深入火星內部 科學家用另一種方式「洞察」火星

用另一種方式「洞察」火星

圖片來源:NASA

記得《火星叔叔馬丁》么?神奇的馬丁叔叔總讓當時年少的我們痴狂,而那顆遙遠的紅色星球,則吸引著眾多科學家以及天文愛好者無比赤誠的目光。

幾十年來,我們人類對火星的探索從未間斷。「勇氣」號、「機遇」號、「鳳凰」號、「好奇」號等探測器已經登陸火星。但一直以來,人類對火星的探索都「浮於表面」。對火山、峽谷、岩石、土壤這些火星地表特徵的種種研究,讓我們對火星有了初步的了解。美國國家航空航天局(NASA)近日宣布,「洞察」號將加入探索火星的隊伍 。這個「新進小子」將走一條不同於「前輩」的探索之路:它將深入探查火星內部,讓科學家通過火星,了解太陽系中包括地球在內的類地行星的起源與演化過程。

探查火星內部

揭示類地行星演化之謎

「洞察力」(InSight)是個很貼切的名稱,非常適合星際探索的頭銜,也和NASA此次任務的主要內容契合。實際上,InSight是「利用地震調查、測地學和熱傳輸進行內部探查」的英文首字母縮寫,它不僅僅是一個火星任務,其中也隱含著NASA了解地球起源與演化秘密的期許。在NASA眼中,火星就如同一塊他山之石,科學家們希望通過對其內部深層結構的探測,來解決太陽系行星科學中的一個基本問題——40多億年前,太陽系內的類地行星是如何形成的?

一般來說,類地行星的形成是從一種叫做「吸積」的過程開始的。初始核心不斷地捕獲、吞吃周圍物質,隨著體積的增加,內部溫度會逐漸升高並融化,而後隨著冷卻和再結晶,逐漸演變成我們今天所知的包含地核、地幔和地殼的類地行星。雖然所有的類地行星都有類似的結構,但它們絕非完全一樣,沒有統一模板,每一顆類地行星都經過一個被稱為「分化」的過程,才變成它們目前的樣子。而對這一過程,科學家們知之甚少。「洞察力」任務的主要目標,就是探查火星內部深層結構,了解行星的「分化」之謎,以揭示太陽系內類地行星的演化過程。

此外,通過對火星上的構造活動和隕石撞擊進行深入研究,為了解地球上的類似活動提供線索,也是「洞察力」任務的目標之一。

NASA 圖片來源:科技日報

為什麼是火星

因為它有一個「好身材」

太陽系有八大行星,和地球相似的兄弟也不止火星一個,水星、金星也都是類地行星。NASA為什麼要選擇通過火星來了解類地行星的演化過程?或許原因不止一個,但「洞察力」任務項目首席科學家,NASA噴氣推進實驗室的布魯斯·班尼特的看法絕對是最權威的。他指出,選擇火星,是因為它有一個「好身材」。「火星不大不小,正合適」,班尼特這樣表述。

火星有多大?直徑6794千米,大約是地球直徑的一半。這個體量,正是NASA科學家眼中的「完美身材」。

首先,它足夠大,足以支撐其進行早期的內部加熱和分化過程,進而形成類地行星。可以說,對火星演化的理解基本上可適用於水星、金星和地球。同時,它又足夠小,導致其地質活動遠沒有地球、金星活躍,因而能夠在經過40多億年的漫長時間後仍保留著演化印跡。雖然水星比火星還小,可能會有類地行星早期形成過程的證據,但它離地球太遠而又離太陽太近了,以如今人類掌握的科技水平登陸水星,想都不要想,更遑論對其內部進行探查了。

正因有著一個「好身材」,火星才成為科學家了解類地行星演化過程的最佳目標。火星地殼的厚度和分層、地幔的密度和層理、地核的大小和密度、熱量從內部散逸的速率等信息,蘊含著太陽系中類地行星形成過程的最深入、最準確的記錄。它就如同一本「歷史書」,內含諸多的「秘聞、真相」,需要科學家們一點兒一點兒地挖掘。

六個調查項目

倚仗兩大研究利器

「洞察」火星,需要看到哪些景象,才能完成揭示太陽系內類地行星演化過程、尋找地球構造活動及隕石撞擊線索這兩大任務?

NASA為「洞察」號設定了6個調查項目,希望通過這些調查,一窺火星內部深層結構的奧秘。這6個調查項目分別是:確定火星地核的大小、組成和物理狀態;確定火星地殼的厚度和結構;確定火星地幔的組成和結構;確定火星內部的熱態;測量火星內部地震活動的幅度、速率和地理分布;測量火星表面的隕石撞擊率。

而這6個調查項目的完成,則要倚仗「洞察」號荷載的兩台精密儀器——地震儀(SEIS)和熱流探頭(HP3)。

按照NASA的計劃,「洞察」號探測器將在2018年11月26日登陸火星,在火星赤道附近著陸後,將這兩個儀器永久放置在火星上。

此外,NASA噴氣推進實驗室還將進行一項自轉和內部結構實驗(RISE),科學家們將利用火星與地球之間的無線電傳輸來評估火星繞軸自轉產生的擾動,該實驗將為研究火星內核大小提供線索。

科學家們希望,他們能通過這些先進的儀器探測到火星的各種「生命跡象」:通過SEIS探測它的「脈搏」,通過HP3測量它的「體溫」,通過RISE觀察它的「條件反射」。這些「生命跡象」,既是火星億萬年的成長記錄,也是揭開太陽系內類地行星演化之謎的鑰匙。

明年5月5日後5周內的某一天,「洞察」號將從美國加州中部的范登堡空軍基地升空,並於感恩節後的第一個星期一登錄火星,隨後開始對火星「診脈測溫」。NASA預計,在所有儀器部署完成後,科學家在一個火星年(687天,相當於1.88個地球年)內將獲得超過29Gb的數據。屆時,人類對火星的探索有望邁向一個新高度。

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地震儀,全稱為內部結構地震實驗裝置(SEIS),由法國國家太空研究中心、巴黎地球物理研究所、瑞士聯邦理工學院、德國馬克·普朗克研究所、英國帝國理工學院和NASA噴氣推進實驗室聯合打造,其靈敏度「令人髮指」,足以探測到不足氫原子直徑一半的地層移動。SEIS將記錄火星地震或隕石撞擊產生的地震波,向科學家提供火星地層內部的相關信息。

熱流探頭,全稱為熱流與物理性能包(HP3),由德國航空航天中心提供。它要比以前火星車上的小鏟子等工具厲害得多,能夠深入火星地表以下10英尺(3米)甚至更深處,對來自火星內部的能量進行測量。

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