火星上發(fā)現(xiàn)了液態(tài)湖?這事還沒有板上釘釘
在人們的印象中,水是以液態(tài)存在的、可以流動的物質(zhì)。雖然人們早就發(fā)現(xiàn)了水在火星的存在,卻鮮見能夠流動的液態(tài)水。
火星表面的大氣壓強僅有地球海平面大氣壓的0.6%。在這種環(huán)境下,液態(tài)水不是被蒸發(fā)就是被迅速的凍結,很難以液態(tài)形式存在。
最近,意大利的科學家利用歐空局“火星快車”探測器,在火星南極發(fā)現(xiàn)了液態(tài)水構成的地下湖泊存在的證據(jù),首次在火星找到了大規(guī)模存在液態(tài)水的跡象,受到了全世界媒體的密集關注。
然而,在為新發(fā)現(xiàn)興奮和喝彩的同時,我們?nèi)詰撟⒁庖粋€關鍵問題:地下湖是否真的存在,目前還沒有徹底證實。
從格陵蘭島到火星南極
按照目前的探測,水在火星上主要以冰的形式存在,在南極和北極,都有大面積的冰蓋結構。其中北極冰蓋直接裸露在火星表面,而南極冰蓋則隱藏于固態(tài)二氧化碳構成的干冰蓋之下。
科學家們推測,在38億年前,火星的大氣層比現(xiàn)在要更濃密,溫度也比現(xiàn)在更高,能夠允許大量的液態(tài)水存在于火星表面,甚至還形成了海洋。在火星表面,能夠找到不少可能由水的流動而形成的地貌特征。
然而,在現(xiàn)今的火星上,除了零星出現(xiàn)的液態(tài)水特征外,很難見到像南北極冰蓋這樣大規(guī)模的液態(tài)水分布。
(火星的南極冰蓋)
三十年前,行星物理學家史蒂夫·克利福德提出了火星可能存在地下湖泊的假說。
在地球上,地質(zhì)學家們已經(jīng)在南極洲和格陵蘭島的冰層下發(fā)現(xiàn)了地下湖。來自地球內(nèi)部的熱能融化了冰川的底部,從而形成了這些隱藏的湖泊。
克利福德推測,在火星的南北極冰蓋下可能也存在類似的過程。
2003年,歐空局發(fā)射的火星快車探測器給了科學家們證實這個假說的機會。
火星快車上搭載的MARSIS儀器,能夠發(fā)射0.8-6MHz的無線電波并接收火星表面和電離層的反射回波,利用合成孔徑雷達等技術探測火星表面的地形地貌和電離層性質(zhì)。
更有趣的是,MARSIS儀器裝備了兩個設置不同的回波接收天線。通過對兩個天線接收到的信號進行綜合處理,MARSIS可以去除火星表面的回波,“過濾”出表層以下的內(nèi)部結構回波,從而使科學家們能夠貨值火星內(nèi)部的秘密。
(火星快車探測器,探測器周圍伸出的桿狀天線即為MARSIS儀器接收回波信號的天線)
從2008年開始,科學家們開始從MARSIS儀器在火星南極的觀測數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)一些異常強烈的回波信號。
在地球上,這種回波信號意味著冰層下方存在著液態(tài)水。然而,當時數(shù)據(jù)中的強回波區(qū)分布的并不連續(xù)。
在分析儀器工作流程后,科學家們發(fā)現(xiàn)問題可能出自MARSIS的數(shù)據(jù)處理機制上:為了減小數(shù)據(jù)傳輸量,MARSISI會對觀測數(shù)據(jù)做平均處理,可能導致了強回波區(qū)結構被抹平。
為了進一步對強回波區(qū)進行研究,這些科學家在火星快車的存儲器中專門開辟了一塊區(qū)域,用以存儲南極地區(qū)的高分辨率探測數(shù)據(jù)。
(意大利科學家通過MARSIS儀器得到的回波增強數(shù)據(jù))
在收集了3年共29軌的數(shù)據(jù)后,科學家們開始了另一場“戰(zhàn)斗”。
由于他們收集到的僅僅是雷達回波信號,而不是直接反映物質(zhì)構成的信息,他們必須不斷排除如二氧化碳干冰層等其他造成類似回波特征的可能。
最終,在對比了地球上的地下湖回波特征后,科學家們推斷他們探測到的的確是液態(tài)水富集的火星地下湖。
地下湖的直徑不超過20公里,隱藏在南極冰蓋表面以下約1.5公里的位置。地下湖水的溫度處于零下數(shù)十度,但是其較高的含鹽量量使其保持液態(tài)而沒有凍結。
火星上的另一雙“眼睛”沒有看到這個地下湖
由于地下湖的發(fā)現(xiàn)是由間接證據(jù)得到的,不少科學家也對這個發(fā)現(xiàn)的可靠性表示了質(zhì)疑。
例如,提出火星地下湖假設的行星物理學家克利福德就對本次發(fā)現(xiàn)的科學意義表示了冷靜。他認為,雖然目前的探測數(shù)據(jù)“很有說服性”,但并不是“絕對的、確切的”證據(jù),因為一些其他我們尚未了解的物質(zhì)和結構也可能引起這樣的回波。
本次利用MARSIS數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)地下湖的意大利科研團隊也承認,冰蓋下淤積的污泥也可能產(chǎn)生類似的回波,MARSIS的數(shù)據(jù)并不能排除這種可能性。
在火星上工作的另一臺探測器發(fā)回的數(shù)據(jù)也為地下湖的存在增加了疑點。
除了火星快車外,NASA的火星勘測軌道飛行器(Mars Reconnaissance Orbiter)也正在火星工作。
與好奇號、機遇號等活動范圍有限的火星車不同的是,火星快車、火星勘測軌道飛行器等探測器都是在環(huán)繞火星的軌道上飛行的探測器,能夠通過累積的探測獲得火星的全球特征。
火星勘測軌道飛行器上搭載的SHARAD探測器與MARSIS同為意大利空間局設計制造,工作原理基本相同,也同樣具有穿透火星冰蓋、探測火星表面以下結構的能力。
2016年,NASA的科學家曾利用SHARAD探測器,在火星的烏托皮亞平原表面之下發(fā)現(xiàn)了巨大的隱藏冰川,其面積足以與美國新墨西哥州相比。
相比于火星南北極的冰蓋,烏托皮亞平原下的冰川地理緯度較低,且該地區(qū)地勢平坦,特別適合航天器著陸進行科學探測,或建立用水和二氧化碳產(chǎn)生甲烷的火星燃料工廠,為往返地球和火星間的飛行器“加油”。
(火星勘測軌道飛行器上搭載的SHARAD探測器)
SHARAD同樣對本次可能發(fā)現(xiàn)地下湖的地區(qū)進行過探測,但在SHARAD的探測數(shù)據(jù)中卻并不存在如此強烈的回波。
一些科學家認為,雖然SHARAD發(fā)射的探測信號頻率比MARSIS發(fā)射的信號頻率高,其能夠探測的深度也不及MARSIS,但如果地下湖真的存在,那么像鏡子一樣光滑的湖面應該為信號的反射提供了絕佳的條件,SHARAD數(shù)據(jù)中應該能出現(xiàn)回波增強。
而如果MARSIS探測到的是淤泥而不是地下湖,信號的反射條件將沒有地下湖那么好,也就可以解釋為什么強回波信號沒有在SHARAD中出現(xiàn)。
當然,這種推斷同樣也是一個可能的疑點,而無法徹底否定地下湖的存在。
探索未知的不確定性
顛覆性的科學發(fā)現(xiàn)面對的都是前人從未探索或涉足過的領域,沒有既有的檢驗可以參考。
科學家是人不是神,我們的科學探測儀器的性能指標也存在著這樣或那樣的局限,因此科學發(fā)現(xiàn)總是伴隨著不確定性。
在公布對火星地下湖的發(fā)現(xiàn)之前,意大利的科研團隊花了兩年的時間分析原始觀測數(shù)據(jù),盡力排除其他可能性。
有關這次發(fā)現(xiàn)的論文在去年12月13日就已經(jīng)投稿給了國際頂級學術期刊《Science》,經(jīng)過半年多的同行評議才得以在7月25日接收發(fā)表,說明雖然結果仍然具有不確定性,但其分析過程和科學價值已經(jīng)得到了學術界的認可。
我們還需要新的飛船、性能更好的探測儀器乃至宇航員在火星的登陸,才能徹底搞清液態(tài)水在火星表面是否存在的問題。
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