“好奇”號(hào)的科學(xué)成就

□ 張雪松

“好奇”號(hào)的第一個(gè)鉆孔

“好奇”號(hào)的第二個(gè)鉆孔

2014年6月24日，美國(guó)航宇局發(fā)布消息，宣布“好奇”號(hào)火星車(chē)探測(cè)器完成了第一個(gè)火星年（687個(gè)地球日）的探測(cè)任務(wù)，為此“好奇”號(hào)特意進(jìn)行了自拍留念以示慶祝。“好奇”號(hào)造價(jià)25億美元、質(zhì)量超過(guò)900千克，攜帶了大量先進(jìn)探測(cè)設(shè)備，是人類(lèi)發(fā)射的質(zhì)量最大、技術(shù)最先進(jìn)也是最昂貴的火星車(chē)。

“好奇”號(hào)是美國(guó)航宇局的旗艦探索項(xiàng)目，它具體由噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)研制和管理。噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室為“好奇”號(hào)設(shè)定了四個(gè)主要的科學(xué)目標(biāo)：

1.探測(cè)著陸區(qū)是否為適居區(qū)域

2.著陸區(qū)是否有水

3.研究火星的大氣

4.研究火星的地質(zhì)

“好奇”號(hào)分析的古湖泊

其中第一項(xiàng)和第二項(xiàng)屬于最核心的任務(wù)。為了探測(cè)火星的蓋爾隕石坑在遙遠(yuǎn)的過(guò)去是否曾經(jīng)適合微生物存在，以及現(xiàn)在這片區(qū)域是否有水，“好奇”號(hào)火星車(chē)攜帶了桅桿相機(jī)、導(dǎo)航相機(jī)、避障相機(jī)、機(jī)械臂以及臂上的透鏡成像儀和阿爾法粒子X(jué)射線分光儀（APXS）、火星樣本分析儀、化學(xué)與礦物學(xué)分析儀、中子反射率探測(cè)器、火星環(huán)境監(jiān)測(cè)站等大量探測(cè)設(shè)備，加上它使用核動(dòng)力的RTG電源，具有前所未有的機(jī)動(dòng)能力，構(gòu)成了一個(gè)完備的無(wú)人火星探索工作站，以確保它有效的完成預(yù)定任務(wù)。

2012年8月6日，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)8個(gè)月的行星際飛行，“好奇”號(hào)經(jīng)過(guò)了穿越火星大氣層的恐怖7分鐘后順利在蓋爾隕石坑著陸，著陸點(diǎn)距離預(yù)定坐標(biāo)僅僅偏移了2.4千米。“好奇”號(hào)經(jīng)過(guò)兩周的地面調(diào)試后，開(kāi)始正式的探索工作。

“好奇”號(hào)使用沖擊式鉆頭在耶洛奈夫?yàn)常╕ellowsknife Bay）被命名為“約翰·克萊恩”（John Klein）的巖石上進(jìn)行了鉆孔并提取了巖石的粉末樣本。鉆取的樣本發(fā)現(xiàn)了構(gòu)成生命的碳、氧、磷、氮等重要化學(xué)元素，還發(fā)現(xiàn)了粘土礦物，證明這里很久以前曾存在液態(tài)水環(huán)境。科學(xué)家們對(duì)比地球的環(huán)境，分析認(rèn)為耶洛奈夫?yàn)吃?jīng)是一個(gè)火星古代湖泊的湖底，而“好奇”號(hào)測(cè)量到PH值為中性，證明在遙遠(yuǎn)的過(guò)去這里存在淡水湖泊。通過(guò)對(duì)巖石成分的分析，科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)巖石中缺乏橄欖石礦物，卻富集磁鐵礦，還有蒙脫石的存在。地球上的很多磁鐵礦是由被水浸泡過(guò)的玄武巖沉積而成，據(jù)此推斷這些巖石是被水流沖刷到下游后才轉(zhuǎn)變?yōu)檎惩恋V物。蒙脫石是典型的湖泊沉積產(chǎn)生的，地球上存在蒙脫石的區(qū)域一般生物活動(dòng)旺盛，這說(shuō)明火星早期肯定存在宜居環(huán)境。耶洛奈夫?yàn)硯r石上采集的樣本在“好奇”號(hào)的樣本分析儀中進(jìn)行加熱分析，顯示出現(xiàn)二氧化碳，證實(shí)了有機(jī)碳的存在。不過(guò)來(lái)自行星際的隕石也會(huì)帶來(lái)有機(jī)碳，還不能據(jù)此確認(rèn)這是遠(yuǎn)古火星生命的證據(jù)。

“好奇”號(hào)還對(duì)名為坎伯蘭（Cumberland）的巖石進(jìn)行了鉆探取樣，并在原地分析了巖石的年齡。根據(jù)美國(guó)加州理工學(xué)院的肯尼斯·法雷教授的論文，他的團(tuán)隊(duì)根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)分析出這塊火星巖石的年齡大自在38.6億～45.6億年之間，這是人類(lèi)第一次實(shí)地評(píng)估地外天體的巖石年齡。法雷教授的團(tuán)隊(duì)還分析測(cè)定巖石暴露在地表或淺地下的時(shí)間，巖石暴露在宇宙射線輻射下時(shí)會(huì)因?yàn)橛钪嫔渚€的轟擊產(chǎn)生特定的元素，“好奇”號(hào)可以通過(guò)測(cè)定這些微量氣體元素的含量推算出巖石在火星地表存在的時(shí)間。“好奇”號(hào)分析出這塊巖石的暴露時(shí)間大約為6000萬(wàn)～1億年，這顯示出火星的風(fēng)沙侵蝕效應(yīng)速度快得驚人。火星巖石的暴露年齡，還可能提供蓋爾隕石坑內(nèi)土壤巖石中有機(jī)物降解率的信息。

“好奇”號(hào)發(fā)現(xiàn)的流水地形

“好奇”號(hào)著陸區(qū)-蓋爾隕坑

“好奇”號(hào)還在Haottah區(qū)域發(fā)現(xiàn)了圓形鵝卵石等流水塑造的河床地貌，顯示這里曾經(jīng)是一條火星古河流的河床。結(jié)合這些發(fā)現(xiàn)，如果火星上當(dāng)年存在微生物，這里曾是它們的理想家園。總而言之，“好奇”號(hào)的探測(cè)調(diào)查結(jié)果顯示，火星曾經(jīng)存在支持生命誕生和生存的環(huán)境，這是人類(lèi)火星探測(cè)獲得的最重要發(fā)現(xiàn)之一。

2013年9月26日，科學(xué)家們宣布“好奇”號(hào)通過(guò)對(duì)土壤的檢查，發(fā)現(xiàn)大量水存在痕跡。更早的鳳凰號(hào)著陸器發(fā)現(xiàn)火星北極有水冰，但“好奇”號(hào)降落的蓋爾隕石坑位于南緯5°附近的赤道地區(qū)，卻仍檢測(cè)出表層土壤含水量高達(dá)1.5%～3%，表明火星表面水是普遍存在的。火星富含水的探測(cè)結(jié)果，可能是人類(lèi)在行星科學(xué)領(lǐng)域獲得的最好的發(fā)現(xiàn)之一，這極大地鼓舞了人們的進(jìn)取心，未來(lái)的火星探索和殖民可以就地取材獲得水源，開(kāi)拓火星殖民地不再是虛無(wú)縹緲的幻想。

甲烷在大氣中不穩(wěn)定需要不斷地補(bǔ)充，而生物活動(dòng)是產(chǎn)生甲烷的主要來(lái)源之一，美歐的火星軌道探測(cè)器不時(shí)宣布探測(cè)到火星大氣中的甲烷，因此科學(xué)家們?cè)毡槠诖昂闷妗碧?hào)確認(rèn)火星大氣中存在甲烷，這將增加火星現(xiàn)在存在生命的可能。根據(jù)截止2013年9月19日的測(cè)量結(jié)果，美國(guó)航宇局宣布沒(méi)有探測(cè)到甲烷存在的跡象，這降低了目前火星存在生命的可能。“好奇”號(hào)還根據(jù)歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)火星在漫長(zhǎng)的過(guò)程中可能喪失了它大部分的大氣層，但逃逸的原因和過(guò)程就是火星表面的“好奇”號(hào)鞭長(zhǎng)莫及的了，這是后來(lái)發(fā)射的“火星大氣及揮發(fā)分演化探測(cè)器”(MAVEN)的任務(wù)。

“好奇”號(hào)的另一個(gè)主要成果是使用機(jī)械臂上RAD輻射評(píng)估探測(cè)器探測(cè)測(cè)量了火星表面的輻射水平，這是人類(lèi)首次實(shí)地測(cè)量火星表面的輻射量。“好奇”號(hào)的輻射測(cè)量結(jié)果顯示火星表面每天受到的輻射量為0.7毫希沃特，這與國(guó)際空間站軌道上的輻射大致相當(dāng)，而遠(yuǎn)低于預(yù)期水平。雖然火星表面的輻射水平遠(yuǎn)高于地球表面每年2.4毫希沃特的輻射量，對(duì)生物的繁衍和進(jìn)化相當(dāng)不利，也可能是火星生物沒(méi)有興旺發(fā)展起來(lái)的重要原因，但這樣的輻射水平只有“好奇”號(hào)在行星際飛行時(shí)測(cè)量到的輻射水平（每天平均1.9毫希沃特）的約一半。火星大氣雖然稀薄但總體上仍提供了一定程度的屏蔽效果，人類(lèi)在火星表面的輻射水平下生存毫無(wú)問(wèn)題。“好奇”號(hào)測(cè)量的火星表面輻射水平數(shù)據(jù)，對(duì)美國(guó)未來(lái)的載人火星登陸任務(wù)具有至關(guān)重要的價(jià)值，至少人們不用憂慮航天員在火星表面執(zhí)行任務(wù)時(shí)的防輻射問(wèn)題了。

“好奇”號(hào)設(shè)計(jì)壽命為1個(gè)火星年，但它只用了約8個(gè)地球月就完成了確認(rèn)火星曾經(jīng)宜居的探測(cè)目標(biāo)。未來(lái)“好奇”號(hào)還將向夏普山挺進(jìn)，考察這座5千米高山表層厚厚的沉積層，期待通過(guò)對(duì)夏普山礦物和地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)，進(jìn)一步探索火星過(guò)去的宜居環(huán)境和火星的地質(zhì)演變史。