“洞察”号和“毅力”号探测器发回了前所未见的数据，内容从火星地震到这颗红色行星的内层结构，无所不包。

在过去的这段时间里，我们忙着控制新冠疫情，忙着应对破了纪录的高温天气，忙着思考如何摆脱水资源短缺的困境。与此同时，我们派往火星的探测器却享受着颇为宁静的生活。停留在火星表面的洞察号着陆器正监听着火星地震情况，而毅力号漫游车则四处游弋，寻找生命的踪迹。

前不久，科学家拿出了这两位英勇的机器人传回地球的大量发现。在发表于《科学》（Science）必威体育备用地址 的3篇论文上——每篇的作者署名都有十几位不同国籍的科学家，研究人员详细介绍了他们使用洞察号上搭载的地震仪检测火星内部地质情况的睿智方法。这也确实让他们获得了对于这颗红色行星地壳、地幔及核心的全新认识，并且也是人类科学家第一次绘制其他星球的内部情况。另外，还有一组科学家则召开新闻发布会，公布了毅力号探测器发回地球的初期研究成果，并且宣布这辆漫游车下一步将会探索耶泽罗陨石坑——那里曾经是一片可能栖息着火星古代微生物的湖泊。

火星这颗红色行星还有很多值得科学家研究的地方。“火星的基本元素组成和地球大致相似，但外观却大为不同，”剑桥大学地震学家桑内·科塔尔（Sanne Cottaar，在《科学》杂志发表了一篇剖析上述三项新研究的论文）说，“有很多证据表明，火星的演化历程和地球很不一样。现在，探测器为我们绘制的火星各深度壳层图像，将帮助我们理解火星地质是如何形成的，以及火星是如何演变成现在这个样子的。”

对比地球和火星这两颗行星，总能让我们产生诸多疑问。举例来说，为什么地球有磁场，而火星的似乎消失了？为什么地球表面的火山散布在各个地方，而火星上的火山要集中得多，也普遍大得多？火星上直径达到374英里（约合602千米）、高度达到16英里（约合26千米）的奥林帕斯山是整个太阳系中目前已知的最大火山。这种火山群的成因一定是灾难级别的地质活动，但现在的火星表面却平静得出奇，几乎完全没有火山活动（不过，有些科学家在2021年5月拿出了他们认为是火星近期火山活动的证据），这点和地球大为不同。只有探测到火星地表之下的情况，科学家才能更好地认识这些行星奥秘——同时也有助于我们理解同样身为岩石行星的地球的诸多怪异性质。

不过，在我们深入研究这些科研文献之前，还是先简要介绍一下有关火星和洞察号探测器的情况吧。相较地球而言，火星的地质情况相当平稳。由于我们的星球有板块构造——也就是在下方地幔上漂移的几大地壳板块——地表上就充斥着像火山喷发和灾难级地震这样的地壳活动。而火星没有板块构造，也就是说，它的地表就是一整块，这是因为火星核心在这颗行星形成之初就快速成形并冷却了。如今，火星仍在不断冷却，同时不断收缩，这可能是火星地震规模要比地球地震小得多的成因。

发生在火星地表的地震现象（右侧圆圈）会产生S波。这类波经火星核心反弹后，会被洞察号探测器探测到（顶部白色圆圈）

洞察号探测器的任务就是借助它携带的地震仪探测这些火星地震。实际上，自2019年2月以来，这部探测器就一直在这么做。它为科学家提供了极为丰富的火星地震数据，其中尤以两种现象的资料为最：火星地震产生的P波和S波。“P波是与压缩效应有关的波，就像空气中的声波一样。P波也是我们在行星内部观察到的传播速度最快的波，”科隆大学地震学家布里吉特·纳普梅耶尔-恩德伦（Brigitte Knapmeyer-Endrun，那篇模拟火星地壳的论文的第一作者）说，“然后就是次级波S波。这种波与剪力效应有关，就类似你拨弄吉他弦使其振动产生的波。”

重要的是，这些S波传播得比P波慢，因此，火星发生地震后，洞察号会先探测到P波，随后才会探测到S波。“借助P波和S波抵达探测器的时间差，我们就能掌握地震发生的具体位置以及与探测器之间的距离。”纳普梅耶尔-恩德伦说。这两种波的传播、反射介质也有差别，P波可以穿过固体、液体和气体，而S波只能穿过固体。

通过分析洞察号地震仪探测到的地震波，科学家们就能了解火星的内部构成。既然S波无法穿过液体核心，那么它们的所有能量都会在火星核心和地幔的边界处反弹回去。这就像是计算机的二进制编码：只用两种元素——0和1——就能产生极为复杂的程序。类似地，科学家借助P波和S波这两种波就能绘制出火星内部的精细图像。“我们知晓过两种波抵达探测器的时间差后，就会说知道这地方有多厚了。”纳普梅耶尔-恩德伦说。

通过这个技巧，纳普梅耶尔-恩德伦和她的同事就能估算火星地壳的厚度。在此之前，科学家借助在火星轨道上运行的卫星测量过这颗红色行星各处的引力和地势差异，并且也尝试估算了火星地壳厚度，最后得到的结果是平均约110千米厚。“现在，根据得到的火星内部数据，我们可以说那个数字实在是大得太多了。”纳普梅耶尔-恩德伦说。他们现在认为，火星地壳的平均厚度绝不超过72千米。

此外，这些研究人员还认为，火星地壳分为2层或3层。最上面那层约10千米厚。洞察号的测量显示，这一层地壳出乎意料地轻，这或许是因为它由陨石撞击后残留的岩石碎片构成。第二层则大约20千米厚。“遗憾的是，我们还不清楚再往下到底是什么。可能已经就是火星地幔了，但也可能是第三层火星地壳。对此，我们还有一些模糊不清的问题没有解决，”纳普梅耶尔-恩德伦这样表示，“但我们可以肯定地说，火星地壳绝对没有原来预测的那么厚，密度也要低一些。”

苏黎世联邦理工学院行星地震学家西蒙·斯塔尔（Simon St?hler）则领衔了对火星内部最深处也是最炽热处的研究，那就是火星核心。虽然没法真正看到行星中心，但斯塔尔的团队通过分析火星核心-地幔边界处反弹出来的S波数据，还是得到了许多有关火星核心的信息。这些S波虽然没法穿透液态核心，但能通过某种方式到达火星表面，并且被洞察号探测到。从火星发生地震，到我们收到火星核心反射过来的信号。“这个过程大概需要10分钟。”斯塔尔说。以这个时间为基础，斯塔尔的团队就能推断S波在火星内部何种深度传播，进而估测火星核心本身的深度：大概是火星地表下面大约1 550千米处。

研究者还发现，火星核心的密度特别低，大概只有6克/厘米³左右，显著低于他们根据行星富铁核心模型预测的密度。“火星核心为什么这么轻？这个问题我们还没有完全搞明白。”斯塔尔说。火星核心肯定含有比铁更轻的元素，但究竟是什么尚不清楚。斯塔尔及其团队目前最大的愿望是，探测到发生在某个特定位置的火星地震产生的P波。这个位置就是正对着洞察号探测器驻留处的火星地表另一端。因为这类P波可以穿透火星核心-地幔边界，所以它们会携带着有关火星核心构成的信息抵达洞察号探测器。不过，斯塔尔也表示，要想实现这个目标，“必须有火星的配合，地震必须发生在正对着探测器的火星地表另一侧”。

斯塔尔的团队在论文中称，火星核心的半径在1 830千米左右。不过，由苏黎世联邦理工学院地球物理学家阿米尔·卡恩（Amir Khan）领导的另一支研究团队则认为，这个尺寸实在是太大了。如果火星核心真有那么大，那么这颗星球很可能就没有下地幔这样的结构——这种结构包裹在行星核心周围，作用就像是吸热毯一样。地球地幔主要分为上下两层，两层之间还有一个所谓的“过渡区”。此外，地球上地幔和下地幔的成分也并不完全相同。“仅就矿物学角度而言，我可以轻描淡写地说，火星地幔是地球地幔的简化版本。”卡恩说。（他是那篇介绍火星地幔论文的第一作者。）

科学家此前利用地球化学和地球物理学数据预测的火星核心半径意味着，这颗行星没有下地幔，但他们还需要洞察号探测器发回的火星地震学数据证实这一点。如果火星真的没有下地幔，那么它的核心很可能要比地球核心容易冷却得多。这就是认识这颗红色行星演化过程的关键所在，对我们理解“火星为什么会失去磁场”这个问题有着尤为重要的意义，要知道，磁场是行星大气能在猛烈太阳风轰击下保留下来的关键。而磁场的产生则要求行星内核与外壳之间存在温度梯度，也就是要求行星内核与外壳之间的温度差高到足以搅动行星中心的液态金属从而产生磁场。然而，火星核心冷却得实在太快，所以这种对流电流也很快消失了。

卡恩的分析还表明，火星的岩石圈很厚——所谓岩石圈，就是地幔坚硬且冰冷的那部分。这或许就是一个线索，能够解释火星为什么没有那种导致地球火山运动的板块构造。“如果行星的岩石圈很厚，它就很难打破，也就很难形成类似地球板块那样的结构，”卡恩说，“或许，很早很早以前，火星有这样的结构，但现在肯定是没有了。”

在洞察号监听火星内部的振动时，毅力号则在火星布满灰尘的表面行驶，寻找岩石中古代生命的迹象以及各个地点的风化层样本，从而方便科学家了解耶泽罗陨石坑的地质学历史。“探索并不是短跑冲刺，而是马拉松。”美国宇航局科学副主管托马斯·泽布臣（Thomas Zurbuchen）说。他在前不久召开新闻发布会集中展示了毅力号漫游车在火星工作的头几个月里取得的成果。“探索火星是我们精心规划的一项长期项目，它会将目前的机器人探测和未来的航天员登陆探测结合起来。而毅力号正是这个漫长计划中的一步。”

新闻发布会上的科学家简要列出了毅力号到目前为止所做的全部工作。“我们面临的挑战是，确定我们想要毅力号去的精确地点，以及如何将一切有价值的内容囊括到计划中来。”美国宇航局喷气推进实验室系统工程师维维安·孙（Vivian Sun）表示。孙表示，他们决定让毅力号迂回前进至着陆地点以南3 000英尺（约合914米）处。在那里，毅力号会提取第一枚火星岩石样本，然后妥善储存在舱体中，等待后续任务将其带回地球。

毅力号长着一条7英尺（约合2.1米）长的机械臂，装备有一整套全新设备，其中包括火星氧气制造仪（MOXIE）。毅力号已经成功借助这件设备将火星大气中的少量二氧化碳转变成了氧。漫游车机械臂上还装有很多能够获取火星当前气候数据的感应器，以及用来拍摄周围环境照片的高分辨率照相机。“火星尘暴让我们总是拍不到清晰的照片。”加州理工地球化学家肯·法利（Ken Farley）说。他还表示，在他看来，火星上的风刮起来和地球很像。

在目前拍到的照片里，有一些岩石似乎像是硬化了的湖泥，那里可能是寻找生物特征化石（标志着前生命形式）的好地方。此外，研究团队还想查明陨石坑中的岩石究竟是沉积形成的，还是火山运动形成的。如果是后面一种情况，那就可以用放射性定年法确定岩石形成的具体年代，从而更好地了解毅力号收集的物质样本的地质时间线。法利表示，他们目前得到的最令人惊喜的发现是，山洪暴发和水位变化方面的证据，这意味着，耶泽罗陨石坑过去曾经历过数次充斥液态水然后又回归干旱的过程。

借助全新设计的人工智能软件，毅力号还打破了漫游车在火星上自主驾驶的时间记录——要知道，这还只是它独自上路的第二天。“火星车自动驾驶的速度现在已经和人工指导驾驶没什么两样了。”喷气推进实验室机器人专家奥利维尔·图佩（Olivier Toupet）说。虽然人类可以远程操控毅力号每天行驶100英尺（约合30.5米）左右，可以小心翼翼地指挥它躲避各种障碍物，但人工智能软件让漫游车有了更好的灵活度。人工智能软件会在漫游车行驶时绘制火星地表的三维图像，这样漫游车就能实时更新、优化前进路线。图佩表示，目前，火星地表自动驾驶的单程记录是大约350英尺（约合107米），他们希望毅力号能在接下去的4周里将这个数字提高至原来的4倍。

在完成向南的迂回前进之旅后，毅力号就会转向西南，前往一处曾经给耶泽罗陨石坑注水的古河流三角洲。抵达之后，它就会充分利用机械臂上的仪器探索附近火星岩石的元素构成、矿物学结构、形状以及纹理。这些信息有助于科学家了解这块盆地过去的水文情况。

几千英里之外，洞察号也仍会继续记录火星地震情况，并将相关数据发回地球。届时，科学家们就能史无前例地运用地震学知识详细描述其他岩石行星内部工作机制的特征。“对人类来说，这是一个非常年轻的领域。”科塔尔表示，“我们仰望星空的时间要远多于关注脚下的时间。”

资料来源 Wired

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本文作者马特·西蒙（Matt Simon）是《连线》的科学记者，报导范围包括生物学、机器人学、医药学和环境学，著有作品《虽死犹生的困境：现实中的僵尸泄漏了哪些有关这个世界和我们自身的秘密？》以及荣获亚历克斯奖的《疯狂的进化：动物世界的奇葩物种和它们的生存绝技》