人類探索火星的七大驚人發(fā)現(xiàn)

編譯 王曉濤

1980年，海盜號軌道器拍攝了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。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多千米長的大峽谷

從宇宙角度上說，與地球之間平均距離為2.25億千米的火星簡直就算是在我們的后院里了。如果發(fā)射時機合適，火箭只需要1年不到的時間就能抵達火星。自1965年以來，為了勘測火星塵土飛揚的地貌，人類已經(jīng)成功執(zhí)行了20多次火星任務(wù)。各式各樣的火星探測器輪番登場，其中包括飛掠器、軌道器、著陸器、火星車。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，探測器2013年發(fā)射升空）首席研究員香農(nóng) · 庫里（Shannon Curry）說：“火星離我們實在太近了，我們很走運，能夠以自己的方式去探索這顆星球。”

人類儀器已經(jīng)繪制了火星各個角落的圖像，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的大平原上的空氣。根據(jù)各類探測器收集并發(fā)回地球的種種數(shù)據(jù)，科學(xué)家了解了許多火星知識。本文通過與四位專家的對話以及相關(guān)的研究報告，羅列了那些引起巨大轟動的火星發(fā)現(xiàn)。

一、 火星是一個寒冷、 干燥的地方

美國宇航局好奇號火星車在看向火星夏普山底部時拍攝了這幅干燥且塵土飛揚的火星地貌照片

在人類探測器飛掠火星之前，科學(xué)家普遍認為，這顆行星應(yīng)該是一個郁郁蔥蔥的世界，到處都是生命的氣息。早年間，科學(xué)家通過望遠鏡發(fā)現(xiàn)火星表面上存在類似運河的特征，便誤以為那是智慧物種的創(chuàng)造。然而，在1965年水手4號探測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了，因為照片中的火星表面非常貧瘠，根本看不到什么植物和動物。

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，任憑凜冽的強風(fēng)刮過，任憑緩慢移動的沙丘沖刷，同時還點綴著深邃的峽谷和壯觀的火山。此外，火星也是太陽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，對這座火山最精確的測量來自2004年的火星全球勘測者號探測器。雖然火星表面現(xiàn)在干燥無比，但就科學(xué)家目前所知，這顆星球還是有水的——只不過不是液態(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。

相較地球來說，火星是一個靜止且安靜的地方，而且就我們目前所知，火星上也沒有什么生命。賴斯大學(xué)火星地質(zhì)學(xué)家克爾斯騰 · 西巴赫（Kirsten Siebach）說，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：“我們可以在火星巖石中看到這段漫長的美麗歷史。隨著我們越發(fā)了解火星，對這顆星球的描述就會越來越詳細，未來可以訴說的故事也會越來越多。”

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星球，其中的顆粒以高達每小時110千米的速度呼嘯飛行

水手4號探測器飛掠火星時，透過這個星球的氣體外殼，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%?；鹦且σ脖鹊厍蛐∏覜]有磁場，這導(dǎo)致它無法保有濃厚的大氣層。實際上，火星大氣已經(jīng)稀薄到連來自太陽的熱量都無法很好地保存，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，大部分會很快蒸發(fā)到火星大氣中，剩下的則會在火星的嚴(yán)寒中凍結(jié)成冰。

然而，對沙塵暴來說，火星大氣已經(jīng)足夠厚了。實際上，沙塵暴在火星上非常頻繁，甚至成了經(jīng)年可見的標(biāo)志性特征。1971年，水手9號軌道器甫一抵達火星就發(fā)現(xiàn)整個星球都籠罩在沙塵之中。庫里說：“火星上的沙塵暴實在是太猛烈、規(guī)模太大了，因為它們可以包裹整個星球并且一連持續(xù)數(shù)月。老實說，那兒的沙塵暴很可怕。”在這些沙塵暴中，塵土顆粒會以高達每小時110千米的速度呼嘯而過，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。

由于火星大氣實在太過稀薄，從整體上說，這個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）中的一個重要細節(jié)其實是不太可能出現(xiàn)的：馬特 · 達蒙（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，這些攜帶大量顆粒的風(fēng)對工程師來說確實算得上夢魘，因為這些顆粒會粘在太陽能電池板上，大大降低電池板的工作效率。2018年，美國宇航局的機遇號火星車在工作了成果豐碩的十四年半后，于一場火星全球性沙塵暴中沉寂，因為這場沙塵暴完全遮蔽了陽光，導(dǎo)致太陽能電池?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畫面。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)過去可能存在流動的水。自2021年以來，毅力號火星車始終在探索這一區(qū)域

從1971年水手9號造訪火星開始，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)?；鹦堑牡孛蔡卣鳌恿鹘?jīng)過形成的水道、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，這個星球過去可能不缺液態(tài)水。另外，2005年，歐洲空間局的火星快車軌道器探測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)水的時期形成的。

美國宇航局的好奇號火星車自2012年登陸火星以來，就一直在蓋爾環(huán)形山內(nèi)溜達——科學(xué)家認為，那里之前應(yīng)該是一片湖床。好消息是，好奇號火星車已經(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?？茖W(xué)家認為，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)百萬年甚至數(shù)千萬年，但這些液態(tài)水都在二三十億年前徹底消失了。不過，液態(tài)水曾經(jīng)在火星上存在，且曾經(jīng)長時間存在，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)境是一個適合孕育生命的地方。

四、 極地冰蓋的變化揭示了火星過去的氣候

火星南極冰蓋融化并在表面上形成凹坑時，會呈現(xiàn)類似瑞士奶酪的外觀

早在17世紀(jì)，科學(xué)家就用望遠鏡觀測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，人類才通過水手7號探測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，它們應(yīng)該都是在最近500萬年里才形成的?；鹦强睖y軌道飛行器和火星快車軌道器的探測結(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)吹來的灰塵組成的，并且會隨著火星季節(jié)的變換而增長、收縮。冰蓋中的這些層狀結(jié)構(gòu)就像地球上樹木的年輪一樣，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，跨度可能是幾十萬年。科學(xué)家認為，火星兩極冰蓋之所以會出現(xiàn)這樣的變化周期，是因為火星的整體溫度存在上升和下降的變化周期，且成因遠不只是火星公轉(zhuǎn)過程中與太陽之間的距離遠近變化。計算機模型研究暗示，木星不可忽略的引力拉拽效應(yīng)會導(dǎo)致火星自轉(zhuǎn)傾角在15°至更為極端的35°之間波動。相較之下，地球自轉(zhuǎn)傾角為23°且平均幾百萬年也不過波動3°。在較大的自轉(zhuǎn)傾角下，火星這顆相對較小的行星的兩極會接收到更多熱量，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

壯麗的極光彌漫在接近火星表面的區(qū)域，幾乎遍布整個火星。這是因為火星沒有全球性磁場，因而無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)探測器與火星全球勘測衛(wèi)星從火星高空觀測這顆行星的結(jié)果證實，火星沒有像地球那樣的行星磁偶極子。不過，進一步的測繪表明，整個火星地殼中都分布有塊狀局部磁場。這些磁場“馬賽克”來自火星地表的火山巖，它們攜帶著火星剩余磁場的磁性。

行星的磁場屏蔽效應(yīng)來自星球內(nèi)部物質(zhì)的攪動。由鐵和鎳構(gòu)成的行星熔融態(tài)核心在流動和轉(zhuǎn)動的過程中會產(chǎn)生電流，進而為整塊行星電磁鐵提供動力。看不見的磁場線包裹著太陽系大多數(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動，全球性磁層也隨之消失。不過，靠近火星表面的金屬在凝固過程中留下了磁場的信息，保留了部分磁印記。

這些散布在整個火星地殼的局部磁場催生了與地球迥然不同的極光。極光是來自太陽的大量帶電粒子落入行星大氣時形成的。在地球上，這些鬼魅般的亮光集中在兩極地區(qū)，因為那里的磁場最強。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，因為沒有全球性磁場約束它們。2021年，阿拉伯聯(lián)合酋長國的希望號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、 火星實地探測證實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，它本身擁有45億年的歷史

在成千上萬顆具有科研價值的地球隕石中，有一小部分鶴立雞群?？茖W(xué)家原本并不知道它們從哪來，但在海盜號登陸器于1976年登陸火星并對火星環(huán)境取樣后，針對火星大氣的成分分析證實，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，并離開火星。由此產(chǎn)生的碎片會在黑暗的太空中漂浮數(shù)千年，直至最后墜入地球。接著，這些來自火星的巖石便催生了成千上萬篇發(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銹跡斑斑的星球。

七、 火星曾與地球很相似

未來的某一天，樣本回收著陸器（右下方）和火箭（右上方）很可能會協(xié)同工作，一道將毅力號火星車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：“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，這個發(fā)現(xiàn)很可能排在第一位?！蔽覀冎阑鹦窃谡Q生之初環(huán)境舒適、潮濕、富含氣體，并且受到磁層保護。我們知道火星上曾經(jīng)有過板塊構(gòu)造活動，只不過彼時的火星地殼運動已經(jīng)減弱。出于某些原因，火星突然進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貧瘠世界。

然而，在那段田園般的時期，火星可能已經(jīng)孕育出了生命，2013年，好奇號火星車的探測結(jié)果證實，火星巖石中擁有支持生命誕生并成長的所有關(guān)鍵化學(xué)成分。也是在2013年前后和2018年，好奇號火星車甚至還在火星巖石中探測到了有機物。大多數(shù)科學(xué)家認為火星現(xiàn)在完全沒有生命——但仍有一小部分科學(xué)家認為火星地下還可能庇護著一些初等生命——但沒有任何人可以確定這顆紅色星球是否曾經(jīng)生機勃勃?？屏_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：“‘宜居’意味著生命可以存在，并不是說一定有生命存在，但它至少證明了我們完全有理由去尋找火星上曾有過生命甚至現(xiàn)在還有生命的證據(jù)?！?/p>

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，激發(fā)了人類對這位鄰居的無數(shù)想象。無論答案是肯定還是否定，都有助于明確地球在整個宇宙中的位置。不過，至少就目前來說，研究人員還沒有回答這個問題的方法。我們擁有的火星隕石本就數(shù)量有限，且因為長時間暴露在地球環(huán)境中，受地球影響過大?；鹦翘綔y器的設(shè)備則還沒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的儀器仔仔細細地檢查。亞克斯基說：“這是我們回答那些問題的唯一途徑?！?/p>

現(xiàn)在，毅力號火星車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年進行。如果一切順利，這些珍貴標(biāo)本應(yīng)該在2023年抵達地球，屆時，它們必將開啟人類探索火星的全新時代。

資料來源Smithonian