“洞察”战神的内心世界
2019/6/3 18:50:34季江徽 中国科学院紫金山天文台
在罗马神话中，火星是战神Mars。在中国古代，火星被称为“荧惑”，始终披着神秘的面纱。
这颗孤独的红色类地行星，因有着与地球相似的外部空间环境和物理化学属性，而成为深空探测和未来人类星际移民的首选目标。
来自地球的新“使者”
2018年5月5日，美国国家航空航天局(NASA)“洞察号”(InSight)火星探测器发射升空，于11月26日在火星埃律西昂平原(Elysium Plain)西部成功着陆，成为人类派往火星的新“使者”。
此前，人类曾发射过四十多个火星探测器，但多半都以失败告终。在总共14次成功进入了火星大气层的着陆任务中，仅有7次成功着陆并顺利执行探测任务。火星探测的征途艰险可见一斑。
“洞察号”是第8个成功登陆火星的探测器，设计寿命2年，耗资近10亿美元。
火星探测的发现
火星探测主要有两大科学目标：寻找火星生命，研究火星的形成与演化。
之前的探测都发现了些什么呢？
在寻找火星生命方面，主要聚焦在寻找水、有机物及其他生命活动迹象。
◎ 找到了火星次表层存在水冰的证据，并得到了可能的水冰分布情况。
◎ 发现了风化盐类矿物和含水硫酸盐矿物等，表明火星曾经可能有水存在。
◎ 发现火星表面广泛存在的类似河道的地貌特征，可反演出火星古海洋和古水系的水体运动过程。
◎ 发现了火星南极高原冰盖深处的湖泊，表明火星表层深处可能存在更多稳定的液态水，拥有适合微生物等生命体生存的条件。
◎ 在一块火星陨石中发现了大量疑似细菌形状的“化石”，并在陨石破裂表面发现了磁铁矿、黄铁矿颗粒及大量多环芳烃(PAHs)等可能与火星生命相关的线索。
◎ 发现火星上有古老的有机分子和季节性变化的甲烷。
不过，迄今为止科学家们还没有找到火星上存在过生命的直接证据。
在研究火星的形成与演化方面，积累了大量关于火星大气和外围空间环境以及火山、峡谷、岩石、土壤等火星表面地理特征的探测数据，并开展了对火星磁层、电离层、大气层、以及火星地形和物质组成演化过程等的研究。
◎火星板块运动极少，也没有活动的全球磁场，现在几乎没有强烈的地质活动，火星因此基本保持了古老的地形格局与特征，即使最年轻的岩石也有近1.8亿岁。这非常有利于科学家们从火星地质构造中回溯行星形成早期的远古信息。
◎火星表面没有发现现存的江河湖海等液态水系；火星的大气非常稀薄，表面大气压只有地球的0.6%，大气中96%是二氧化碳，平均气温-63℃。这些都是严重不利于生命活动的条件。人类目前已知和可以预见的技术都还远远不足以改造火星环境。
火星和地球这两颗45亿年前在相仿的条件下形成的行星，显然经历了截然不同的演进路径。
装备精良的“洞察号”
不同于先前任务中的火星车可以四处溜达，“洞察号”只能在原地宅着。为了与火星深度接触，走进战神的内心世界，“洞察号”需要扎根着陆点深入探索火星内部构造，获取火星地质构造和热流传导的第一手数据。
“洞察号”携带了3大装备：法国研制的“火震”仪SEIS、德国研制的热流与物理性质探测包HP3、以及美国研制的自转和内部结构试验仪RISE。此外，它还有一套环境监测仪器。
“洞察号”火星探测器及其装备示意图 | 图源：NASA
● “火震”仪——SEIS
用于探测“火震”(火星地震)信号，研究火星内部结构。SEIS就像一个大大的“听诊器”，时刻监听战神的“呼吸”和“心跳”。
“火震”信号有多种解释：板块运动产生的真实地震、陨石碰撞、火星大气层内的流星爆炸等。
但是，火星板块运动和陨石碰撞事件的发生概率都较低。为了在有限的设计寿命里有所作为，SEIS主要探测进入火星大气层内的流星爆炸产生的震声信号，也就是监听战神Mars在流星空爆发生时“受惊吓”的程度。希望至少可以从中测出陨石对火星表面的撞击频次。
● 热流与物理性质探测包——HP3
用于火星地热流的测量。通过一个名叫“鼹鼠”的热流探头钻入火星地表以下大约5米深处，探测地热传导率和温度梯度。
然而人算不如天算。从今年2月28日开始，这个探头似乎遇到了坚硬的岩石或者其他麻烦，虽几经尝试仍没能钻到5米深的预定地点。为确保仪器安全，该仪器被迫暂停，需等新方案制定后才能继续开展勘察。
● 自转和内部结构试验仪——RISE
用于精确测量行星自转参数，包括火星的自转速度和自转轴变化。行星自转参数对于研究行星内部构造具有重要参考价值。
快跑，“火震”啦!
自2018年12月“洞察号”在火星表面工作以来，SEIS监测到了4个疑似火星地震信号，分别发生在今年3月14日、4月6日、4月10日和4月11日，其中4月6日的信号最为清晰。NASA喷气推进实验室(JPL)随后在网站上公布了这段疑似“火震”的声音。
洞察号”记录的火星震动信号。注意：该音频已将原始震动信号(频率低于人耳可识别范围)加速60倍。| 音频图源：NASA JPL
音频里依次记录了三个明确的事件：火星风、疑似火星地震、机械臂移动引起的震动。
尽管监测到的信号非常微弱，科学家们还不能据此给出信号来源的明确诊断，但这至少证明了火星上的确存在活跃的地质活动。战神的确被“吓”到了!
此次疑似“火震”信号与阿波罗探测到的“月震”信号十分相似。所以，另一种可能的解释是：火星和月球内部存在持续冷却收缩，长时间演化造成壳层结构的改变甚至断裂，从而引发“火震”和“月震”。
“火震”信号的探测发现标志着行星物理学探索进入一个新时代：人类对于类地行星的探测不再局限于轨道观测和表面巡视，开始逐渐走进行星的“内心世界”。我们期待“洞察号”探测到更多“火震”信号，带来全新的科学发现。
2020：拭目以待
火星探测窗口(飞向火星所需的能量最少)每26个月才有一次，下一个火星探测窗口在2020年左右。
有多个火星探测器计划明年发射：美国的“Mars 2020”火星车、欧洲与俄罗斯的着陆器和火星车、印度的第2次火星探测任务、阿联酋的“希望号”，还有中国的首颗火星探测器。值得一提的是，根据中国国家航天局正式发布的消息，中国火星探测器将一步实现“环绕-着陆-巡视”，对火星开展全球性、综合性的环绕探测，在火星表面开展区域性巡视探测，将于2021年登陆火星，实现中国火星探测器与战神的首次亲密接触。
太空探索，永无止境。预祝这些火星探测计划成功，并期待更多发现和惊喜，不断揭开火星神秘的面纱。“荧惑”终将不惑。
作者简介
季江徽：中国科学院紫金山天文台“行星科学与深空探测实验室”首席研究员，中国科学院行星科学重点实验室主任。研究方向：太阳系小天体动力学、系外行星系统形成与动力演化、深空探测轨道和技术等。
撰文：季江徽
编辑：王科超、高娜
本文基于作者发表于《科学通报》(2018年26期)的约稿文章“洞察号”启程探索火星内部世界，并结合了“洞察号”最新进展。
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