如果去火星會(huì)聽到什么？

● 潤(rùn)語(yǔ) 編

如果你能去火星表面，會(huì)聽到什么？雖然有八次火星任務(wù)從這顆紅色星球表面?zhèn)骰亓肆钊梭@嘆的火星景色照片，但是沒(méi)有一次傳回任何火星聲音。現(xiàn)在，這種情況即將改變：美國(guó)航空航天局（NASA）毅力號(hào)火星車負(fù)責(zé)搜尋火星遠(yuǎn)古生命的跡象，采集并保存幾十個(gè)火星樣本，而且火星車上安裝著兩個(gè)麥克風(fēng)。

一個(gè)麥克風(fēng)將會(huì)聽到毅力號(hào)火星車穿過(guò)火星大氣層降落時(shí)的聲音，另一個(gè)麥克風(fēng)將會(huì)記錄下火星車在杰零隕石坑進(jìn)行科學(xué)工作時(shí)的聲音，杰零隕石坑是一個(gè)古老的河流三角洲，那里的生命可能曾經(jīng)繁榮昌盛。如果一切順利，毅力號(hào)的麥克風(fēng)將實(shí)現(xiàn)行星協(xié)會(huì)聯(lián)合創(chuàng)始人卡爾·薩根的愿望，他在1996年給美國(guó)國(guó)家航空航天局寫了一封信，催促其向火星發(fā)送麥克風(fēng)。

薩根寫道：即使第一次實(shí)驗(yàn)只記錄了幾分鐘的火星聲音，公眾的興趣也會(huì)很高，而且真正進(jìn)行科學(xué)探索的機(jī)會(huì)也很大。在毅力號(hào)之前，至少有三次火星任務(wù)在設(shè)計(jì)中都安裝了麥克風(fēng)。第一個(gè)于1999年乘坐美國(guó)國(guó)家航空航天局火星極地著陸器飛往火星，由行星協(xié)會(huì)贊助，并成為第一個(gè)眾籌資金飛往另一個(gè)星球的科學(xué)儀器。極地著陸器在表面墜毀，但更多的嘗試將隨之而來(lái)。然而到目前為止，還沒(méi)有成功。

行星協(xié)會(huì)首席科學(xué)家布魯斯·貝茨說(shuō)：“長(zhǎng)期以來(lái)，來(lái)自火星的聲音一直令公眾著迷，因此，行星協(xié)會(huì)一直欣然接受并追逐著這一聲音。這可以追溯到我們?cè)缙谙蚬娡茝V空間科學(xué)的想法，所以這個(gè)以一種全新方式讓我們的感官與另一個(gè)世界接觸的概念，是行星協(xié)會(huì)一直相信的，現(xiàn)在我們希望它能真正地實(shí)現(xiàn)。”

毅力號(hào)的麥克風(fēng)

毅力號(hào)的兩個(gè)麥克風(fēng)中，一個(gè)是入口、下降和著陸（EDL）系統(tǒng)的一部分。來(lái)自該麥克風(fēng)的音頻將與EDL攝像機(jī)拍攝的全色視頻配對(duì)，這將讓觀眾第一次體驗(yàn)登陸火星的樣子和聲音。第二個(gè)麥克風(fēng)包括在火星車的“超級(jí)攝像頭”科學(xué)儀器中，這是好奇號(hào)火星車激光加熱“化學(xué)攝像頭”的新一代版本。像它的前身一樣，超級(jí)攝像頭使用紅外激光束來(lái)加熱和蒸發(fā)巖石和火星土壤。然后，一臺(tái)特殊相機(jī)可以確定蒸發(fā)材料的化學(xué)成分，并檢測(cè)任何有機(jī)化合物的存在，即我們所知構(gòu)成生命蛋白質(zhì)的各種碳基化合物。

當(dāng)超級(jí)攝像頭激光加熱一塊巖石時(shí)，由此產(chǎn)生的爆裂聲將為科學(xué)家提供關(guān)于巖石成分的線索。太空硬件公司HeliSpace的首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人格雷格·德羅里表示：它能夠記錄火星車正在工作的聲音。德羅里是超級(jí)攝像頭麥克風(fēng)團(tuán)隊(duì)的顧問(wèn)，并幫助設(shè)計(jì)了行星協(xié)會(huì)最初的火星麥克風(fēng)。火星麥克風(fēng)能聽到桅桿是如何轉(zhuǎn)動(dòng)的，輪子是如何轉(zhuǎn)動(dòng)的，或者聽到其他儀器是如何發(fā)出聲音的，是一種重要的工程診斷工具。

也許麥克風(fēng)最令人期待的功能是：它還將記錄火星本身的聲音。那么我們會(huì)聽到火星風(fēng)的咆哮嗎？火星風(fēng)暴會(huì)像地球上一樣產(chǎn)生雷聲嗎？上世紀(jì)90年代中期，加州大學(xué)伯克利分校行星科學(xué)家珍妮特·盧曼提出了火星麥克風(fēng)的想法：“我參與火星科學(xué)和火星任務(wù)規(guī)劃已經(jīng)有幾年了，我變得很好奇，為什么沒(méi)有人把聲音作為我們尋求用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)感知的一部分？”

歷史上第一個(gè)火星麥克風(fēng)

盧曼和加州大學(xué)伯克利分校空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的幾位科學(xué)家同事開始探索這個(gè)想法，使用像助聽器麥克風(fēng)這樣的現(xiàn)成部件，并在美國(guó)國(guó)家航空航天局艾姆斯研究中心的火星風(fēng)洞里，在類似火星的條件下測(cè)試了這個(gè)想法。結(jié)果很有希望，伯克利的科學(xué)家們開始認(rèn)為，美國(guó)國(guó)家航空航天局可能愿意讓麥克風(fēng)飛到火星上，作為一種搭乘儀器，盧曼與行星協(xié)會(huì)就贊助火星麥克風(fēng)一事進(jìn)行了接洽，并認(rèn)識(shí)到了這樣一種工具的公共利益價(jià)值。

但是，當(dāng)向美國(guó)國(guó)家航空航天局火星極地著陸器任務(wù)的科學(xué)顧問(wèn)委員會(huì)提出這一想法時(shí)，一切都落空了。委員會(huì)認(rèn)為這沒(méi)有任何科學(xué)價(jià)值。行星協(xié)會(huì)聯(lián)合創(chuàng)始人之一、航天工程師路易斯·弗里德曼回憶說(shuō)：“這讓人想起了行星任務(wù)的早期，第一艘先驅(qū)者號(hào)和水手號(hào)飛船上沒(méi)有配備相機(jī)，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的成像技術(shù)只是一種特技，科技含量不高。現(xiàn)在很難想象這一點(diǎn)，但當(dāng)時(shí)的咨詢委員會(huì)認(rèn)為在火星上聽到聲音也只是一種特技。

好奇號(hào)火星車

大約在同一時(shí)間，美國(guó)國(guó)家航空航天局局長(zhǎng)丹·戈?duì)柖“l(fā)起一項(xiàng)倡議，該倡議促進(jìn)了印尼RKA公司和美國(guó)國(guó)家航空航天局在未來(lái)火星任務(wù)上進(jìn)行科學(xué)合作的想法，同時(shí)兩國(guó)在國(guó)際空間站上建立了新的合作伙伴關(guān)系。因此，一臺(tái)研究火星大氣層中塵埃的RKA激光雷達(dá)儀器被安裝在火星極地著陸器上。弗里德曼和盧曼隨后詢問(wèn)激光雷達(dá)首席研究員維亞切斯拉夫·林金是否有興趣在儀器上添加微型火星麥克風(fēng)，得到肯定的答復(fù)。

制造第一個(gè)火星麥克風(fēng)

在公眾對(duì)聆聽火星聲音興趣不斷涌現(xiàn)的支持下，行星協(xié)會(huì)籌集了10萬(wàn)美元來(lái)制造火星麥克風(fēng)。德羅里當(dāng)時(shí)是盧曼在伯克利的同事之一，他加入了這個(gè)項(xiàng)目，并領(lǐng)導(dǎo)了將麥克風(fēng)單元集成到激光雷達(dá)上的技術(shù)努力，使之不需要對(duì)儀器的功率、體積和重量分配進(jìn)行任何調(diào)整。最初制造的火星麥克風(fēng)是一個(gè)智能小盒子，邊長(zhǎng)約5厘米，重50克。這款麥克風(fēng)是為極端環(huán)境打造的，研究者們對(duì)它進(jìn)行了足夠的測(cè)試，以了解它有多堅(jiān)固。

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)該麥克風(fēng)設(shè)備進(jìn)行了所有可以想象到的測(cè)試，使用真空、熱室和振動(dòng)臺(tái)來(lái)確保它能夠在火星惡劣的環(huán)境中發(fā)射、巡航、著陸和操作，并在他們?cè)O(shè)置的每一種模式下工作。通過(guò)與激光雷達(dá)的集成和測(cè)試，當(dāng)他們將麥克風(fēng)連接到著陸器上時(shí)，它工作得非常完美。滿足美國(guó)國(guó)家航空航天局對(duì)麥克風(fēng)的數(shù)據(jù)限制被證明是一個(gè)挑戰(zhàn)，該團(tuán)隊(duì)在改進(jìn)處理和管理錄音的電子設(shè)備方面也格外努力。

研究團(tuán)隊(duì)當(dāng)然不想發(fā)回沒(méi)有聲音或無(wú)趣聲音的數(shù)據(jù)，所以使用了一個(gè)語(yǔ)音識(shí)別芯片，它可以接收麥克風(fēng)中的聲音，并將數(shù)據(jù)減少到真正易于管理的程度。這個(gè)解決方案涉及幾個(gè)技巧：麥克風(fēng)可以錄制一個(gè)小時(shí)，然后只傳回最響亮的聲音；它還可以在特定的時(shí)間段內(nèi)隨機(jī)采集音頻樣本，以避免每秒都要傳回?cái)?shù)據(jù)。火星極地著陸器于1999年1月3日發(fā)射升空，飛船直飛火星，并于1999年12月3日開始降落到火星表面。

失望與寄予厚望

突然，飛船似乎消失得無(wú)影無(wú)蹤，控制器失去了來(lái)自航天器的信號(hào)，盡管一再努力重建通信，但再也沒(méi)有聽到火星極地著陸器的消息。經(jīng)過(guò)徹底的調(diào)查，工程師們得出結(jié)論，最有可能的情況是，由于著陸器認(rèn)為展開著陸腿引發(fā)的震動(dòng)源于觸地，所以它過(guò)早地關(guān)閉了引擎，很可能因此高速墜入火星表面。盧曼回憶道：這是一個(gè)巨大的遺憾，由于火星麥克風(fēng)在公眾和媒體中引起了巨大的轟動(dòng)，我們還事先在實(shí)驗(yàn)室開放了一間會(huì)議室，舉辦著陸活動(dòng)并慶祝。

但當(dāng)?shù)弥懯r(shí)，盡管仍有一些人留下來(lái)，但大多數(shù)人都在逃離，這對(duì)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)是一個(gè)相當(dāng)悲哀的結(jié)局。但對(duì)火星麥克風(fēng)項(xiàng)目的興趣仍在繼續(xù)，在火星極地著陸器失事后，法國(guó)國(guó)家空間研究中心立即為計(jì)劃于2007年發(fā)射的火星著陸器任務(wù)提供了第二次麥克風(fēng)實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)。這個(gè)火星著陸器由四個(gè)小型著陸器組成，這些著陸器將研究火星的大氣層、表面和內(nèi)部。

然而，由于資金困難，該任務(wù)在2004年被取消。后來(lái)美國(guó)國(guó)家航空航天局終于接受了為鳳凰號(hào)著陸器安裝火星麥克風(fēng)的想法，鳳凰號(hào)著陸器于2008年降落在火星北極附近。鳳凰號(hào)的麥克風(fēng)是其下降成像系統(tǒng)的一部分，使用的設(shè)計(jì)與極地著陸器上的原始麥克風(fēng)類似。行星協(xié)會(huì)將會(huì)提供公眾宣傳。但就在發(fā)射前，工程師們檢測(cè)到麥克風(fēng)中存在潛在的電子問(wèn)題，可能會(huì)影響其他系統(tǒng)，于是麥克風(fēng)被停用。

聽見火星

聽到火星聲音的夢(mèng)想就這樣傳承到了毅力號(hào)火星車上。自2021年2月以來(lái)，美國(guó)航空航天局的毅力號(hào)火星車一直在探測(cè)這顆紅色星球的表面。2021年2月19日，毅力號(hào)首次記錄了這顆紅色行星的聲音。這些聲音屬于人類可聽見的頻譜范圍，介于20赫茲和20千赫茲之間。它們表明火星非常安靜——以至于有幾次科學(xué)家認(rèn)為傳聲器已經(jīng)不工作了。很明顯，除了風(fēng)之外，火星上的自然聲源很罕見。

鳳凰號(hào)著陸器

除此之外，科學(xué)家還關(guān)注了毅力號(hào)自身產(chǎn)生的聲音。人們已經(jīng)深入研究了這些聲音在地球上的傳播。通過(guò)研究這些聲音在火星上的傳播，科學(xué)家能準(zhǔn)確描述火星大氣的聲學(xué)特性。

研究人員表示，與地球上的聲速（340米/秒）相比，火星上的聲速低得多，為240米/秒。然而，最令人驚訝的是，火星上實(shí)際有兩種聲速，一種是高頻聲速，另一種是低頻聲速。聲音在火星上的衰減比在地球上更快，尤其是高頻聲音——與低頻聲音不同，它衰減得非常快，即使在短距離內(nèi)也是如此。這些因素會(huì)使兩個(gè)相距僅5米的人很難進(jìn)行交談。這是火星大氣組成和非常低的大氣表面壓力造成的。

一年多來(lái)，毅力號(hào)獲得了數(shù)小時(shí)的聲音環(huán)境記錄。對(duì)這些聲音的深入分析使得科學(xué)家得以感知火星大氣湍流產(chǎn)生的聲音。這種湍流的規(guī)模比之前已知的任何湍流都小，對(duì)其進(jìn)行研究將增進(jìn)人們對(duì)大氣與火星表面相互作用的認(rèn)識(shí)。