“好奇”號的科學(xué)成就

□ 張雪松

“好奇”號的第一個鉆孔

“好奇”號的第二個鉆孔

2014年6月24日，美國航宇局發(fā)布消息，宣布“好奇”號火星車探測器完成了第一個火星年（687個地球日）的探測任務(wù)，為此“好奇”號特意進(jìn)行了自拍留念以示慶祝?！昂闷妗碧栐靸r25億美元、質(zhì)量超過900千克，攜帶了大量先進(jìn)探測設(shè)備，是人類發(fā)射的質(zhì)量最大、技術(shù)最先進(jìn)也是最昂貴的火星車。

“好奇”號是美國航宇局的旗艦探索項目，它具體由噴氣推進(jìn)實驗室負(fù)責(zé)研制和管理。噴氣推進(jìn)實驗室為“好奇”號設(shè)定了四個主要的科學(xué)目標(biāo)：

1.探測著陸區(qū)是否為適居區(qū)域

2.著陸區(qū)是否有水

3.研究火星的大氣

4.研究火星的地質(zhì)

“好奇”號分析的古湖泊

其中第一項和第二項屬于最核心的任務(wù)。為了探測火星的蓋爾隕石坑在遙遠(yuǎn)的過去是否曾經(jīng)適合微生物存在，以及現(xiàn)在這片區(qū)域是否有水，“好奇”號火星車攜帶了桅桿相機(jī)、導(dǎo)航相機(jī)、避障相機(jī)、機(jī)械臂以及臂上的透鏡成像儀和阿爾法粒子X射線分光儀（APXS）、火星樣本分析儀、化學(xué)與礦物學(xué)分析儀、中子反射率探測器、火星環(huán)境監(jiān)測站等大量探測設(shè)備，加上它使用核動力的RTG電源，具有前所未有的機(jī)動能力，構(gòu)成了一個完備的無人火星探索工作站，以確保它有效的完成預(yù)定任務(wù)。

2012年8月6日，經(jīng)過長達(dá)8個月的行星際飛行，“好奇”號經(jīng)過了穿越火星大氣層的恐怖7分鐘后順利在蓋爾隕石坑著陸，著陸點(diǎn)距離預(yù)定坐標(biāo)僅僅偏移了2.4千米?！昂闷妗碧柦?jīng)過兩周的地面調(diào)試后，開始正式的探索工作。

“好奇”號使用沖擊式鉆頭在耶洛奈夫灣（Yellowsknife Bay）被命名為“約翰·克萊恩”（John Klein）的巖石上進(jìn)行了鉆孔并提取了巖石的粉末樣本。鉆取的樣本發(fā)現(xiàn)了構(gòu)成生命的碳、氧、磷、氮等重要化學(xué)元素，還發(fā)現(xiàn)了粘土礦物，證明這里很久以前曾存在液態(tài)水環(huán)境?？茖W(xué)家們對比地球的環(huán)境，分析認(rèn)為耶洛奈夫灣曾經(jīng)是一個火星古代湖泊的湖底，而“好奇”號測量到PH值為中性，證明在遙遠(yuǎn)的過去這里存在淡水湖泊。通過對巖石成分的分析，科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)巖石中缺乏橄欖石礦物，卻富集磁鐵礦，還有蒙脫石的存在。地球上的很多磁鐵礦是由被水浸泡過的玄武巖沉積而成，據(jù)此推斷這些巖石是被水流沖刷到下游后才轉(zhuǎn)變?yōu)檎惩恋V物。蒙脫石是典型的湖泊沉積產(chǎn)生的，地球上存在蒙脫石的區(qū)域一般生物活動旺盛，這說明火星早期肯定存在宜居環(huán)境。耶洛奈夫灣巖石上采集的樣本在“好奇”號的樣本分析儀中進(jìn)行加熱分析，顯示出現(xiàn)二氧化碳，證實了有機(jī)碳的存在。不過來自行星際的隕石也會帶來有機(jī)碳，還不能據(jù)此確認(rèn)這是遠(yuǎn)古火星生命的證據(jù)。

“好奇”號還對名為坎伯蘭（Cumberland）的巖石進(jìn)行了鉆探取樣，并在原地分析了巖石的年齡。根據(jù)美國加州理工學(xué)院的肯尼斯·法雷教授的論文，他的團(tuán)隊根據(jù)測量數(shù)據(jù)分析出這塊火星巖石的年齡大自在38.6億～45.6億年之間，這是人類第一次實地評估地外天體的巖石年齡。法雷教授的團(tuán)隊還分析測定巖石暴露在地表或淺地下的時間，巖石暴露在宇宙射線輻射下時會因為宇宙射線的轟擊產(chǎn)生特定的元素，“好奇”號可以通過測定這些微量氣體元素的含量推算出巖石在火星地表存在的時間。“好奇”號分析出這塊巖石的暴露時間大約為6000萬～1億年，這顯示出火星的風(fēng)沙侵蝕效應(yīng)速度快得驚人?；鹦菐r石的暴露年齡，還可能提供蓋爾隕石坑內(nèi)土壤巖石中有機(jī)物降解率的信息。

“好奇”號發(fā)現(xiàn)的流水地形

“好奇”號著陸區(qū)-蓋爾隕坑

“好奇”號還在Haottah區(qū)域發(fā)現(xiàn)了圓形鵝卵石等流水塑造的河床地貌，顯示這里曾經(jīng)是一條火星古河流的河床。結(jié)合這些發(fā)現(xiàn)，如果火星上當(dāng)年存在微生物，這里曾是它們的理想家園。總而言之，“好奇”號的探測調(diào)查結(jié)果顯示，火星曾經(jīng)存在支持生命誕生和生存的環(huán)境，這是人類火星探測獲得的最重要發(fā)現(xiàn)之一。

2013年9月26日，科學(xué)家們宣布“好奇”號通過對土壤的檢查，發(fā)現(xiàn)大量水存在痕跡。更早的鳳凰號著陸器發(fā)現(xiàn)火星北極有水冰，但“好奇”號降落的蓋爾隕石坑位于南緯5°附近的赤道地區(qū)，卻仍檢測出表層土壤含水量高達(dá)1.5%～3%，表明火星表面水是普遍存在的?；鹦歉缓奶綔y結(jié)果，可能是人類在行星科學(xué)領(lǐng)域獲得的最好的發(fā)現(xiàn)之一，這極大地鼓舞了人們的進(jìn)取心，未來的火星探索和殖民可以就地取材獲得水源，開拓火星殖民地不再是虛無縹緲的幻想。

甲烷在大氣中不穩(wěn)定需要不斷地補(bǔ)充，而生物活動是產(chǎn)生甲烷的主要來源之一，美歐的火星軌道探測器不時宣布探測到火星大氣中的甲烷，因此科學(xué)家們曾普遍期待“好奇”號確認(rèn)火星大氣中存在甲烷，這將增加火星現(xiàn)在存在生命的可能。根據(jù)截止2013年9月19日的測量結(jié)果，美國航宇局宣布沒有探測到甲烷存在的跡象，這降低了目前火星存在生命的可能?！昂闷妗碧栠€根據(jù)歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)火星在漫長的過程中可能喪失了它大部分的大氣層，但逃逸的原因和過程就是火星表面的“好奇”號鞭長莫及的了，這是后來發(fā)射的“火星大氣及揮發(fā)分演化探測器”(MAVEN)的任務(wù)。

“好奇”號的另一個主要成果是使用機(jī)械臂上RAD輻射評估探測器探測測量了火星表面的輻射水平，這是人類首次實地測量火星表面的輻射量。“好奇”號的輻射測量結(jié)果顯示火星表面每天受到的輻射量為0.7毫希沃特，這與國際空間站軌道上的輻射大致相當(dāng)，而遠(yuǎn)低于預(yù)期水平。雖然火星表面的輻射水平遠(yuǎn)高于地球表面每年2.4毫希沃特的輻射量，對生物的繁衍和進(jìn)化相當(dāng)不利，也可能是火星生物沒有興旺發(fā)展起來的重要原因，但這樣的輻射水平只有“好奇”號在行星際飛行時測量到的輻射水平（每天平均1.9毫希沃特）的約一半。火星大氣雖然稀薄但總體上仍提供了一定程度的屏蔽效果，人類在火星表面的輻射水平下生存毫無問題。“好奇”號測量的火星表面輻射水平數(shù)據(jù)，對美國未來的載人火星登陸任務(wù)具有至關(guān)重要的價值，至少人們不用憂慮航天員在火星表面執(zhí)行任務(wù)時的防輻射問題了。

“好奇”號設(shè)計壽命為1個火星年，但它只用了約8個地球月就完成了確認(rèn)火星曾經(jīng)宜居的探測目標(biāo)。未來“好奇”號還將向夏普山挺進(jìn)，考察這座5千米高山表層厚厚的沉積層，期待通過對夏普山礦物和地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測，進(jìn)一步探索火星過去的宜居環(huán)境和火星的地質(zhì)演變史。