火星南极存在一个巨大的地下液态水湖,或为人类移民火星提供全新

2019-10-22 23:31:42|

本文发表在2018年第32期《三联生活周刊》上,原标题为“火星湖的发现”。严禁未经许可转载,违者将被起诉。

天文学家首次通过卫星信号在火星南极地区发现了一个地下液态水湖。

2018年7月25日,在意大利博洛尼亚大学和意大利天体物理研究所工作的天文学家罗伯托·奥罗西(roberto orosei)和他的合作者在《科学》杂志上联合发表了一篇论文《火星冰川下液态水的雷达证据》。该论文一经发表,立即在世界上引起轰动,并成为主要媒体的头条新闻。地球的邻居火星上是否有液态水,首先是一个重要的问题,这个问题让科学家们陷入了一场持续了几十年的争论。这一发现可能成为这场辩论的最终裁决证据。其次,火星湖的发现也有助于人们了解火星气候变化的历史,这可能为人类未来探索火星,甚至迁移到火星提供一个新的思路。最重要的一点是,在火星上发现液态水可以说是人类在火星上寻找生命,甚至地球以外的生命过程中的一个重大进步。

这一发现体现了科学家十多年来的辛勤工作,并不是巧合。从2003年12月开始,由欧洲航天局(esa)发射的火星快车探测卫星开始在火星轨道上探测,搭载了一个名为marsis的火星地表下和电离层探测高级雷达。这是第一颗在其他行星轨道上工作并进行地质调查的卫星。它周期性地向火星表面和亚表面发射低频电磁脉冲信号,通过收集和分析反射信号的反射时间和强度来判断火星的地质结构。

独特的marsis雷达主要由两个20米长的发射和接收天线以及一个7米长的杂波消除装置组成。15年来,它一直在离火星表面800公里的轨道上不知疲倦地探索火星。起初,探索过程并不顺利,因为火星快车(Mars Express)卫星携带了计算机功能的限制,Mars只能对它多次探测到的数据进行平均并将其送回地球,这让科学家们发现数据中有一些有趣的东西,但他们无法做出明确的判断,也找不到火星湖。

直到2012年5月,科学家们升级了火星快车卫星的计算机系统。Mars能够通过偶极天线以缓慢的方式将未经处理的原始探测数据发回地球,因此科学家们最终可以对火星的某个区域进行详细的勘测。最有趣的是火星的极地。三年多来,火星对其南极高原大约200公里宽的区域进行了详细的探索,总共收集了29套地球数据。科学家仔细分析了这些数据,通过计算雷达信号发出和返回的时间以及返回信号的强度,发现该地区的浅层主要由多层冰和灰尘组成。同时,科学家在探测信号绘制的地图上发现了一个特别明亮的区域。经过反复检查,人们认为这个地区的冰层下可能有大量的液态水。

当电磁波信号进入火星表面时,由于不同的物理特性,有可能在不同物质的交汇处不同程度地反射电磁信号。根据人们以前在地球南极和格陵兰地区的地质勘探经验,液态水比岩石和沉积物等其他物质反射电磁信号更强,液态水的底部比顶部反射电磁信号更强,这使得液态水在雷达探测信号绘制的图像中显得特别明亮。借助地球上的探索经验,科学家们能够基于这一原理绘制火星南极地区的浅层地图,并发现在该地区1.5公里的冰川表面以下可能存在大量宽20公里、深约几十厘米的液态水。

这个发现非常严重。早在30年前,它首先由行星科学研究所的高级科学家史蒂夫.克利福德发起。受在南极和格陵兰岛冰山下发现液态水的启发,人类推测类似的现象可能存在于火星的南极地区。虽然这个想法很新颖,但由于当时的技术条件,根本无法证明。这只能归结为语言之间的争论。几十年来,基于各种证据,科学家们一直在激烈地争论火星南极地区甚至火星表面是否有液态水。火星地下湖的发现可能最终结束争论,并迎来火星探索的新时代。

乍一看,火星表面已经干涸,只是一颗没有生命的红色星球。然而,在其46亿年的历史中,情况并非总是如此。火星表面明显的河流痕迹表明液态水曾经存在于火星表面。事实上,火星的早期与地球环境相似,是一个温暖潮湿的行星,被大气包围着。当时,它有足够的液态水覆盖其五分之一的表面积。然而,因为火星比地球小,所以它的重力只有地球的三分之一左右,而且它无法在表面维持浓厚而稠密的大气,导致其自身水资源的不断通过和气候的变化。

随着大气的逐渐消失,火星表面的大部分水逐渐蒸发到宇宙中,只留下一小部分水,大部分以冰川的形式存在,一小部分以水蒸气的形式存在于火星贫瘠的大气中。在38亿年后,火星看起来与地球非常不同,变成了一个干燥贫瘠的红色星球。

发现这个位于火星南极地区的地下湖意味着什么还不清楚。这取决于人们以后能做出什么样的发现。这个地下湖如此引人注目的一个重要原因是它的蓄水量非常大。数百亿立方米的液态水可能储存在湖里,这表明它不仅仅是火星岩层之间的小渗漏的集合。此前,在凤凰号着陆器上也发现了水冰凝结(凤凰号本身融化的水也有可能重新凝结),但当发现如此巨大的地下湖时,情况就完全不同了。人们需要问这个地下湖是如何形成的,是如何保存的。它存在了几十亿年了吗?它是火星上唯一的地下湖吗?有没有可能支持一个生态系统并保护火星上的原始生命?

回答这些问题并不容易。目前,人们首先想知道的是关于这个地下湖的尽可能详细的信息。与地球相比,火星是一个寒冷的星球,它的平均温度只有零下60摄氏度左右,而南极地区的温度较低,平均温度约为零下68摄氏度。在这种情况下,科学家判断位于火星南极冰层下的湖泊内部温度在零下10摄氏度至零下30摄氏度之间。由于一系列极其特殊的地质条件,液态有可能在这样的温度条件下得以保持。首先,湖水上方1.5公里厚的冰层对下方的液态水施加很大的压力,这将降低水的凝点。此外,火星土壤中有大量的盐。例如,以前在火星土壤中发现的含有镁、钙、钠和其他元素的化合物会大量溶解在水中,这将进一步降低水的凝点。火星南极地区有可能在多种因素的作用下形成并保存了一个地下湖。

一方面,人们担心如此高的盐度环境不利于维持生命。另一方面,位于地下深处的液体湖泊也可以避免高强度宇宙射线对火星表面的攻击,从而更容易保存生命的种子。无论如何,根据“跟随水的痕迹寻找生命”的原则,这个地下湖已经成为科学家们最感兴趣的地方,也是火星最有可能发现生命现象的地方。这涉及另一个问题:这个地下湖是什么时候形成的?它是火星上唯一的地下湖,还是火星上众多地下湖之一?目前marsis只探索了火星南极高原的一个非常小的区域。为了得到这个问题的明确答案,有必要对火星进行一次全面的调查。

不管最终答案是什么,它都将迎来人类探索火星的新时代。奥罗西认为,如果这个地下湖是火星上唯一的地下湖,那就意味着人们偶然在火星上发现了一个地质奇迹,那么它的存在一定与一个非常特殊的地质环境有关。例如,在地下湖附近的火星地壳中有一个缺口,因此火星内部的热量被释放出来,允许液态水存在。另一方面,如果这个地下湖只是火星上许多地下湖中的一个,情况就会完全不同。

这个地下湖的发现,无论它引发了什么样的联想,都将要求人类做出巨大的努力,不仅在技术方面,而且在制定更勇敢和富有想象力的火星探索计划方面。人类需要对火星表面进行长期全面的调查,试图找到更多液态水和地下湖泊的痕迹。另一方面,人类也需要开始准备将一个特殊的机器人运送到火星南极高原的冰面。这个机器人将使用极其特殊的工具在湖水中钻出1.5千米厚的冰面,采集湖水样本并进行分析。这些要求已经超过了现有的人类技术水平。要实现这些目标,人们可能需要几十年的努力。

在寻找外星生命的过程中,科学家们的兴趣遵循了跟随水的原则,一旦离开火星,到达木星和土星的一些卫星上——液态水以前曾在太阳系的其他天体上被发现,其中最引人注目的是土卫二,它被发现向太空喷射冰水混合物,其中可能含有复杂的有机物,这表明它已经具备在内部产生生命的必要条件。在欧罗巴,欧罗巴,冰下也有一片海洋。火星地下湖的发现吸引了科学家们对火星的兴趣。其中一个重要原因是地下湖的发现过程与地球南极地区以前地下湖的发现过程有许多相似之处。

直到20世纪下半叶,人类才意识到地球南极附近的冰层下有世界上最大的淡水湖之一东方湖。这个230公里长、50公里宽、800米深的淡水湖的蓄水能力堪比北美的安大略湖。仅仅因为它深埋在大约3.7公里的冰层下,在人类发现它之前,它已经与世界隔绝了至少1500万年。即使在没有阳光、气温低于0摄氏度的极端恶劣条件下,科学家们仍然在冰冻的湖水中发现了大量微生物的痕迹。科学家们在东方地下湖发现了一个与世隔绝了几十万年的独特生态系统——等等,在火星的南极地区,在低温高盐度的地下湖中有火星生命的痕迹吗?如果生命在火星气候宜人的年轻时代就像地球一样进化,那么火星生命需要几十亿年才能进化出适应如此恶劣生活条件的能力,并在地下湖中保存生命之火吗?

事实上,这并不是人类第一次在火星上探测到疑似液态水的信号。此前,美国宇航局2005年发射的搭载火星侦察轨道器的高分辨率成像科学实验相机,2011年,在火星表面发现了疑似由季节性高盐度液态水流动造成的痕迹。其他观察怀疑能否证明火星上液态水的存在,一直是科学家们讨论多年的问题。marsis观测结果可以说是迄今为止对火星液态水最可靠的探测结果,但由于对数据的不同理解,一些人仍然持怀疑态度。

在论文中,奥罗兹详细讨论了他和他的合作者根据雷达信号判断冰层下的物质是液态水,不能来自其他物质,如固体二氧化碳,但其他研究人员怀疑这种探测信号可能有其他解释。此外,这一检测结果尚未得到其他检测卫星的确认。例如,火星侦察轨道器曾在火星南极附近进行三维断层成像,但没有发现任何液态水的痕迹。火星侦察轨道器发出的信号有可能分散在火星表面,无法深入火星冰层,因此没有发现液态水。然而,如果更多的探测设备能够获得更多火星南极地下湖的探测数据,人们肯定会期望这个结论在未来会更有说服力。

火星是地球的近邻。在真正探索火星之前,人类对这个星球有各种各样的浪漫想象。随着火星探索的逐渐深入,它揭示的秘密既令人困惑又令人着迷。今天地球和火星之间的对比足以让人类反省并激励人类促进科技进步。火星湖的发现只是人类探索火星过程中令人难忘的一个节点,人们有理由期待火星会带来更多惊喜。

(本文是参考《科学》杂志和相关组织的报告撰写的)

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