“洞察號”怎樣洞察火星內部

文/徐蒙

2018年5月5日，宇宙神5號火箭搭載美國宇航局的洞察號（InSight）火星探測器從美國加州范登堡空軍基地啟程，開啟了為期205天的太空之旅。它將于2018年11月26日登陸火星表面，在火星上安置一枚火星地震儀（以下簡稱火震儀），并把一根長長的探針刺入地下。火星內部的秘密也將被一一揭開。

“摳門”項目之一

“洞察號”是美國宇航局的知名摳門項目——“發現（Discovery）”項目的成員之一，有多摳門呢？就是每項預算一般不超過4.5億美元。什么概念呢？作為美國宇航局旗艦項目之一的“好奇號”花了25個億，“卡西尼號”花了39個億。不過平心而論，美國宇航局對“洞察號”實在不算摳門了，花了8.3億美元，遠遠超過了“發現”項目的預算標準。

雖然成本低，但“發現”項目的每個任務都是短準狠：任務設計壽命短（一般不超過36個月，當然儀器狀態良好的話會延長，有些會延長很久），探測目標精簡明確，而且大多成果驚人。例如，探測小行星谷神星和灶神星的“黎明號”，探測月球全球高分辨率重力場的GRAIL，尋找系外行星的開普勒空間望遠鏡……這些探測器無一不在短短幾年里就刷新了人類對它們所探測天體的認知，是名副其實的“發現新世界”。科學家們對“洞察號”也抱有這樣的期待。

▲“洞察號”將解開火星地質結構的秘密

▲“宇宙神5號”搭載“洞察號”踏上火星之旅

到目前為止，人類對火星的了解可不算多：探測火星表面地形、地貌特征和重力場；探測火星水冰和礦物分布；探測火星大氣層和空間粒子以及幾輛火星車實地考察火星的地質狀況……這些都還始終停留在火星表面和大氣層，雖然重力場和一些粗略的火星物理數據（平均密度、慣量矩等）隱約向我們透露了一點火星內部的樣子，知道火星像我們的地球和月球那樣有殼、幔、核的分層結構，知道火星內部的熱能已經不足以維持它的自發磁場和各種活躍地質活動，但更多的呢？一共分了多少層？殼、幔、核每一層有多深？每一層的固液狀態是怎樣的？火星內部的熱能到底還剩多少？火星的熱量是以什么樣的形式和速率耗散的？火星的熱演化歷史是怎樣的？為什么火星幾乎沒有板塊活動？……對這些，我們幾乎一無所知。

著陸點如何選取

和之前那些火星著陸器不同，“洞察號”是一枚純“地球物理探測器”，因此，它的選址比之前幾枚火星車和著陸器要簡單得多，因為它幾乎不需要考慮具體的科學目標。而“好奇號”著陸在蓋爾撞擊坑是為了尋找水和生命，“鳳凰號”著陸在北極是為了探測極區水冰，有些探測器還需要考慮整個路徑的安全性和可移動性。從這個角度來說，“洞察號”的選址更有代表性。

“洞察號”的選址經過了長達4年的考察和探討。首先是基于工程上考慮（著陸、安全、功能）的初步篩選，例如：考慮太陽能的供給，著陸區劃定在赤道附近；著陸過程中必須經過足夠厚的大氣層來保證降落傘的緩沖需要，著陸區地理位置要盡量低；地形要平坦（坡度小于15°）、石頭不能太多、風化層較松軟（方便著陸和熱流探測器鉆5米深的孔），等等……

初步篩選之后，選定了埃律西昂平原西部的16個區域。然后才逐區域排除直到選定最終的著陸區域。

在長達四年的多輪選址討論之下，洞察號最終選定的預計著陸點為位于火星北半球埃律西昂平原西部（小圖白色橢圓區域，中心位置約北緯4.5度，東經136度，表面重力加速度約3.71米/秒2）。

“洞察號”要探測什么？

▲“鳳凰號”和洞察號火星車對比圖

洞察號火星探測器，全名是“采用地震研究、測地學和傳熱學的火星內部結構探測器”，這樣一看，它的探測目標可以說是一目了然了。

從整體上看，“洞察號”機身的設計很大程度上直接繼承了之前的鳳凰號火星著陸器，這也是“洞察號”可以如此低成本的原因之一。

“洞察號”采用的是支腿式火星著陸器總體設計結構。起飛質量694千克，著陸器質量為358千克，熱防護罩189千克，巡航級79 千克，推進劑67 千克。探測器本體高2.7米，三條支腿在著陸時具有著陸緩沖作用。洞察號探測器電源系統采用兩塊直徑2.15米圓形太陽能電池翼，輸出功率為3000 度/日。除此之外，還有25安時的鋰離子電池作為儲能電池。

工欲善其事，必先利其器。看看“洞察號”都帶了些什么儀器吧。

“洞察號”此去的主要探測目標有兩個：一個是火星內部結構，另一個是火星內部的熱狀態。針對這兩個目標，“洞察號”配備了一臺火星地震儀、一臺熱流和物理性質探測儀（HP3）這兩個主要科學探測儀器，當然還有其他的科學設備。

▲科學家們可以通過測量地震波在地下不同地層中的傳播的時間，來研究這個天體內部結構是什么樣的

火星地震儀

火震儀會在“洞察號”著陸之后被固定在火星表面上，然后用一個罩子罩起來減少外界風和熱的干擾。

為什么探測火星的內部結構需要火震儀呢？簡單來說，就是當固態天體發生震動的時候，震動產生的波（地震波）在不同密度的地層中傳播速度不同，那么通過測量不同地層傳來的“地震波”之間的時間差，就可以反推內部每一層的厚度和密度了。

火星上雖然幾乎沒有板塊活動，但還是有一些大大小小的火震來源，例如斷層、大氣影響等，這些震動都無法準確判斷震源位置，為此，“洞察號”采取了一個巧妙的辦法：探測隕石撞擊火星引起的火震。

在火星勘測軌道探測器(MRO)高分辨率影像的配合之下，一旦發生隕石撞擊引起的火震，“洞察號”將會迅速搜索到新產生的隕石坑的精確位置，也就確定了震源的坐標，進而測量火星地震波的行進時間。

當然，單個火震儀觀測會有很多局限性，因為火震儀數目越多，分布越廣，才能探測到越深、越準確的內部結構。事實上，即使當年的阿波羅登月任務安裝了四臺月震儀，也還是沒能解決這一問題。因為這些月震儀實在是靠得太近了，全部扎堆于月球近月面的低緯度區域，造成的后果是很難探測到遠月面的月震，也無法探測到深于1100-1300公里的具體結構了。也就是說，盡管我們知道內部的分層狀況和各層狀態，但對下月幔和月核的深度和密度還是有很大的不確定性。

只不過，如今的“洞察號”，有了更靈敏的火震儀，也有更高分辨率的“MRO”影像幫助定位震源位置。希望它能夠單槍匹馬，做得比“阿波羅號”的月震儀更好。

另外，雖然每多觀測到一次撞擊，我們就能多了解火星內部一點點，但“洞察號”的設計壽命只有1個火星年（約2個地球年），而隕石撞擊畢竟是純概率事件，這2年期間能觀測到多少次強度足夠大的隕石撞擊引起的火震呢？或許我們需要一點耐心，還需要一點運氣。

熱流探測儀

至于熱流和物理性質探測儀（簡稱HP3）就簡單粗暴多了。它會直接把一只“溫度計”插進火星表面，這只“溫度計”的鉆頭被稱為“鼴鼠”，足足可以打5米深的洞，也就是說，可以測量火星表面到地下5米深的溫度隨深度的變化。這也將是有史以來人類在火星打的最深的洞了。

▲火星地震儀工作示意圖

▲測試熱流探測儀

火星曾經也像地球一樣有過地質非常活躍的時期，但隨著內部熱量的不斷耗散，火星也就慢慢“沉寂”了。而通過測量火星淺表層溫度隨深度的變化，可以幫助我們重建火星的熱演化歷史，推算火星內部還有多少熱，火星已經失去了多少熱，了解火星這幾十億年來經歷了怎樣的熱變化，火星為什么沒有板塊活動等等重要問題。

和火震儀一樣，熱流探測儀這事兒美國宇航局也不是第一次干了，算是頗有經驗。阿波羅13、15、16和17號登月任務也都攜帶了熱流探測儀，不過只有15和17號安裝成功，而且“阿波羅15號”的熱流探測儀在鉆孔的過程中發現這里的風化層比預想得硬，鉆不動……結果探針并沒有插到計劃的深度。考慮到“阿波羅15號”的前車之鑒，這次“洞察號”選址的時候就充分考慮了測區的風化層厚度和巖石硬度，確保可以鉆到5米那么深……

除了火震儀和熱流儀，“洞察號”還帶了一臺“自轉和內部結構探測儀”（RISE）——它將通過多普勒頻移測量火星的自轉速度和自轉軸變化。自轉參數也是約束行星深層內部結構的重要依據之一。有了這些數據，我們就能更好地推測火星內部是啥樣啦。

而且，不只是火星，“洞察號”的探測結果還可以幫助人類加深對整個內太陽系所有巖質天體（水星、金星、火星、地球、月球）演化的認識，追溯整個內太陽系早期的熱演化歷史和熱分異過程。

從這個角度來說，“洞察號”還將是人類追溯整個內太陽系歷史的一臺時光機。

如果說，“好奇號”是迄今為止最偉大的火星地球化學家和地質學家的話，那么“洞察號”將會是火星第一位偉大的火星地球物理學家。