「火星地震」或將重塑行星科學

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藝術家繪製的對火星內部結構的想像圖。像地球一樣，火星最外層的結構是地殼，地殼下是地幔，最中間是內核。

（圖源：NASA/JPL-加州理工）

明年，NASA將第一次發射旨在研究火星地下層的機械著陸器，這將使科學家們第一次得以探測火星地表以下的秘密。探測器被命名為「洞察號」（InSight，代表「Interior Exploration using Seismic Investigations」，即「基於地震學手段的內部結構探查」），它將通過觀測火星地震來研究火星的地殼、地幔和地核結構。

這項研究將有助於解決一個重大問題：行星是如何誕生的？

Bruce Banerdt是「洞察號」的首席研究員，來自加利福尼亞州帕薩迪納市的NASA噴氣推進實驗室。他告訴我們，地震學作為研究震動的學科，已經解決了關於地球誕生的些許謎題。但數十億年間，地球環境對地質記錄的擾動已經掩藏了其大部分古老的歷史信息。火星的大小約為地球的一半，火星上地質信息被擾動的程度則比地球小得多：這顆「化石星球」保留了自其誕生以來的歷史信息。

「行星誕生過程中，平凡的球狀岩石經由變質作用形成一顆異彩紛呈的星球，這種變化簡直如同毛毛蟲羽化為蝴蝶一般。」 Banerdt說，「我們希望通過地震學的手段研究火星為何成為了現在的樣子，以及早期行星成型的普遍規律。」

為行星做CT掃描

說起CT掃描，人們首先想起的可能是醫院裡的CT機，探測器圍著你全身轉幾圈，就可以構建出你的內部立體影像信息。「洞察號」的探測過程就和這個有些類似。

岩石開裂或發生相對移動時，產生的地震波就會在整個星球內回蕩。這些地震波的傳播速度取決於它們的傳播過程中通過的介質性質，因此速度會產生差異。

地震檢波器可以檢測這些地震波的強度、頻率和傳播速度。在「洞察號」上，就配備了這樣的地震檢波器（SEIS）。如同拍快照一般，科學家們通過這種探測獲知地震波所穿過的地質介質的信息。

「地震檢波器就像照相機一樣，拍下星球內部的影像。」 Banerdt說，「這就像給行星做CT掃描一樣。」

火星的表層由密度較小的岩石和礦物組成——它們在火星形成時從火星內部上浮至表面，從而形成了如今火星的外殼。火星的地幔和內核則由密度高的岩石和礦物質構成。通過研究這些物質的分層情況，科學家們得以解釋為何有些岩石行星類似於我們的地球，而不類似於金星或火星——這對於我們理解宇宙中何處可能存在生命至關重要。

模糊的圖景

火星上每發生一次地震，「洞察號」就可以對火星內部拍一張快照。「洞察號」團隊認為，在「洞察號」執行任務期間，它可以記錄數十至數百次地震。火星的大氣層稀薄，時常有小隕石穿過火星大氣落在火星地表上，帶來震動，這也會被地震檢波器記錄。

火星也有著全球性的大氣層，但相比地球要稀薄些。

圖源：SpaceEngine/徐鵬暉

「最開始，圖景會很不清晰，但隨著記錄下的地震增多，我們將獲得更為清晰的對火星內部結構的認知。」 Banerdt說。

團隊面臨的一個挑戰是，如何通過一個地點的地震波記錄復原火星地質全貌。地球上絕大多數的地震監測都使用來自多個位點的綜合信息。「洞察號」將攜帶登陸火星的唯一一台地震檢波器，因此科學家們在處理數據時要採用更具創新性的方法。

「我們要更靈活一些。」 Banerdt說，「比如，同一次地震中的不同地震波在多次反彈後，會在不同時間被檢波器觀測到，我們可以對他們進行測量。」

「月震」和「火震」

「洞察號」的地震學檢測任務並不是NASA歷史上的第一次。

早在「阿波羅」系列項目時期，人們就在月球上放置了四台地震檢波器。宇航員們在月球上發射迫擊炮彈以製造振動，由此得以一瞥月面一下100米左右的樣貌。他們還將火箭上面級撞向月面，製造震波，從而研究月殼結構。在項目進行過程中，他們還探測到了數千次天然「月震」和隕石墜落造成的振動。

「海盜」號（又音譯為「維京」號）火星探測器的相關載荷

上世紀70年代末，「維京號」著陸器曾試圖向火星表面運送地震檢波器。但是，這些檢波器被安裝在著陸器的頂部，沒有直接接觸火星地表。而且，它們底部帶有減震器。這些檢波器在火星上隨風搖擺，未能有效記錄震動信號。

「這是一次失敗的嘗試。」 Banerdt說，「我現在仍然喜歡開玩笑說我們沒有在火星『上』的地震檢波器——我們只有距離火星表面三英尺的檢波器。」

「洞察號」除了測量地震波還有許多其他任務。著陸器攜帶有一個無線電波段的多普勒頻移檢測器，它可以獲知火星的內核是否尚未凝固。著陸器還攜帶有一個自動挖掘探針，它可以檢測來自火星內部的熱量。風度感測器、壓力感測器和溫度感測器有助於科學家們排除火星天氣環境對測量帶來的擾動。結合上述各種來源的信息，我們有望獲得迄今最完整的火星全貌。

翻譯：艾宇熙

校對：徐鵬暉

責任編輯：解仁江

牧夫新媒體編輯部

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