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      用另一種方式“洞察”火星

      2017-10-24 15:01劉海英
      人民周刊 2017年18期
      關(guān)鍵詞:類地行星演化過程洞察力

      劉海英

      幾十年來,人類對火星的探索從未間斷?!坝職狻碧?、“機(jī)遇”號、“鳳凰”號、“好奇”號等探測器已經(jīng)登陸火星。但一直以來,人類對火星的探索都“浮于表面”。對火山、峽谷、巖石、土壤這些火星地表特征的種種研究,讓我們對火星有了初步的了解。美國國家航空航天局(NASA)近日宣布,“洞察”號將加入探索火星的隊(duì)伍 。這個(gè)“新進(jìn)小子”將走一條不同于“前輩”的探索之路:它將深入探查火星內(nèi)部,讓科學(xué)家通過火星,了解太陽系中包括地球在內(nèi)的類地行星的起源與演化過程。

      探查火星內(nèi)部

      揭示類地行星演化之謎

      “洞察力”是個(gè)很貼切的名稱,非常適合星際探索的頭銜,也和NASA此次任務(wù)的主要內(nèi)容契合。實(shí)際上,洞察力是“利用地震調(diào)查、測地學(xué)和熱傳輸進(jìn)行內(nèi)部探查”的英文首字母縮寫,它不僅僅是一個(gè)火星任務(wù),其中也隱含著NASA了解地球起源與演化秘密的期許。在NASA眼中,火星就如同一塊他山之石,科學(xué)家們希望通過對其內(nèi)部深層結(jié)構(gòu)的探測,來解決太陽系行星科學(xué)中的一個(gè)基本問題——40多億年前,太陽系內(nèi)的類地行星是如何形成的?

      一般來說,類地行星的形成是從一種叫作“吸積”的過程開始的。初始核心不斷地捕獲、吞吃周圍物質(zhì),隨著體積的增加,內(nèi)部溫度會(huì)逐漸升高并融化,而后隨著冷卻和再結(jié)晶,逐漸演變成我們今天所知的包含地核、地幔和地殼的類地行星。雖然所有的類地行星都有類似的結(jié)構(gòu),但它們絕非完全一樣,沒有統(tǒng)一模板,每一顆類地行星都經(jīng)過一個(gè)被稱為“分化”的過程,才變成它們目前的樣子。而對這一過程,科學(xué)家們知之甚少?!岸床炝Α比蝿?wù)的主要目標(biāo),就是探查火星內(nèi)部深層結(jié)構(gòu),了解行星的“分化”之謎,以揭示太陽系內(nèi)類地行星的演化過程。

      此外,通過對火星上的構(gòu)造活動(dòng)和隕石撞擊進(jìn)行深入研究,為了解地球上的類似活動(dòng)提供線索,也是“洞察力”任務(wù)的目標(biāo)之一。

      為什么是火星

      因?yàn)樗幸粋€(gè)“好身材”

      太陽系有八大行星,和地球相似的兄弟也不止火星一個(gè),水星、金星也都是類地行星。NASA為什么要選擇通過火星來了解類地行星的演化過程?或許原因不止一個(gè),但“洞察力”任務(wù)項(xiàng)目首席科學(xué)家,NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的布魯斯·班尼特的看法絕對是最權(quán)威的。他指出,選擇火星,是因?yàn)樗幸粋€(gè)“好身材”?!盎鹦遣淮蟛恍?,正合適”,班尼特這樣表述。

      火星有多大?直徑6794千米,大約是地球直徑的一半。這個(gè)體量,正是NASA科學(xué)家眼中的“完美身材”。

      首先,它足夠大,足以支撐其進(jìn)行早期的內(nèi)部加熱和分化過程,進(jìn)而形成類地行星。可以說,對火星演化的理解基本上可適用于水星、金星和地球。同時(shí),它又足夠小,導(dǎo)致其地質(zhì)活動(dòng)遠(yuǎn)沒有地球、金星活躍,因而能夠在經(jīng)過40多億年的漫長時(shí)間后仍保留著演化印跡。雖然水星比火星還小,可能會(huì)有類地行星早期形成過程的證據(jù),但它離地球太遠(yuǎn)而又離太陽太近了,以如今人類掌握的科技水平登陸水星,想都不要想,更遑論對其內(nèi)部進(jìn)行探查了。

      正因有著一個(gè)“好身材”,火星才成為科學(xué)家了解類地行星演化過程的最佳目標(biāo)。火星地殼的厚度和分層、地幔的密度和層理、地核的大小和密度、熱量從內(nèi)部散逸的速率等信息,蘊(yùn)含著太陽系中類地行星形成過程的最深入、最準(zhǔn)確的記錄。它就如同一本“歷史書”,內(nèi)含諸多的“秘聞、真相”,需要科學(xué)家們一點(diǎn)兒一點(diǎn)兒地挖掘。

      六個(gè)調(diào)查項(xiàng)目

      倚仗兩大研究利器

      “洞察”火星,需要看到哪些景象,才能完成揭示太陽系內(nèi)類地行星演化過程、尋找地球構(gòu)造活動(dòng)及隕石撞擊線索這兩大任務(wù)?

      NASA為“洞察”號設(shè)定了6個(gè)調(diào)查項(xiàng)目,希望通過這些調(diào)查,一窺火星內(nèi)部深層結(jié)構(gòu)的奧秘。這6個(gè)調(diào)查項(xiàng)目分別是:確定火星地核的大小、組成和物理狀態(tài);確定火星地殼的厚度和結(jié)構(gòu);確定火星地幔的組成和結(jié)構(gòu);確定火星內(nèi)部的熱態(tài);測量火星內(nèi)部地震活動(dòng)的幅度、速率和地理分布;測量火星表面的隕石撞擊率。

      而這6個(gè)調(diào)查項(xiàng)目的完成,則要倚仗“洞察”號荷載的兩臺(tái)精密儀器——地震儀(SEIS)和熱流探頭(HP3)。

      按照NASA的計(jì)劃,“洞察”號探測器將在2018年11月26日登陸火星,在火星赤道附近著陸后,將這兩個(gè)儀器永久放置在火星上。

      此外,NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室還將進(jìn)行一項(xiàng)自轉(zhuǎn)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)(RISE),科學(xué)家們將利用火星與地球之間的無線電傳輸來評估火星繞軸自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的擾動(dòng),該實(shí)驗(yàn)將為研究火星內(nèi)核大小提供線索。

      科學(xué)家們希望,他們能通過這些先進(jìn)的儀器探測到火星的各種“生命跡象”:通過SEIS探測它的“脈搏”,通過HP3測量它的“體溫”,通過RISE觀察它的“條件反射”。這些“生命跡象”,既是火星億萬年的成長記錄,也是揭開太陽系內(nèi)類地行星演化之謎的鑰匙。

      明年5月5日后5周內(nèi)的某一天,“洞察”號將從美國加州中部的范登堡空軍基地升空,并于感恩節(jié)后的第一個(gè)星期一登錄火星,隨后開始對火星“診脈測溫”。NASA預(yù)計(jì),在所有儀器部署完成后,科學(xué)家在一個(gè)火星年(687天,相當(dāng)于1.88個(gè)地球年)內(nèi)將獲得超過29Gb的數(shù)據(jù)。屆時(shí),人類對火星的探索有望邁向一個(gè)新高度。

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      地震儀,全稱為內(nèi)部結(jié)構(gòu)地震實(shí)驗(yàn)裝置(SEIS),由法國國家太空研究中心、巴黎地球物理研究所、瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院、德國馬克·普朗克研究所、英國帝國理工學(xué)院和NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合打造,其靈敏度“令人發(fā)指”,足以探測到不足氫原子直徑一半的地層移動(dòng)。SEIS將記錄火星地震或隕石撞擊產(chǎn)生的地震波,向科學(xué)家提供火星地層內(nèi)部的相關(guān)信息。

      熱流探頭,全稱為熱流與物理性能包(HP3),由德國航空航天中心提供。它要比以前火星車上的小鏟子等工具厲害得多,能夠深入火星地表以下10英尺(3米)甚至更深處,對來自火星內(nèi)部的能量進(jìn)行測量。endprint

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