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用另一种方式“洞察”火星

2017-09-14 11:02 来源:科技日报 刘海英

  NASA

  NASA

  记得《火星叔叔马丁》么?神奇的马丁叔叔总让当时年少的我们痴狂,而那颗遥远的红色星球,则吸引着众多科学家以及天文爱好者无比赤诚的目光。

  几十年来,我们人类对火星的探索从未间断。“勇气”号、“机遇”号、“凤凰”号、“好奇”号等探测器已经登陆火星。但一直以来,人类对火星的探索都“浮于表面”。对火山、峡谷、岩石、土壤这些火星地表特征的种种研究,让我们对火星有了初步的了解。美国国家航空航天局(NASA)近日宣布,“洞察”号将加入探索火星的队伍 。这个“新进小子”将走一条不同于“前辈”的探索之路:它将深入探查火星内部,让科学家通过火星,了解太阳系中包括地球在内的类地行星的起源与演化过程。

  探查火星内部

  揭示类地行星演化之谜

  “洞察力”(InSight)是个很贴切的名称,非常适合星际探索的头衔,也和NASA此次任务的主要内容契合。实际上,InSight是“利用地震调查、测地学和热传输进行内部探查”的英文首字母缩写,它不仅仅是一个火星任务,其中也隐含着NASA了解地球起源与演化秘密的期许。在NASA眼中,火星就如同一块他山之石,科学家们希望通过对其内部深层结构的探测,来解决太阳系行星科学中的一个基本问题——40多亿年前,太阳系内的类地行星是如何形成的?

  一般来说,类地行星的形成是从一种叫做“吸积”的过程开始的。初始核心不断地捕获、吞吃周围物质,随着体积的增加,内部温度会逐渐升高并融化,而后随着冷却和再结晶,逐渐演变成我们今天所知的包含地核、地幔和地壳的类地行星。虽然所有的类地行星都有类似的结构,但它们绝非完全一样,没有统一模板,每一颗类地行星都经过一个被称为“分化”的过程,才变成它们目前的样子。而对这一过程,科学家们知之甚少。“洞察力”任务的主要目标,就是探查火星内部深层结构,了解行星的“分化”之谜,以揭示太阳系内类地行星的演化过程。

  此外,通过对火星上的构造活动和陨石撞击进行深入研究,为了解地球上的类似活动提供线索,也是“洞察力”任务的目标之一。

  为什么是火星

  因为它有一个“好身材”

  太阳系有八大行星,和地球相似的兄弟也不止火星一个,水星、金星也都是类地行星。NASA为什么要选择通过火星来了解类地行星的演化过程?或许原因不止一个,但“洞察力”任务项目首席科学家,NASA喷气推进实验室的布鲁斯·班尼特的看法绝对是最权威的。他指出,选择火星,是因为它有一个“好身材”。“火星不大不小,正合适”,班尼特这样表述。

  火星有多大?直径6794千米,大约是地球直径的一半。这个体量,正是NASA科学家眼中的“完美身材”。

  首先,它足够大,足以支撑其进行早期的内部加热和分化过程,进而形成类地行星。可以说,对火星演化的理解基本上可适用于水星、金星和地球。同时,它又足够小,导致其地质活动远没有地球、金星活跃,因而能够在经过40多亿年的漫长时间后仍保留着演化印迹。虽然水星比火星还小,可能会有类地行星早期形成过程的证据,但它离地球太远而又离太阳太近了,以如今人类掌握的科技水平登陆水星,想都不要想,更遑论对其内部进行探查了。

  正因有着一个“好身材”,火星才成为科学家了解类地行星演化过程的最佳目标。火星地壳的厚度和分层、地幔的密度和层理、地核的大小和密度、热量从内部散逸的速率等信息,蕴含着太阳系中类地行星形成过程的最深入、最准确的记录。它就如同一本“历史书”,内含诸多的“秘闻、真相”,需要科学家们一点儿一点儿地挖掘。

  六个调查项目

  倚仗两大研究利器

  “洞察”火星,需要看到哪些景象,才能完成揭示太阳系内类地行星演化过程、寻找地球构造活动及陨石撞击线索这两大任务?

  NASA为“洞察”号设定了6个调查项目,希望通过这些调查,一窥火星内部深层结构的奥秘。这6个调查项目分别是:确定火星地核的大小、组成和物理状态;确定火星地壳的厚度和结构;确定火星地幔的组成和结构;确定火星内部的热态;测量火星内部地震活动的幅度、速率和地理分布;测量火星表面的陨石撞击率。

  而这6个调查项目的完成,则要倚仗“洞察”号荷载的两台精密仪器——地震仪(SEIS)和热流探头(HP3)。

  按照NASA的计划,“洞察”号探测器将在2018年11月26日登陆火星,在火星赤道附近着陆后,将这两个仪器永久放置在火星上。

  此外,NASA喷气推进实验室还将进行一项自转和内部结构实验(RISE),科学家们将利用火星与地球之间的无线电传输来评估火星绕轴自转产生的扰动,该实验将为研究火星内核大小提供线索。

  科学家们希望,他们能通过这些先进的仪器探测到火星的各种“生命迹象”:通过SEIS探测它的“脉搏”,通过HP3测量它的“体温”,通过RISE观察它的“条件反射”。这些“生命迹象”,既是火星亿万年的成长记录,也是揭开太阳系内类地行星演化之谜的钥匙。

  明年5月5日后5周内的某一天,“洞察”号将从美国加州中部的范登堡空军基地升空,并于感恩节后的第一个星期一登录火星,随后开始对火星“诊脉测温”。NASA预计,在所有仪器部署完成后,科学家在一个火星年(687天,相当于1.88个地球年)内将获得超过29Gb的数据。届时,人类对火星的探索有望迈向一个新高度。

  相关链接

  地震仪,全称为内部结构地震实验装置(SEIS),由法国国家太空研究中心、巴黎地球物理研究所、瑞士联邦理工学院、德国马克·普朗克研究所、英国帝国理工学院和NASA喷气推进实验室联合打造,其灵敏度“令人发指”,足以探测到不足氢原子直径一半的地层移动。SEIS将记录火星地震或陨石撞击产生的地震波,向科学家提供火星地层内部的相关信息。

  热流探头,全称为热流与物理性能包(HP3),由德国航空航天中心提供。它要比以前火星车上的小铲子等工具厉害得多,能够深入火星地表以下10英尺(3米)甚至更深处,对来自火星内部的能量进行测量。

(责任编辑:王蔚)

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