)行星科學(xué)家吉姆 · 貝爾（Jim Bell）說(shuō)：“如果要我總結(jié)與火星有關(guān)的幾大重要發(fā)現(xiàn)，那么火星曾經(jīng)真的與地球很像，這個(gè)發(fā)現(xiàn)很可能排在第一位。”我們知道火星在誕生之初環(huán)境舒適、潮濕、富含氣體，并且受到磁層保護(hù)。我們知道火星上曾經(jīng)有過(guò)板塊構(gòu)造活動(dòng)，只不過(guò)彼時(shí)的火星地殼運(yùn)動(dòng)已經(jīng)減弱。出于某些原因，火星突然進(jìn)入了一條與地球截然不同的發(fā)展軌跡，并且最終變成了如今的這個(gè)貧瘠世界。

然而，在那段田園般的時(shí)期，火星可能已經(jīng)孕育出了生命，2013年，好奇號(hào)火星車(chē)的探測(cè)結(jié)果證實(shí)，火星巖石中擁有支持生命誕生并成長(zhǎng)的所有關(guān)鍵化學(xué)成分。也是在2013年前后和2018年，好奇號(hào)火星車(chē)甚至還在火星巖石中探測(cè)到了有機(jī)物。大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為火星現(xiàn)在完全沒(méi)有生命——但仍有一小部分科學(xué)家認(rèn)為火星地下還可能庇護(hù)著一些初等生命——但沒(méi)有任何人可以確定這顆紅色星球是否曾經(jīng)生機(jī)勃勃。科羅拉多大學(xué)博爾德分校行星科學(xué)家、火星大氣和揮發(fā)物演化任務(wù)前首席研究員布魯斯 · 亞克斯基（Bruce Jakosky）說(shuō)：“‘宜居’意味著生命可以存在，并不是說(shuō)一定有生命存在，但它至少證明了我們完全有理由去尋找火星上曾有過(guò)生命甚至現(xiàn)在還有生命的證據(jù)。”

火星是否有生命或者是否曾經(jīng)有生命是圍繞在這顆星球身上的最大謎團(tuán)，激發(fā)了人類(lèi)對(duì)這位鄰居的無(wú)數(shù)想象。無(wú)論答案是肯定還是否定，都有助于明確地球在整個(gè)宇宙中的位置。不過(guò)，至少就目前來(lái)說(shuō)，研究人員還沒(méi)有回答這個(gè)問(wèn)題的方法。我們擁有的火星隕石本就數(shù)量有限，且因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間暴露在地球環(huán)境中，受地球影響過(guò)大。火星探測(cè)器的設(shè)備則還沒(méi)有靈敏到分辨初等生命形式的程度。目前，最好的方法應(yīng)該是從火星上收集巖石樣本，然后再用地球上最先進(jìn)的儀器仔仔細(xì)細(xì)地檢查。亞克斯基說(shuō)：“這是我們回答那些問(wèn)題的唯一途徑。”

現(xiàn)在，毅力號(hào)火星車(chē)正忙著在耶澤洛隕石坑內(nèi)收集火星巖石樣本，科學(xué)家認(rèn)為那里曾經(jīng)存在液態(tài)水。取回這些樣本的返回任務(wù)暫定于2027年進(jìn)行。如果一切順利，這些珍貴標(biāo)本應(yīng)該在2023年抵達(dá)地球，屆時(shí)，它們必將開(kāi)啟人類(lèi)探索火星的全新時(shí)代。

資料來(lái)源Smithonian