發(fā)現(xiàn)火星湖

苗千

水是生命之源——這句話，至今為止，不僅在地球上適用，也被認為是貫之宇宙而皆準的真理?！案S水的痕跡去尋找生命”，正是天文學(xué)家們在所有的天體上搜尋生命現(xiàn)象時所遵循的最基本原則之一。只有理解了這一點，才能明白為什么近期在火星的冰層之下發(fā)現(xiàn)了一個由液態(tài)水構(gòu)成的湖泊之后，人類的反應(yīng)是如此強烈。

意大利天文學(xué)家羅伯托·奧羅塞

2018年7月25日，在意大利博洛尼亞大學(xué)和意大利天體物理學(xué)研究所工作的天文學(xué)家羅伯托·奧羅塞（Roberto Orosei）與合作者們共同在《科學(xué)》（Science）雜志上發(fā)表論文《火星冰川下液態(tài)水的雷達證據(jù)》（Radar Evidence of Subglacial Liquid Water on Mars）。論文一經(jīng)發(fā)表，立刻在全世界范圍內(nèi)引起了轟動，登上各大媒體的頭條。在地球的近鄰火星上到底有沒有液態(tài)水存在，這首先是一個讓科學(xué)家們陷入一場持續(xù)了幾十年時間爭論的重要問題，這個發(fā)現(xiàn)可能成為這場爭論最終的裁決證據(jù);其次，火星湖的發(fā)現(xiàn)也有助于人們理解火星氣候變遷的歷史，這可能為人類在未來探測火星，甚至是移民到火星提供全新的思路;而最為重要的一點是，在火星上發(fā)現(xiàn)液態(tài)水，可以說是人類尋找火星生命，乃至地外生命過程中的一個重大進展。

怎樣在火星上尋找水

能夠做出這個發(fā)現(xiàn)絕非妙手偶得，其中凝結(jié)了科學(xué)家們十多年的辛勤工作。從2003年12月開始，歐洲空間局（ESA）發(fā)射的“火星快車”（Mars Express）探測衛(wèi)星開始在火星軌道上進行探測，在這顆衛(wèi)星上搭載了一個簡稱為“Marsis”的“火星次表面和電離層探測先進雷達”（Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding）。這是人類第一個在其他行星軌道上工作，進行地質(zhì)勘測的衛(wèi)星。它向火星的表面和次表面區(qū)域周期性地發(fā)射低頻電磁脈沖信號，通過收集和分析反射信號的被反射時間和強度以判斷火星的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

天文學(xué)家通過衛(wèi)星探測信號，首次在火星南極區(qū)域發(fā)現(xiàn)了一個地下液態(tài)水湖

外形獨特的Marsis雷達主要由兩個20米長的發(fā)射和接收天線，外加一個7米長的雜波消除裝置構(gòu)成。在15年的時間里，它在距離火星表面800公里的火星軌道上孜孜不倦地對火星進行探測。一開始，探測過程并不順利，因為火星快車衛(wèi)星所攜帶的計算機功能的限制，Marsis只能將自己多次探測的數(shù)據(jù)取平均值之后發(fā)回地球，這導(dǎo)致科學(xué)家們雖然能夠發(fā)覺在數(shù)據(jù)中存在著引人注意之處，卻無法做出確切判斷，沒能發(fā)現(xiàn)火星湖。

直到2012年5月份，科學(xué)家們對火星快車衛(wèi)星的電腦系統(tǒng)進行了軟件升級，Marsis得以把未經(jīng)處理的原始探測數(shù)據(jù)以一種緩慢的方式通過自身的偶極天線發(fā)回地球，這樣科學(xué)家們終于可以對火星的某個區(qū)域進行細致的勘察。最令人感興趣的是火星的極地區(qū)域。Marsis在3年多的時間里，對火星的南極高原（Planum Australe）一個大約有200公里寬的區(qū)域進行詳細探測，為地球收集到了總共29組數(shù)據(jù)?？茖W(xué)家們仔細分析了這些數(shù)據(jù)，通過計算雷達信號發(fā)出和返回的時間，返回信號的強度，發(fā)現(xiàn)這個區(qū)域的淺層地表主要是由多層的冰和灰塵構(gòu)成。同時科學(xué)家們在通過探測信號所繪制的地圖中又發(fā)現(xiàn)了一個特別明亮的區(qū)域，經(jīng)過反復(fù)檢查，人們認定在這個區(qū)域的冰層下可能存在著大量液態(tài)水。

當電磁波信號射入火星的表面，因為物理特性的不同，在不同物質(zhì)的交界處就有可能對電磁信號進行不同程度的反射。根據(jù)人們此前對地球的南極和格陵蘭區(qū)域進行地質(zhì)探測的經(jīng)驗，液態(tài)水對于電磁信號的反射要比巖石和沉積物等其他物質(zhì)的反射更強，而且液態(tài)水底部對于電磁信號的反射又要強于頂部，這就讓液態(tài)水在通過雷達探測信號所繪制的圖像中顯得格外明亮。借助在地球上進行探測的經(jīng)驗，科學(xué)家們正是基于這樣的原理得以繪制出火星南極區(qū)域淺層地表的地圖，并且發(fā)現(xiàn)在這個區(qū)域的冰川表面1.5公里以下，可能存在有20公里寬、大約幾十厘米深的大量液態(tài)水。

這個發(fā)現(xiàn)非同小可。早在30年前，最開始是由行星科學(xué)研究所（Planetary Science Institute）的資深科學(xué)家史蒂夫·克利福德（Steve Clifford），因為人類在南極和格陵蘭區(qū)域的冰山下發(fā)現(xiàn)液態(tài)水而得到啟發(fā)，推測在火星的南極區(qū)域有可能也存在著類似的現(xiàn)象。這個想法雖然新奇，卻因為在當時的技術(shù)條件下根本無從被證實，只能淪為口舌之爭。幾十年來，關(guān)于在火星的南極區(qū)域，乃至在火星的表面，是否存在液態(tài)水，根據(jù)各種不同的證據(jù)，科學(xué)家們一直存在著激烈的爭辯。這次火星地下湖的發(fā)現(xiàn)可能終于讓這場爭論結(jié)束，從而開啟一個火星探索的新時代。

一眼望去，火星的表面干涸枯竭，只是一顆了無生氣的紅色行星，但是在它46億年的歷史中卻并非一直如此，在火星表面顯而易見的河道痕跡就說明了在它的表面也曾存在過液態(tài)水。實際上，火星的早年也和地球的環(huán)境類似，是一顆被大氣層所包裹的溫暖濕潤的行星。在當時它擁有足夠多的液態(tài)水，足以覆蓋其表面面積的五分之一。但是因為火星小于地球，其自身的引力大約只有地球的三分之一左右，無法在表面維持一個厚實致密的大氣層，導(dǎo)致自身的水資源不斷流逝，氣候也隨之改變。

隨著其大氣層的逐漸消失，火星表面大部分的水分都逐漸蒸發(fā)到宇宙中，最終只剩下少部分的水，大多以冰川的形式留在火星，還有極少部分以水蒸氣的形式存在于火星微薄的大氣之中。在38億年的時間里，火星的外表看起來與地球迥異，成為一顆干涸貧瘠的紅色星球。