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美国毅力号将抵达火星,火星生命搜寻掀开新篇章

在2020年夏天的火星探测器窗口期,一场史无前例的火星竞赛开始了。截至目前为止,阿联酋“希望号”和我国“天问一号”均已进入火星轨道,前者不会在火星着陆, “天问一号”则将在今年5月尝试登陆。而美国耗资27亿美元的火星探测任务“毅力号”将先拔头筹,即将登陆火星,开启火星生命搜寻之旅。
 
撰文 | 瞿立建
 
太平洋时间2月18日上午11时15分,美国“毅力号(Perseverance)”火星车将在火星登陆。毅力号携带七种科学仪器,主要目标是研究火星上一个叫耶泽罗(Jezero)陨石坑的地方。这个目标听着平淡无奇,其实隐含着一个令人神往的目标——寻找生命。
美国“毅力号”火星车艺术图
 
火星上找生命,靠谱吗?
 
非常靠谱!
 
地球上最早的生命产生于45亿至35亿年前间,与大致同一时期的火星——41亿至37亿年前——有相似的自然环境,都有厚厚的大气层,表面都有湖泊、河流、海洋。地球上能有生命,当时的火星上当然很可能也有生命。
 
但之后,地球上生命越来越繁盛,而火星却到处火山喷发,使温暖、湿润的火星逐渐变成一个干燥、寒冷的地方,没有一点生机。
 
然而,有个问题仍待回答:火星上是否曾有过生命?如果有的话,即使数量微乎其微,会留下某种遗迹吗?
 
要回答这个问题,得去火星实地看看。美国的毅力号火星车就承担着这样的使命。
 
火星那么大,毅力号去哪里看看?
 
耶泽罗陨石坑
 
毅力号火星车的目的地是耶泽罗陨石坑。
耶泽罗陨石坑地图,绿圈为毅力号火星车着陆区域。
 
耶泽罗陨石坑直径45公里,研究认为这里后来成为火星上一个胡泊,有两个洱海大。流入耶泽罗湖泊的河水淤积出的三角洲还保存完好。三角洲一层层的沉积物是寻找生命遗迹的好所在。
 
为什么呢?
 
我们知道地球上的生命是从水里开始的,一个自然的猜测是,火星上如果曾经有生命,也最有可能是从水里开始。耶泽罗陨石坑后来变成一个湖,湖一般是富含生命的。
 
后来,火星上气候剧变,耶泽罗湖水干涸。湖水没了,但生命的遗迹可能留下来。
 
美国科学家根据2005年升空的火星勘测轨道飞行器上装备的火星专用小型侦察影像频谱仪(CRISM)传回的数据分析,发现杰泽罗陨石坑边缘沉积有一圈碳酸盐矿物,而碳酸盐矿物能保护古生命遗迹安全度过漫漫数十亿年的时光。古生命遗迹最常见的保存形式之一是叠层石。
 
地球上最古老的生命证据就是在叠层石里发现的。
 
澳大利亚西海岸旅游胜地鲨鱼湾就有很多叠层石,它们是既没有绚丽色彩,也没有奇异的造型,疙疙瘩瘩的表面、暗淡无光的色泽甚至让它们看上去颇为丑陋。
 
叠层石不起眼的外表下,隐藏着地球古老的生命的遗迹。37亿——35亿年前,地球上出现了能进行光合作用的微生物,它们还会分泌黏液,能够捕获、结合水中的沉积物和矿物。微生物被沉积层盖住之后,为了进行光合作用,会从沉积层里钻出来,继续同样过程,沉积物层层堆叠积累,最终形成一种特殊的有机沉积结构,即叠层石。
 
地球上碳酸盐矿物里找到过古微生物行成都叠层石,火星上大概也会发生同样的事情吧。
澳大利亚西海岸旅游胜地鲨鱼湾的叠层石
叠层石
 
当然,只找到石头是不够的,还要在石头里找到有机分子。发现有机分子也不够,并不能说明它们就是生命留下的,因为无机物也可以生成有机分子。总之,要判断有没有生命,需要很细致的分析。
 
毅力号要靠什么完成使命?
 
七种武器
毅力号装备有七大仪器,多种手段寻找生命遗迹。
 
毅力号有两只“眼睛”,叫做Mastcam-Z,一种变焦全景相机。这架相机能够拍出3D高清图像和视频,供科学家分析火星表面的地形地貌,公众将见证毅力号每天的发现。Mastcam-Z还将帮助确定寻找生命遗迹的样品,尤其是叠层石,供其他仪器分析。
Mastcam-Z
 
在Mastcam-Z上方的分析仪器是超级相机(SuperCam),由一台照相机、两个激光器和四个光谱仪组成,作为此前“好奇号”上的ChemCam(化学相机)的激光升级版,新设备被命名了Super,主要工作是识别岩石和土壤的化学组成。超级相机的首席研究员、洛斯阿拉莫斯国家实验室的Roger Wiens表示,“超级相机具有独特的清除表面灰尘的能力”,它能发射激光照到岩石或土壤上,然后借助光谱仪检测其中是否存在有机物。
超级相机远距离分析岩石和土壤艺术图
 
火星车前方机械臂上装载的仪器是另一台光谱仪SHERLOC (Scanning Habitable Environments with Raman & Luminescence for Organics and Chemicals, SHERLOC),它是紫外拉曼和荧光光谱仪,能发出单色光,打到岩石或土壤上,分析散射光的波长和振幅,可推断岩石或土壤里有什么有机分子。在SHERLOC还搭载一个彩色摄像头WASTON,用于拍摄岩石的特写图像。
 
在SHERLOC下方,装有X射线岩石化学行星仪(Planetary Instrument for X-Ray Lithochemistry,PIXL),用于确定火星表面岩石和土壤中亚毫米尺度上化学元素的含量和分布。这个仪器可能找到可能源自微生物新陈代谢的任何一种元素模式或特征,比如红层岩石中富含钒元素的小黑点。
图为新疆红层。红层岩石中富含钒元素的小黑点与生物过程有关。火星岩石中化学元素分布有没有微生物新陈代谢的元素模式或特征?X射线岩石化学行星仪(PIXL)可一探究竟。
X射线岩石化学行星仪探测岩石的艺术概念图
 
毅力号还装备有火星地下实验雷达成像仪(Radar Imager for Mars' subsurface experiment,RIMFAX),这也是首次在火星探测器上安装雷达装置,用于确定火星上地下10米深度以内的地质特征,如岩石、陨石、地下冰、盐等,由此可分析火星上过去是否具备支持生命存在的条件。
火星地下实验雷达成像仪艺术图
 
毅力号还着眼于未来的火星登陆任务,要了解火星每日的天气情况就要靠火星环境动力学分析仪(The Mars Environmental Dynamics Analyzer,MEDA),它能够对火星大气的温度、气压、风速、风向、相对湿度以及沙尘的大小和形状进行记录,相当于一个气象站。MEDA还能测量火星上接收到的来自太阳和太空的辐射情况,而辐射会影响生命遗迹。辐射相关数据可帮助科学家更好地确定去哪里寻找生命。MEDA这个缩写在西班牙语可以大致翻译成“给我”,“MEDA,给我气温数据!”
火星环境动力学分析仪(The Mars Environmental Dynamics Analyzer (MEDA))
 
未来人类会登上火星,甚至在火星生活,而有一条有利因素就是火星上有轻微的氧气(0.13%)和大量的二氧化碳(96%)。如果将火星大气改造好,提高氧气含量,那么我们在火星生活的希望就大大提高了。因此,毅力号还带了一台造氧机——火星氧气就地资源利用实验仪(Mars Oxygen ISRU Experiment,MOXIE),它像植物一样,吸收二氧化碳,排出氧气。如果这台仪器可行,下一步会发射一台放大版的仪器,改造火星大气。事实上,MOXIE更实际的作用是为了人类能够从火星返回地球,便于给火箭提供燃料,可不光是为了人类喘气。
火星氧气就地资源利用实验仪(Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE))
 
火星上如果有生命,对于我们地球人意味着什么?
 
如果火星上确实有生命,这可能会改变我们对自己在宇宙中的地位的看法。
哥白尼提出地球不是宇宙的中心
 
自从哥白尼第一次提出地球不是宇宙的中心,我们在宇宙中的位置慢慢变得越来越平庸。我们再后来逐渐了解到,我们的太阳也不是宇宙的中心,而是和大量其他恒星一样,围绕着我们的银河系中心运行。我们的银河系只是数千亿星系中的一个。如果能在另一颗行星上发现生命,哥白尼式的革命就完成了,这向我们表明,地球不是唯一拥有生命的特别之地。
 
让我们一起期待毅力号早日传来消息。
 
参考资料
 
https://www.jpl.nasa.gov/news/nasas-mars-2020-will-hunt-for-microscopic-fossils/
 
https://mars.nasa.gov/mars2020/spacecraft/instruments/
 
https://www.sanfordlab.org/article/sherloc-goes-mars



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