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為什麼火星是太陽系最難登陸的地方?為什麼人類對火星興趣最濃厚


名著笑談歐洲空間局火星探測計劃的項目科學家豪爾赫·瓦戈火星為什麼對人類如此重要,研究火星能夠對人類有哪些啟發?帶著這些問題,本刊採訪了歐洲空...

- 2019年7月21日11時33分
- 科學文摘 / 名著笑談2019

名著笑談2019

歐洲空間局火星探測計劃的項目科學家豪爾赫·瓦戈

火星為什麼對人類如此重要,研究火星能夠對人類有哪些啟發?帶著這些問題,本刊採訪了歐洲空間局火星探測計劃的項目科學家豪爾赫·瓦戈(Jorge Vago)。


「月亮是黑白的,而火星是彩色的」

三聯生活周刊:在太陽系的所有天體中,為什麼人類對火星的興趣最濃厚?

瓦戈:火星是距離地球最近的鄰居,而且有相當大的可能性,它在過去也曾經有過生命存在,這就讓火星顯得既能夠到達,又非常的有趣——這是一個很不錯的組合。以平均距離來說,金星比火星距離地球更近一些,但是很難在金星進行探測器的著陸操作(金星的大氣壓和溫度都很高),而且由於金星完全被雲層所覆蓋,人類沒辦法在進行軌道上通過照相機拍攝金星的表面——人類需要利用雷達才能夠研究金星的表面。月亮距離地球也很近,但是在月球的表面從來沒有像火星表面一樣河道縱橫。當然,在太陽系中還有其他的一些天體也很有趣,比如木星和土星的一些衛星,但是相比之下它們都太遠了。我總是說月亮是黑白的,而火星是彩色的!

三聯生活周刊:美國航空航天局已經把幾個火星車和火星探測器送到了火星表面,而與之不同的是,歐洲空間局的火星探測器,例如火星「快車號」衛星和火星微量氣體任務衛星,都是在火星軌道上進行探測。這是否是因為美國航空航天局與歐洲空間局對火星探測的重點有所不同?

瓦戈:不是。這是因為在火星表面進行著陸非常困難和昂貴。相比之下,在火星軌道上進行探測就容易得多,因此歐洲空間局探測火星是從火星「快車號」衛星和火星微量氣體任務衛星開始的。之後也曾前進了一小步,試圖在火星表面進行著陸,但是很不幸,最終失敗了,但是這也教會了我們很多東西。(註:歐洲空間局曾與俄羅斯聯邦太空總署合作,計劃在2016年10月讓斯基亞帕雷利EDM登陸器在火星表面登陸,最終項目失敗,登陸器在火星表面墜毀。)

三聯生活周刊:除了從地球到火星的超遠距離之外,發射火星探測器最大的技術難題是什麼?


瓦戈:在任何地方進行登陸都是困難的,而在火星進行登陸會尤其的困難。對於月球來說,人類可以通過火箭直接到達月球表面,而對於金星和「土衛六」(Titan)來說,這兩個天體都有緻密的大氣層,我們可以利用一個小降落傘進行登陸。相反的,對於火星來說,它具有一個我們無法忽視又非常稀薄的大氣層,這就意味著我們需要一個很大的降落傘和一個非常複雜的火箭反轉系統(Retrorocket

System)。可以說那是太陽系內最難進行登陸的地方。

圖:2017年5月30日,美國國家航空航天局發布了新款火星車的概念圖片。按照計劃該火星車將於2020年登陸火星,尋找可能存在的火星微生物留下的痕跡

三聯生活周刊:對火星的深入研究能否幫助人類更深地理解地球本身以及生命現象的本質?

瓦戈:我們不知道在地球上是如何產生生命現象的。大約44億年前,地球上的環境開始變得適合生命出現,地球的海洋溫度已經降了下來,可以允許在其內部發生一些有機化學反應。很遺憾的是沒有那個時期的岩石樣本保留至今。地球的板塊運動讓這些最古老的岩石處於高溫和高壓的環境中,抹掉了這些岩石上的痕跡。

而另一方面,火星是一顆相對較小的行星,並沒有經歷板塊運動,因此人類可能在火星一些古老的區域發現一些歷時40億年未曾變化的岩石樣本。因此,人類很有可能通過研究火星上一些極為古老的岩石而對地球的歷史更加清楚。

三聯生活周刊:目前歐洲空間局的科學家們對火星最大的好奇在於什麼?尋找火星生命,理解太陽系的演化歷史,還是另有其他方面?

瓦戈:(尋找火星生命和理解太陽系的演化歷史)實際上這兩點是相互聯繫的。「類地行星」形成和演化的條件對於在地球上出現生命現象也有根本性的作用,而且在火星,甚至可能在金星(在非常早的時期),也有可能出現過生命現象。研究我們的行星在嬰兒時期的發展,也會幫助我們理解這些鄰近行星在當時的狀態。

三聯生活周刊:我們如何判斷在其他行星上存在或是曾經存在過生命現象?其中最明確的信號是什麼?是大量的液態水、甲烷、某種聚合物,或是真正發現活細胞?

瓦戈:對於這個問題,並沒有單一的「最明確的信號」可言,而是一些證據線索會被一起考慮進來。當我們同時考慮很多因素的時候,才能在某種程度上證明(或否定)在火星上曾經出現過生命現象。

這種「生命信號」(Biosignature)主要分為兩大類型:一、被保存在岩石中的實體(或者有時也被稱為結構性的)信號。比如說可以表明微生物群落存在的化石樣本。二、化學方面的信號,比如一些只可能在生命系統中存在的有機分子——我們希望能夠在火星發現其中的幾種有機分子。甲烷可以看作是其中的一種可能的化學生命信號,但是單獨發現甲烷的存在並不能證明生命現象的存在,你還需要發現其他幾種生命信號同時存在才行。你需要把幾種生命信號放在一起集中考慮,這才會強烈地指示出生命現象的存在。除非你能夠發現幾種相互獨立的生命信號同時出現,否則就不能說證明了生命現象的存在。

三聯生活周刊:如果人類在火星的地表以下能夠發現大量的液態水,那麼在其中發現火星生命的機會是否會大幅增加?

瓦戈:如果我們真的能夠在火星地表以下發現液態水,那麼發現火星生命的機會確實會大幅增加。目前我們認為,火星的液態水只有可能存在於極深的地表以下,深度為兩公里左右,在那個位置上礦物柱(Mineral Column)重量所提供的壓力可以維持水以液態存在。可能就像在地球上一樣,現在仍然有一些微生物生活在火星的地下深處。

三聯生活周刊:如果人類發現了火星生命,又將採取一些什麼措施?火星生命會不會對人類構成一些潛在的威脅,比如說存在一些危險的火星病毒?

瓦戈:所謂的病毒只是極少量的遺傳物質,只有把它們與宿主生物一同考慮的時候,病毒才是「活的」。那麼可能存在的火星生命是否有可能對地球生命構成威脅?非常有可能的是沒有任何威脅,但是我們也不想冒任何的危險。正是出於這個原因,對於火星探索任務,我們才有非常嚴格的關於宇宙的清潔規則和樣品返回封裝。

三聯生活周刊:在可預見的未來,人類有沒有可能在火星上發現值得開採並運回地球的礦物或能量源?

瓦戈:我相信有朝一日,我們能夠在火星上發現一些資源可以幫助太空人們在火星生活,但是我非常懷疑在火星上有任何東西,出於商業原因,值得被運回地球。

席捲火星表面的全球性沙塵暴

「我們希望首次研究火星的第三個維度:深度」

三聯生活周刊:歐洲空間局在近期是否有將太空人送上火星的計劃?

瓦戈:近期並沒有這樣的計劃,但是我們非常希望可以成為人類探索火星國際項目的一部分。

三聯生活周刊:根據我的理解,地球與火星大約同時在太陽系形成,大約40億年前,它們的初始條件也非常相似,那麼是什麼原因使兩個行星看上去區別如此之大?

瓦戈:火星之所以在今天呈現出這樣的狀態,最主要的原因是它相對較小,沒有能力維持一個緻密的大氣層。這很不幸。如果火星有金星那麼大,那麼時至今日它仍然可能擁有大片的海洋、河流和湖泊。

三聯生活周刊:對於人類來說,有沒有可能在未來重塑火星的自然環境,使人類有可能在火星表面生活?

瓦戈:我想對於一顆如此接近太陽,引力作用又很微弱的行星來說,維持一個緻密大氣層的難度非常大。


三聯生活周刊:火星土壤對於人類來說是否有毒,人類有沒有可能像電影里描繪的一樣,在火星的土壤中種植蔬菜?

瓦戈:火星的土壤未必對人類有毒,但是它可能缺少關鍵的有機物作為養料,不過人類或許可以在火星土壤中添加這些養料。

三聯生活周刊:我們是否期待,在未來能夠在火星上觀測到火山爆發的場景?

瓦戈:有跡象顯示,即使是在10萬年前,在火星上也仍然有火山活動。這對於地質時間來說就如同昨天一樣。所以,為什麼不呢?

三聯生活周刊:歐洲空間局的「火星探測計劃2020」將會在什麼時間進行發射?

瓦戈:適合火箭發射的時間段(Launch Window)從2020年7月26日開始,大概有兩個星期左右的時間可以進行發射。

三聯生活周刊:現在美國航空航天局的「好奇號」火星車正在火星的表面搜集樣本,而「洞察號」火星探測器裝備了火星地震儀和鑽頭。那麼對於歐洲空間局的「火星探測計劃2020」來說,火星2020探測車(Exomars 2020 Rover)與科學研究平台相比之下有哪些特殊之處?

瓦戈:主要有三點不同:一、我們所計劃的火星登陸地點是為了探索火星極早期的歷史。火星2020探測車的登陸地點——歐克希亞高原(Oxia

Planum)——形成於40億年以前,當時在火星的表面還有大量的液態水流動。美國航空航天局所選擇的所有登陸地點形成時間都晚於36億年前,在那個階段火星已經開始乾涸了。二、火星2020探測車帶有一個鑽頭,可以在火星土壤深度0到2米之間的範圍內獲得樣本。這一點非常重要,因為火星的大氣層非常稀薄,宇宙射線可以直接穿透進入火星的土壤,摧毀一些人類希望研究的有機分子。模型顯示,想要尋找在火星土壤深處保存的生命信號,我們需要穿透大約1.5米的火星土壤。目前美國航空航天局的火星探測項目鑽探火星土壤最深大約只達到6厘米。三、火星2020探測車裝備有非常先進的負載,尤其是「MOMA」(Mars

Organic Molecule Analyzer,火星有機分子分析儀),這是用來研究有機分子的儀器——史上第一次——我們可以從未受到火星土壤中氧化物干擾的樣本中提取到化學物質進行研究。這些氧化物使此前美國航空航天局發射的「維京號」火星著陸器(Viking Landers),及「鳳凰號」(Phoenix)著陸器和「好奇號」(Curiosity)探測器的探測工作都變得非常複雜。

三聯生活周刊:除了尋找火星生命的痕跡之外,「火星探測計劃2020」還有其他哪些科學目標?

瓦戈:我們希望能夠首次去研究火星的第三個維度:深度。我們希望研究登陸地點的地質,並且理解在當地地址化學和水分的儲量與深度之間的變化關係。

三聯生活周刊:反過來說,對比火星,地球能夠擁有一個完備的生命支持系統最重要的原因是什麼?緻密的大氣層,穩定的磁層,還是活躍的板塊活動?

瓦戈:我認為最重要的原因有三點:行星的體積;與太陽的距離;水資源。緻密的大氣層和板塊運動可以說是以上三個因素所導致的結果。

三聯生活周刊:人類可以在火星上進行哪些在地球上無法完成的實驗?

瓦戈:我想我們可以在火星上完成的實驗都可以在地球上完成,但是反之則不一定。在地球,我們可以做很多在火星上難以實現的實驗,比如說濕化學實驗、複雜的樣品準備和電子顯微鏡觀測等。當然,如果有一天人類太空人可以踏上火星,我們或許也可以在火星進行這些實驗。


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