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火星,在科学和狂想之间

2019-1-27 19:02| 投稿: xiaotiger |来自: 互联网


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摘要: 面对火星,人类仿佛来到了又一个大航海时代——死亡的危险与无限的可能共存——面对这样的情况,无所畏惧的野心、不着边际的狂想,或许反而能够到达理性所不及之处。主笔/苗千2015年,美国犹他州“火星沙漠研究基地 ...

面对火星,人类仿佛来到了又一个大航海时代——死亡的危险与无限的可能共存——面对这样的情况,无所畏惧的野心、不着边际的狂想,或许反而能够到达理性所不及之处。

主笔/苗千

2015年,美国犹他州“火星沙漠研究基地”进行舱外活动

在这个拥有数以千亿计恒星的棒旋星系——银河系中,位于星系内侧边缘的一颗名为“太阳”的恒星显得毫不出众。它算是星系中一颗常见的“黄矮星”,这样的恒星大约有100亿年的寿命,燃尽燃料之后,在自身的引力的作用下,它最终会演变为一个白矮星。太阳已经燃烧了大约46亿年,目前正处于生命的中段,热烈而稳定。

对太阳进行更加细致的观察就会发现,在它的引力作用下,围绕着它而形成的天体系统暗藏玄机。有八颗主要行星围绕着太阳运转,其中内侧四颗主要由金属和岩石构成的行星被称为“类地行星”,其中位列第三的蔚蓝色行星的表面主要被液态水所覆盖,同时又被一层致密的大气所包裹;第四行星看上去则与上一颗截然不同——它的表面被红色的沙尘所覆盖,只在极地区域有一些呈白色的干冰,大气层稀疏,却又因为季节变化,会产生剧烈的流动,发生遍布全球的沙尘暴。

围绕着太阳运转的第三和第四行星,它们形成的时间、过程,乃至最初的外貌都颇为相似。但是在随后40多亿年的演化过程中,这两颗行星却走上了截然不同的道路。名为“地球”的第三行星一直保持着致密的大气层和广阔的海洋,凭借其表面温暖湿润的环境孕育出宇宙中最大的奇迹——生命现象。生命在地球上繁衍、进化,直至出现了具有高度智能的人类。

火星的“水手峡谷”绵延4000公里,是迄今在太阳系内发现的最大峡谷

而此时地球上的人类正以好奇又困惑的目光望向名为“火星”的第四行星——是什么原因,让这个可能曾经和地球一样温暖湿润的行星,变成了被红色沙尘所覆盖的干燥荒凉的不毛之地?在40多亿年的历史里,火星是否也曾经如地球一样衍生出生命?火星生命是否与地球生命相似,它们又会在火星上留下什么样的痕迹?人类研究和探索火星,能否更深刻地理解生命的含义和太阳系演化的奥秘?从火星的变迁过程中,人类又能得到怎样的教训?在未来,如果人类文明有机会向整个太阳系,乃至整个宇宙扩张,火星能否成为人类的下一个落脚地和中转站?

人类不仅在利用望远镜从地球上观察火星,各种来自地球的探测器已经飞越了数千万公里的距离到达火星。它们正在火星的轨道和地面上进行各种勘测工作,为地球传回关于另一个行星的数据。随着人类科学的发展,探测火星的意义似乎不言而喻——无论是研究太阳系的演化历史,还是分析行星形成的过程,乃至为人类寻找下一个落脚地,火星都是一个极为重要的研究对象。

但是每当我们在夜空中注视火星,就会明白这颗红色行星对于人类来说还具有远超科学层面的意义,它曾在数千年的时间里给人类带来迷惑,同时也寄托着人类某种深刻的情感,映射出人类内心中最深刻的孤独。

火星在夜空中显得尤为明亮,又有着与众不同的红色,中国古人描述它“莹莹如火”。站在地球上看来,火星的移动轨迹和亮度都让人捉摸不定,它因此得名“荧惑”。因为在冥冥之中感觉到这颗行星与人世间有所关联,中国古人会通过“荧惑”的位置和动态来占卜地面上的吉凶。出于类似的原因,这颗行星在天空中时东时西、时而凝滞不动的轨道也让其他的文明觉得难以捉摸,甚至感到厌恶。在4000年前,古埃及人称火星为“红色之星”(Her Desher),古巴比伦人称它为“死亡之星”,罗马人则沿用了古希腊人的说法,以战神的名字命名火星“Mars”。

那么,对于21世纪的人类来说,火星又意味着什么?人类为什么一定要去火星?可以说目前重要的原因,就是去寻找生命。

2015年4月,美国宇航局发布火星勘测器高分辨率成像设备拍摄的火星表面图像

寻找火星生命

寻找火星生命——不仅是一个科学问题,也是一个会令整个人类社会都为之兴奋的话题——这关系到了人类社会的各个维度:生命的本质是什么?人类是否孤独?生命是否还有更多的可能?但是面对这样一个与地球同源,当前环境却又大不相同的临近行星,人类又该从哪里开始去寻找火星生命的痕迹?

想要在火星寻找生命的痕迹,首先涉及人类如何去理解生命现象本身。问题在于,地球是目前人类已知的宇宙中唯一产生出生命现象的行星。去外星寻找生命,只能从人类对于地球生命的理解出发。生命的存在依赖于各种条件的配合,那么什么才是最关键的因素?从人类对于地球的理解来说,想要证明一个环境能够孕育出生命的标准很高——需要有水,有构成生命的必要元素(比如碳),还要有稳定的能量来源,而且这些条件又需要在同一个地质时期内全部被满足。在一个环境中即使这些条件全都具备,人类科学家也还需要对其具体评估,然后再去界定在特定的条件下会产生出什么类型的生物。

在所有支持生命存在的因素之中,水是最重要的。“跟随水的踪迹”是目前人类行星科学家们寻找地外生命迹象的首要准则。水是生命之源,水可以深刻改变一颗行星的环境,也能够孕育出生命。火星蕴含着大量的水资源,这个结论固然已经被证实,无可置疑。但是火星所储存的水是否能够,或者曾经能够在火星营造出一个适合生命现象产生的环境?再进一步讨论,如果火星在40多亿年的历史中,尤其是在自然环境尚未变得像现在这样恶劣时,曾经产生出类似于地球的生命现象,那么它们又可能在火星留下什么样的痕迹?

研究火星上水的存在形式和变化过程,是理解火星和寻找火星生命的关键。并不是只要有液态水就能够孕育出生命,水资源要新鲜,不能含有太多的盐分。在高盐度的环境中细胞的渗透压过大,无法生存。另外,水的酸度也很重要。虽然在地球上的一些极端环境中,人类发现了可以在酸性环境中生存的生物,但显而易见的是,在相对中性的水中可以出现更多的生命形式,也就有更大的可能演化出复杂的生命体。而且以地球的环境类比,行星的液态水最好是存在于表面,有稳定的水源和水流,比如稳定的湖泊或是河流最适合生命现象的产生和繁衍。

目前人类对于火星的探测显示,在它40多亿年漫长的历史中,或许有几百万年的时间,在表面上曾经存在过由液态水形成的河流。这样的时间长度,相比于几十亿年的行星历史来说虽然只是短短的一瞬,但也有可能就是在这期间衍生出过火星生命。以地球为例,生命现象的存在,除了水分之外,还需要碳、氢、氮、氧、磷和硫等构成生命的必要元素——相比之下,氮元素和碳元素又比较特殊,它们需要存在于土壤之中,却又不能够与土壤中的矿物质结合得太过紧密,让微生物无法采集和利用。这些物质需要能够溶于水中,容易被微生物所吸收——这些条件火星都有可能满足。

2018年12月,欧洲航天局公布的“科罗廖夫环形山”照片

在火星的漫长历史中,是否曾经有过哪怕一段极短的时间,所有出现生命现象的条件都同时得到了满足?这还需要对火星的岩石和土壤进行进一步研究。2008年抵达火星的“凤凰号”(Phoenix)探测器检测到火星土壤略呈碱性,pH值为7.7。火星土壤中含有镁、钠、钾和氯元素,这些都是种植植物所必需的元素,不过在其中也还含有0.6%的高氯酸盐。科学家们相信,在远古时代的火星土壤中,其中的氮元素可能容易被生物所取用,至于其他物质,例如磷元素的情况,还需要进一步探测。如果人类的探测器能够在火星土壤中发现一些相对集中的富含氮元素和磷元素的沉积物,就有相当大的可能说明这些物质曾经可以溶于水,并且可能曾经被火星的微生物所吸收,参与了微生物的新陈代谢过程。

在火星大气层中,尤其是远古时代的火星大气层中含有大量的二氧化碳。在2012年抵达火星的“好奇号”(Curiosity)探测器在火星一个干涸的“湖底”也发现了大量的碳元素。有些生物有可能可以直接通过代谢过程,从二氧化碳中提取碳元素,通过溶解于水中的二氧化碳建设细胞组织。“好奇号”在火星土壤中发现了黄铁矿、磁铁矿和雌黄铁矿,这也可能具有重大的意义,因为这些矿物有可能为一种特殊的生物提供能量来源——这就是目前“好奇号”还在寻找的“化能自养生物”(Chemolithotrophs),这种生物能够通过存在于岩石中的化合物获得生命活动所需的能量。

假如真的曾经存在过与地球生物类似的火星生物,那么经过数十亿年的岁月变迁,加之火星气候发生了巨变,此时登上火星表面的人类探测器,乃至在未来亲自登上火星探索的人类宇航员,应该如何寻找和判断火星生命留下的痕迹?这又涉及了可能存在的火星生命如何保存以及如何改变火星土壤的问题。在这方面,人类需要理解生物降解的过程,推导出古生物的遗迹留存至今的状态,并且以地球作为参照来给出答案。

即使是在地球上,人类也极少能够发现在几十亿年前生命存在过的证据。不同类型的生物生活在不同的环境中,它们在环境中能够留下的生命痕迹也各有不同。在地球前20亿年的历史中,所产生的生命形式几乎都是单细胞生物。如果曾经存在火星生命,有很大可能也是从单细胞生物开始。想要寻找它们在火星存在过的证据,不仅需要这些生物在火星的土壤和岩石中留下足够多的痕迹,还需要这些痕迹能够在数十亿年的时间里没有被宇宙射线所完全摧毁。

由有机物构成的生命体在死亡之后会发生降解,生物的遗迹转化为沉积物,进而转化为岩石。这些物质会一层层地沉积下来,暴露在液体中发生岩化作用,从湿润的糊状逐渐变为坚硬的岩石。而水流一遍遍的冲刷,会带走生物遗迹中的一些化学物质,土壤中生物遗迹的化学成分会发生变化,一些物质会发生氧化,变成气体溢出,有机碳逐渐转化为无机碳。从这个角度来说,火星上丰富的水资源可能反而不利于生物遗迹的保存。

即使没有经历这些复杂的岩化过程,在火星表面的生物遗迹也可能受到宇宙射线的轰击而消失。那么,在火星表面如果曾经存在过生命现象,它们是否还有可能留下清晰的痕迹?来自宇宙射线的轰击不大可能让火星表面的所有有机物分子都完全消失——人类在一些有几十亿年历史的陨石上仍然发现过有机物分子——也就是说,如果在火星表面确实曾经存在一些生物遗留的有机物分子,那么时至今日,仍然可能会有一些遗留的痕迹等待人类去发现。经过科学家计算,在火星地表的有机分子,比如氨基酸,在宇宙射线的辐射之下,每隔6亿5000万年就会只剩下千分之一。以这个比例来计算,就算现在火星的表面还存有一些来自远古火星生命的有机分子,必然也已经所剩无几了。人类想要寻找大量的证据,可能需要深入到火星的地下去。

在2020年七八月份,地球与火星的相对位置合适,届时又将有人类的探测器飞往火星。美国航空航天局(NASA)的“火星2020”(Mars 2020)任务将发射一个火星车,专门用以寻找以往火星生命留下的痕迹,也会同时寻找现存的火星微生物。欧洲空间局(ESA)的“火星探测计划2020”(ExoMars Mission 2020)同样计划在2020年7月发射火星探测器,其中包括一个火星车和一个火星科学平台。欧洲空间局火星探测计划的主要目标也是寻找火星生命的痕迹,它所发射的火星车不仅可以到处游走,还会携带一个钻头,能够钻探到火星地面的两米以下去寻找有机分子的踪迹。

无论人类对于寻找火星生命寄予了怎样的希望,一个必须面对的现实是,人类目前仍然对火星所知甚少,对于火星生命可能的状态和经历,也都只能通过对于地球生命的研究进行类比。也正是因为如此,或许一个发现就有可能改变全局。

“火星快车号”(Mars Express)人造卫星曾经在火星大气中检测到氨的成分,这有可能是来自火星生物,也有可能来自于火星的火山;而火星微量气体任务卫星(ExoMars Trace Gas Orbiter)也曾经在火星的大气中发现些微的甲烷成分,这同样激发了人们关于火星存在着微生物的想象;“好奇号”火星车曾试图分析火星大气中甲烷所含有的同位素,希望以此来判断这些气体是由生物释放还是另有来由,结果显示这些气体源自火星生物的可能性不大,即使来自火星生物,也是在地表以下极深的位置,人类的探测器目前无法触及。

最大的惊奇仍然可能来自于水的启示。“火星快车号”人造卫星从2003年开始就对火星进行地质探测,在卫星上还搭载了一个名为“火星次表面和电离层探测先进雷达”(Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding)的科学仪器,可以对火星地表以下进行勘测。在软件升级之后,经过三年多的探测和分析,科学家们发现在火星南极高原(Planum Australe)区域的冰层之下,很有可能存在有大量的液态水。

根据科学家们2018年7月在《科学》(Science)杂志上发表的论文报告,在这个区域的冰川表面1.5公里以下,可能存在有20公里宽、大约几十厘米深的大量的液态水。人们对于在火星地表之下可能存在有液态水早有怀疑,但这是至今为止人类获得的最为可靠的探测证据。另外考虑到目前雷达还只是对火星的南极高原区域进行勘测就已经有了这样的发现,一旦这个猜测被证实,科学家们就有理由推测,在火星各处都可能在地表以下储存有大量液态水。

这个尚未被确认的发现难以不让人联想到人类在地球的类似经历。直到20世纪下半叶,人类才在地球南极附近的冰面下发现了世界最大的淡水湖之一——沃斯托克湖(Lake Vostok)。这个230公里长、50公里宽、800米深的淡水湖被深埋在大约3.7公里的冰面之下。在人类发现它之前,这个淡水湖已经与世隔绝了至少1500万年的时间。在这种没有阳光照射,温度低于0摄氏度的极端恶劣的条件下,科学家们仍然从湖水中发现了众多微生物的痕迹。

在火星的地表以下,是否真的存在含水量巨大的火星湖或是地下海洋?在这样的环境中固然可以免受宇宙射线的袭击,但水的含盐量会不会太高?如果人类真的有机会探测到火星的地下湖,是否会发现一个全新的世界?这些疑问,需要未来一代又一代的火星探测器,乃至亲自探访火星的人类宇航员给出答案。

2017年5月30日,美国国家航空航天局发布了新款火星车的概念图片

探索火星之梦

“因为它就在那儿。”——当被问到究竟为什么一定要攀登珠穆朗玛峰时,乔治·马洛里(George Mallory)这样回答。这位英国探险家最终于1924年,在攀登珠峰的过程中与同伴安德鲁·欧文(Andrew Irving)一同遇难。而关于在遇难之前他们究竟有没有实现毕生的理想,成功登顶珠峰,人们已经为之争论了将近100年的时间,至今仍然没有答案。

“因为它就在那儿。”在这句简单的回答中蕴含着人类最强烈的激情。这种激情不是为名利所驱动,也不会被困难和危险所阻挠。因为看见而渴望到达和征服,是人类作为智慧生命所独有的情感,这种情感驱动着人类走遍地球,又把目光投向宇宙。渴望踏上火星,探索火星,这样的梦想不仅仅是为了科学的进步,它基于科学和理性,又超越了科学和理性,其中还包含着一种人类与生俱来的崇高。

在人类数千年的文明史中,绝大多数的时间里,火星和夜空中其他的星辰一样,都只是属于遥不可及的另一个世界。站在地面上的人注视着火星的移动和亮度变化,希望能够以此预知人世间的吉凶祸福。人类在4000多年前就已经有了观测火星的记载。在距今3600多年前的古埃及第二十八朝新王国时期,因为观察到火星移动轨迹的来回往复,因此当时的古埃及人称火星为“平线上的荷鲁斯”(Horus of the Horizon),中国也早在周朝和秦朝时期就有观测火星的记录。时至公元前4世纪,因为观察到月亮遮掩住了火星,古希腊哲学家亚里士多德判断,火星在天空中的高度更高于月亮。

1972年,在莫斯科举行的苏联经济成果展上展出与“火星3号”探测器同等大小的模型

尽管现代人很难想象站在地球表面,通过肉眼进行观测就能取得开创性的天文学发现,实际上,在望远镜被发明之前,人类就是通过肉眼观测包括火星在内的天体,获得了开创性的发现,进而促进了科学的发展。在16世纪下半叶,丹麦天文学家第谷·布拉赫(Tycho Brahe)正是在汶岛的观象台上,花费了20年的时间用肉眼观测天体运行的轨迹,记下了大量的笔记。这些笔记之后被他的助手约翰尼斯·开普勒(Johannes Kepler)详细研究,终于在历史上第一次计算出火星运转的椭圆形轨道,并最终得出了“开普勒三定律”——这个伟大的发现在某种程度上也启发了牛顿建立经典力学。

而第一个利用望远镜观测火星的人很有可能是意大利物理学家伽利略。1609年,正在威尼斯访问的伽利略受到荷兰眼镜商的启发,亲手制造了人类第一台天文望远镜。伽利略利用自制的望远镜观察了太阳系包括火星在内的诸多天体。随着人类制造望远镜技术的不断改进,人类对这颗红色行星的了解越来越多,观测到了火星极地区域的冰盖,又开始测量一个火星日的时长和它与地球的距离。在1698年,荷兰天文学家克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens)甚至就出版了一本讨论在火星上是否存在生命的专著。

在17世纪探讨火星生命存在的可能,于现代人看来可能为时过早,难免充满错误和主观臆测。时至18世纪,英国天文学家威廉·赫歇尔(William Herschel)在英国皇家学会上关于火星的发言则大多是基于实际观测和理性判断,他认为在火星表面可能存在着大气层,而通过观察发现的火星某些区域的明暗变化,很有可能是由大气层中的云和水蒸气造成的,因此火星生命与地球生命的生存环境可能比较相似。

时至19世纪,意大利天文学家乔瓦尼·斯基亚帕雷利(Giovanni Schiaparelli)在1877年根据观测绘制了第一幅关于火星表面的详细地图,在这幅地图上有些类似“沟渠”的形态,这引发了人类关于火星生命的更加丰富和长久的联想。美国天文学家阿萨夫·霍尔(Asaph Hall)则在同一年发现了火星的两颗天然卫星。

2006年12月4日,美国“凤凰号”火星探测器在一个热真空容器中进行模拟火星登陆环境的测试

人类对于火星的理解越来越深,但直到20世纪初期,想要发射探测器到火星进行直接的观测,仍然还只是一个不切实际的梦想。从发现这个天空中令人捉摸不定的红色天体,到研究它的轨道周期,判断它的自然环境,直至发送探测器抵达火星,人类花费了几千年的时间。

人类真正开始不计代价发射火星探测器,是在冷战的阴影和刺激之下开始的。从20世纪60年代初开始,苏联一连发射了5个火星探测器,全部失败;美国航空航天局在1964年11月发射了“水手3号”(Mariner 3)火星探测器希望能够飞临火星,同样收获了失败。人类探测器第一次成功的火星探测,是与“水手3号”一同发射的“水手4号”火星探测器。它在飞临火星的过程中,距离火星最近时只有9846公里。探测器趁机拍摄了火星表面的照片并传送回地球,这是人类第一次亲眼看到另一颗行星表面的照片——这种遍布陨石坑,荒芜、死寂的景象让很多人对于火星的美好幻想破灭,却也开启了一个全新的时代。

进入到20世纪70年代,在1971年11月到达火星轨道的“水手9号”探测器拍摄到了让人吃惊的火星照片,人类第一次见识到了波及全球的火星沙尘暴。紧随其后,苏联的“火星2号”探测器也到达火星轨道,但是与之相伴的“火星2号”着陆器却坠毁在了火星表面。美国航空航天局在1975年发射了“维京1号”(Viking 1)和“维京2号”(Viking 2)。它们由火星轨道探测器和火星着陆器组成,并且都按计划完成了任务,其中“维京1号”和“维京2号”着陆器分别在火星表面工作了2245和1281个火星日。

虽然美苏之间是在冷战的阴影之下,出于大国竞争的目的而不计代价地发射探测器前往火星,客观来说,在这样的竞争状态下,人类的探测器第一次抵达另外一颗对于人类意义重大的行星,并在人类文明史上留下了浓墨重彩的一笔。

在冷战结束之后,人类对于火星的探测并没有停止,越来越多的探测器飞向火星,各司其职,为人类收集关于火星的各种信息。人类对火星了解得越多,产生的疑问也就越多——地球和火星同属太阳系的行星,为什么差别如此之大?决定行星命运的因素有哪些?在火星中又隐藏着关于太阳系的哪些秘密?

2006年12月4日,美国“凤凰号”火星探测器在一个热真空容器中进行模拟火星登陆环境的测试

蓝色星球的红色兄弟

尽管人们对于恒星和星系的形成原因和过程仍有争论,但目前的主流理论认为,在大约46亿年前,在如今太阳系的区域还只存在着大量的气体和灰尘颗粒在宇宙中打转。在一个时机,这些气体和灰尘颗粒受到了某种扰动——或许是受到了附近超新星爆发的影响,于是它们开始在引力的作用下聚集起来。在中心区域,主要由氢气聚集形成太阳,这个巨大的新诞生的恒星占据了整个太阳系99.86%的质量。而在太阳的周围,剩余的一些灰尘、气体和冰聚集挤压在一起,又形成了一个个由融化的金属作为内核、具有地幔和地壳结构的类地行星。

如果进行类比,在太阳系的行星系统中,地球和火星就如同是一对在幼年时处处相似,但是之后的境遇却又完全不同的兄弟(火星形成的时间可能稍早于地球)。相比之下,火星距离太阳更远,是地球与太阳距离的1.52倍,接收到的阳光是地球的43%。即便如此,火星在形成初期的地表状况很可能与地球类似。在形成初期火星同样有活跃的火山活动,喷发出的气体成分可能也与地球类似,这让火星拥有了足以保持其表面液态水资源的致密的大气层。

火星与地球在组成结构上也颇为相似。这两颗行星都拥有一个炽热的、由融化的金属所构成的内核,又因为这些金属在内核的流动产生出全球性的磁场;内核之外,两颗星球都具有地幔和地壳结构,都拥有活跃的火山活动,在表面同样都覆盖了大量的液态水,致密的大气层又可以保持水分不至蒸发流失到宇宙空间之中。

美国国家航空航天局发生的“维京1号”火星探测器在1978年于火星轨道上拍摄的“奥林帕斯火山”

在太阳系所有的行星中,火星的季节也与地球最为近似,这是因为两颗行星公转的倾角相似,而火星公转的周期大约是地球两倍——一个火星日和一个地球日的时长大约相同,但一个火星年却大约相当于两个地球年,火星季节的长度也大约是地球两倍。火星的表面温度低于地球,在冬天时最低可以达到零下135摄氏度,而在夏天时赤道温度最高可以达到35摄氏度。

火星和水星、金星、地球几个太阳系内侧的类地行星一样,表面被火山喷发,大气层中的灰尘,还有来自太阳系内部其他天体的撞击等因素共同塑造。在太阳系形成的初期,距离现在41亿至38亿年前的一段时间,也就是所谓的“后期重轰炸期”(late heavy bombardment),火星与其他几颗太阳系内侧的天体一同经历了众多陨石和小行星的轰击。来自太空的撞击在火星表面上留下了众多的陨石坑,也因此形成了巨大的平原——这看上去如同火星的累累疤痕,但人们也可以由此判断火星表面各个区域的形成时间。

火星的阿尔西亚火山(Arsia Mons)在活跃时期曾经每隔100万年到300万年就会发生一次猛烈的爆发,喷射出大量的岩浆,但是它距今最近的一次喷发也是在5000万年之前了,从此之后,火星的火山活动逐渐平静——那正是地球上的恐龙大规模灭绝之际。人类虽然还没有观测到过火星火山的爆发,但是探测显示,在距今10万年前在火星依然还有火山活动,一切尚未完全归于沉寂。

如今,太阳系内的第三行星依然蔚蓝,但第四行星已经成为一颗被荒漠覆盖的红色星球。与地球表面被大气层包裹之下呈现出海洋的蔚蓝色不同,火星的红色来自于其表面土壤中所含有的大量氧化铁成分,使它在地球的夜空中清晰可辨。只是在人类几千年的历史中,绝大多数曾经仰望星空凝视过火星的人,都不会想到他们的眼中所见,与自己身处之地,是两颗在形成初期环境极其相似的行星。它们在之后的几十亿年里分道扬镳,以至于通过相对的颜色就能够彰显出彼此迥然相反的命运。

形成初期的火星是什么样貌?类似于推测形成初期的地球环境,人们只能通过蛛丝马迹来进行猜测和还原。火星与地球在形成初期的众多相似之处中,最为关键的就在于两颗行星都是被致密的大气层所包裹,在表面存在液态水。在40多亿年前,地球大气层中富含由火山喷发而出的甲烷、氨气、氢气,还有一部分未溶于水的二氧化碳、二氧化硫等。而后经过地球微生物数十亿年的转换,现在地球大气层主要含有氮气、氧气、二氧化碳和水蒸气等成分。火星的原始大气或许和地球原始大气的成分类似,而目前在火星稀薄的大气层中包含了96%的二氧化碳、1.93%的氩气、1.89%的氮气、少量的氧气,还有富含氧化铁的大量灰尘悬浮其中,这使得在火星表面从远处看去呈现出黄褐色,在沙尘暴的天气里,大气还会呈现出一点粉色。

席卷火星表面的全球性沙尘暴

因为在表面曾经有液态水的存在,加上其他的种种因素,塑造出了火星表面丰富的地貌。火星表面并不平坦,火星表面长近4000公里,最深处达到7公里的水手峡谷(Valles Marineris)是太阳系内最深的峡谷;而外表为盾状的火星火山奥林帕斯(Olympus Mons)直径达到600多公里,高25公里,是太阳系内最大的火山。而火星表面一些看似样式统一的沟渠,非常可能是在火星表面由冰所融化的液态水进行冲刷的结果。有些沟渠上陨石坑的痕迹极少,说明这可能是在最近几百万年的时间里形成的(也有人怀疑这些沟渠是由火星表面的液态二氧化碳和全球性的沙尘暴所共同塑造)。

美国航空航天局发射了数个火星着陆器和探测器到达火星表面进行实地探测,分析火星土壤的成分。在2004年,“机遇号”(Opportunity)探测器在火星土壤中发现了黄钾铁矾成分,形成这种物质需要酸性水的参与;它在2011年又发现了石膏,这同样需要水的参与——种种迹象表明,在火星土壤的浅层以下极有可能曾经存在着很多暗流,这些暗流在火星的夏季流淌,它们不仅塑造了火星的地貌,也决定了火星土壤的成分。

人们相信,理解了在火星上水的历史,就能够理解火星气候的历史,进而理解行星,乃至整个太阳系演化过程。人们发现在大约35亿年前,火星曾经经历了太阳系内最大的洪水。这些水从哪里来,又持续了多久?实际上,火星目前仍然蕴含着大量的水资源,但是其中绝大部分都是以冰的形式存在。在火星的两极区域覆盖着巨大的白色冰盖,其中有大量的固态二氧化碳,同样也蕴含着大量的水资源。

在2018年11月登陆的“洞察号”火星探测器效果图

火星的土壤里也储存有大量的冰。“凤凰号”探测器在它的降落地点就曾经探测到水的存在,而“好奇号”探测器通过自身所携带的火星样本分析设备(Sample Analysis at Mars)也在火星土壤中检测到了水的存在。科学家们估计,在火星表层,每立方米的土壤中可能含有超过30升水,这些火星水资源足够供未来到达火星建立科学基地或是永久居住地的人类取用。

另一方面,火星曾经拥有的大量水资源确实已经流失,以水蒸气的方式进入到太空中。火星水资源流失最重要的原因正在于火星逐渐失去了自身致密的大气层,这使得火星无法维持自身的表面温度和大气压,液态水不复存在,地表的样貌和状态也逐渐发生了根本性的转变,成为一颗看上去光秃秃的红色星球。

是什么原因让火星失去了它的大气层?地球又是怎样保全了自身的大气层?可能正是两颗行星极其细微的差别,决定了它们各自不同的命运。

美国国家航空航天局的两位工程师在位于加州帕萨迪纳的喷气推进实验室测量火星着陆器的“工作空间”

消失的磁场

火星的直径只有地球一半左右,体积大约为地球的15%。火星的密度也略小于地球,因此其质量大约只有地球的11%,表面引力自然不及地球,大约是地球表面引力的38%。因为引力作用较弱,火星的大气层厚度达到11.1公里,相较于地球8公里的大气层更厚,但是其温度更低,平均分子量更低。论起密度,火星大气层远远不如地球大气层致密,无法起到调节温度和保护行星表面水资源的作用。

目前火星的大气层非常稀疏(这让人类的火星探测器在降落到火星地面时难度极大),火星的地表气压还不到地球的1%。火星作为太阳系内第二小的行星,引力作用相对微弱,因而无法拥有一个致密的大气层。但进一步的研究显示,与地球引力的差距可能并不是使火星最终失去其大部分大气的主要原因。火星早期的大气层可能远比现在的大气层更加致密,而其发生变化的根本原因在于火星大气层与太阳风(solar wind)的直接作用。

所谓“太阳风”,指的是从太阳外层射出的高能带电粒子流。太阳风的速度可以达到每小时160万公里,吹向整个太阳系。太阳风的高能粒子到达火星,可以与火星大气层中的粒子发生相互作用,使火星大气层中的粒子获得巨大的能量,因而不再受到火星引力的制约。美国航空航天局发射的“火星大气与挥发物演化任务”(Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission,MAVEN)探测器于2014年到达火星轨道,探测火星的大气状况。这个探测器直接观测到了火星大气与太阳风相互作用的过程。这些来自太阳的高能粒子使火星大气层顶端的粒子获得了巨大的能量,从而得以离开火星,最终离开太阳系。

直接观测到火星大气与太阳风的相互作用,对于理解火星的历史,乃至于理解地球的发展过程都有重要的作用,也有助于人们预测火星的未来。根据MAVEN探测器的观测数据进行计算,科学家估计火星大气层每秒钟大约会失去100克的分子飞向太空。在这些损失中包含氧气、二氧化碳和氢气,都是构成生命的重要物质。而在太阳系形成初期,太阳风的强度远高于现在,因此火星失去大气分子的速度会更高于现在。正是数十亿年来不断受到太阳风的侵扰,让火星失去了最外层,也是最重要的大气保护,让火星地面上的大部分水分以水蒸气的形式进入了太空。通过对于火星大气层的直接探测,科学家们也得知,目前火星稀疏的大气层仍然足以抵挡太阳风的高能带电粒子直接袭击到火星地面——这对于志在送宇航员亲自到火星进行探索,乃至建立永久的火星基地的人类来说算是一件好事。

太阳风在极大程度上摧毁了火星的大气层,让火星环境发生了根本性的变化,这样的悲剧会不会同样发生在地球上?

起码在目前看来,人类还无需为此担心。从根本上来说,地球之所以在几十亿年的时间里一直生机盎然,保有致密的大气层不至于受到太阳风的袭击,是因为地球的地核区域主要是由高压下的液态金属构成。地核中液态金属的流动形成了一个全球性的磁场,这个由强大磁场所覆盖的区域被称为磁层(magnetosphere)。地球磁层有如一个强大的保护盾,让地球大气层顶端的气体分子不必直接与太阳风中的高能粒子发生相互作用,因此地球大气层中分子的流失速度远远不及火星大气层,也就使得地球在几十亿年的时间里,始终被致密的大气层所包裹,从而调节地面温度,保护地球的水资源。只要地球的内核不冷却,地球的全球性磁场不消失,人类就不会失去强大的磁层,也就不必担心失去地球大气层。

从这个结果反推,也就可以想象,在火星形成的初期,它的自然环境可能与地球类似,适合生命的存在。科学家们推测,在大约43亿年前,火星曾经拥有过全球性的海洋,其水量可能比地球北冰洋的水量更大,结果随着火星大气层的逐渐衰弱,火星海洋中的大部分水分都逐渐化为水蒸气,消失在了太空之中。

那么,火星是否也曾经像地球一样,拥有一个全球性的磁场?根据探测,现在的火星虽然没有全球性的磁场,但是火星地壳的一部分区域却被磁化了。这说明在之前,火星拥有一个全球性的磁场,并且磁场曾经发生过磁极变换。很有可能的情况是,火星在大约40亿年前就失去了全球性磁场的保护。火星究竟是怎样失去了自身的全球性磁场,目前人类还没有确切的答案。这有可能是由于小行星的撞击,也有科学家怀疑是因为火星的内核不再像地核一样充满融化的金属,而是逐渐冷却,失去了流动性,导致了全球性磁场的消失。

目前人类对于火星的内部结构还不大了解。我们已经知道的是,铁和镍等金属元素,还有一些硫元素构成了直径达到1800公里的火星核心部分,火星的地幔部分富含硅和氧元素,而其地壳部分的平均厚度达到50公里,最厚的地方可以达到125公里——相比之下地球地壳的平均厚度只有40公里。还有很多疑问有待解答:在火星的内核中所储藏的,究竟是处于液态的金属,还是已经逐渐冷却的固态金属?火星是否与地球相似,也存在板块运动,使整个行星所蕴藏的资源得以循环,从而促进生命现象的产生和繁衍?还是相对静止,不存在板块之间的剧烈碰撞?

人类对于火星内部结构的探寻正在进行中。美国航空航天局的火星探测器“洞察号”(InSight)在2018年11月顺利登陆火星,它携带了一个极为精密的地震仪,用以探测和收集火星的地震波,这是人类理解火星内部构造最直接也是最准确的方式。与探测地球的方法类似,想要理解一颗行星的内部构造,目前最准确的方法就是去倾听它的内心,通过收集来自其内部、贯穿了整个行星的地震波来理解整个星球的结构。

火星的内核目前处于什么状态,它是否有类似于地球的板块活动,是否还会有活跃的火山活动?在一个火星年的时间里,这些是“洞察号”所要解决的最重要的问题。在2018年11月经历了一次堪称惊险的火星登陆之后,“洞察号”已经开始在火星表面布置各种科学仪器。它把高精度的地震仪放置在火星表面,又在上面罩上一个半圆形的铜盖,保护地震仪不会受到周围火星大气运动的影响。目前,这个全名为“内部结构地震实验”(The Seismic Experiment for Interior Structure)的地震仪已经开始初步收集火星的地震波信号。

除了地震仪之外,一个名为“自转与内部结构实验”(The Rotation and Interior Structure Experiment)的科学设备也将通过精确测量火星的自转来探测其内部结构。在2019年1月下旬,“洞察号”将开始布置另一个科学仪器,这是一个名为“热流与物理性质包”(The Heat Flow and Physical Properties Package)的热感应探针,它将从火星的地表向下钻探一个深达5米的洞,通过探针探测火星表层土壤的温度变化,以此研究在火星内部热量传递的途径,从另一个方面来理解火星的构造。

科学与狂想的交汇之地

对于这个距离地球最近5460万公里,最远4.01亿公里,平均距离为2.25亿公里的邻近行星,人类已经发射了多个着陆器、火星车或是人造卫星前去考察。它们有的在火星轨道上工作,有的在火星的地表进行研究,有的则在火星的表面漫游。目前就有“2001火星奥德赛号”、“火星快车号”、火星侦察轨道卫星、火星大气与挥发物演化任务、火星轨道探测器和火星微量气体任务卫星等八颗人造卫星在火星轨道上进行探测,还有“好奇号”火星车和“洞察号”探测器在火星的表面进行实地探测。“机遇号”火星车曾经遭遇火星表面的沙尘暴,因为缺少电力进入了休眠状态,但地球上的工作人员仍然盼望着有朝一日它能够苏醒。

这些成就固然伟大,但对于火星,人类还有一个雄心壮志尚未实现,那就是让人类的宇航员从地球出发,飞跃数千万公里的茫茫宇宙,踏足火星,跨出人类文明史上的又一大步。人类什么时候才能登上火星,什么时候才能像电影中的场景一样,在火星建立基地、开拓人类的另一个家园?人类有没有可能去开采火星的矿物,实现在地球与火星之间的星际贸易?这些关于火星的想象,不仅仅是科学问题,也有关人类的狂想和野心。面对火星,人类仿佛来到了又一个大航海时代——死亡的危险与无限的可能共存。面对这样的情况,无所畏惧的野心、不着边际的狂想,或许反而能够到达理性所不及之处。

关于火星探测,美国航空航天局几十年来按部就班,依照既定计划一步步实现目标。在发射了火星卫星和探测器之后,目前他们正为在21世纪30年代把人类宇航员送上火星做准备。人类从地球到火星,需要一整套可靠的生命支持系统,火星表面大气稀薄,宇宙飞船减速降落需要消耗大量的能量,其困难程度远远超过发射无人火星探测器。在茫茫太空中九个月的旅行,远离地球家园,这对于宇航员来说也是一个极大的心理考验。考虑到这些因素,科学家和工程师们都需要格外谨慎。

而另一方面,太空探索技术公司(SpaceX)探索火星的计划远远走在了美国航空航天局的前面,公司CEO埃隆·马斯克(Elon Musk)更是时常有惊人之语。马斯克曾经放出豪言,要在本世纪内把100万人送上火星,建立人类的火星基地乃至永久定居的火星城市。考虑到人类现有的技术以及探测火星的成果,这样的话无异于痴人说梦。但是作为世界知名的创业家,马斯克确实也时常获得出人意料的成功——他这种无所畏惧去探索火星的狂热态度,也有可能在令人意想不到的方面取得突破。

2019年1月初,马斯克在自己的“推特”账号上展示了一个名为“星船”(Satrship)的飞行器,以取代此前计划中用以飞往火星的“大猎鹰火箭”(Big Falcon Rocket)。从大猎鹰火箭到星船,飞行器从外形到材质都要大改,这难免会耽搁时间,也会让旁观者觉得太空探索技术公司飞往火星的准备尚不充分。但星船并非只是一个概念空壳——用以测试的星船已经组装完毕,进入实验阶段——这又足以让人感受到马斯克一往无前的决心。尽管就连马斯克自己后来也承认,人类想要在火星建立永久性的基地起码还需要100年的时间,但是他依然坚信自己的太空探索技术公司在21世纪20年代就能够把人类宇航员送上火星。在被问到他自己是否也准备登上火星时,他给出了一个概率性的回答:可能性为70%。

对一颗充满未知的行星进行开创性的探索,究竟是以一国政府之力,按部就班、循序渐进为好,还是由经常出人意料的私人公司进行大胆的尝试更可能取得成功?只有时间才能给我们答案。

如果我们把目光放得更为长远,在更遥远的未来,人类是否可能在火星建设家园,又是否能在火星上获得财富?人类想要在未来移民火星,就需要能够在火星上创造出类似于地球的自然环境——这是否可能,目前还有很大的争议。

有没有可能再造火星的大气层?在接受访问时,马斯克曾经有过惊人之语,他认为再造火星大气层最为快捷的方式就是让火星的表面大幅升温,使火星极地区域储藏的固态二氧化碳转变为气态,让火星大气层迅速充盈起来——想要达到这个目的,最直接的方法莫过于在火星的极地区域投下核弹,利用核弹的高温加热火星表面,进而重建火星的大气层。

如果不采用过于极端的手段,不过于急于求成,根据研究显示,人类确实有逐渐改变火星环境的可能,也许可以先从让火星拥有一个磁层开始。现在人类已经有了微型人造磁层的研究用以保护宇航员和太空船,在理论上,人类也有可能制造出一个人造磁层覆盖火星,使之免受太阳风的攻击。美国航空航天局的科学家通过电脑模拟显示,在人造磁层的保护下,火星大气层的气压会逐渐升高,火星地表所储存的固态二氧化碳进入到大气层中,产生温室效应,然后进一步提升火星的表面温度,最终使火星表面的水冰融化,可能营造出一个可以让人类生存的环境。如果能够实现这一目标,那么或许在遥远的未来,人类就可以将一个寒冷的遍布着酸性物质的不毛之地,转变为一个温暖的适合人类居住的环境。

甚至还有人想象,引导太阳系中的小天体去撞击火星,以此升高火星的表面温度——就算这个计划有实施的可能,也会需要数以千计的撞击才能实现有效的升温,那时火星的表面必将千疮百孔。无论是核弹的狂想,还是电脑模拟,在人类尚未踏上火星的时候就考虑在火星永久生活乃至大规模移民火星的问题,都还显得太过遥远而不切实际。

考虑到人类当前的技术水平,夜空中的火星显得过于遥远,人类目前对于火星的渴望,大多仍然是介于科学与幻想之间。那么,如果我们以更为实际的眼光打量火星,自然就会发问,在火星上有什么资源?人类能否通过火星创造财富?

火星遍布的火山地貌,类似于地球上的大型火成岩区域(Large Igneous Provinces),在这样的区域曾经有大量的岩浆涌出地面,其中会含有大量的金属元素如镍、铜、钛、铁、铂、钯和铬。除了火成岩区域,在火星表面的陨石坑附近,因为陨石的撞击,也会让一些地壳深层的矿物暴露出来。随着被撞击区域水分的融化和蒸发,岩石中的一些成分会被过滤出来,凝结成块。在地球一些类似的区域,人类就发现了一些珍贵的稀有金属。如果与地球的情况类似,目前在火星盖尔火山口附近探索的“好奇号”就有可能探测到火星上蕴含的各种稀有矿物。

与大多数科幻电影中的情节相反,如果我们从商业的角度去衡量火星,恐怕在这颗红色星球上并没有太多引人注目之处。无论是贵重金属还是稀有的矿物,考虑到堪称天价的运输费用,目前看上去都不值得人类往返宇宙间数亿公里的距离去开采和运输。马斯克也说过,想要通过火星赚钱,大概只能寄希望于在研究过程中的突破,通过知识产权来致富了。

无论多么遥远,火星都是太阳系内最适合人类探索和移民的行星,因为它最有让人类在上面实现自给自足的潜力——虽然那可能需要上百万的人口来支撑。在此之前,火星基地仍然会需要地球的支援。可以想见,如果人类在未来真的有能力在火星建立研究基地,乃至移民部落,火星上蕴含的资源都将为人所用。火星土壤中丰富的黏土可以用以制造陶器和瓷器,而大量的二氧化硅可以用以制造玻璃纤维,各种金属材料可以用来制造房屋和工具,再通过核反应堆和太阳能面板获得能量。

在人类数千年的历史中,火星在大多的时间里都只是夜空中一颗明亮且遥不可及的星星,只有当人类借助科学的力量放眼宇宙,才明白火星是地球的兄弟和近邻。在几十亿年的时间里,一颗蔚蓝,一颗火红。通过研究火星,人类会更能理解生命的出现是真正的奇迹,而生命又是如此脆弱。

(本文写作参考了美国航空航天局网站、欧洲空间局网站以及相关科学媒体的报道)


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