苗千

水是生命之源——這句話，至今為止，不僅在地球上適用，也被認(rèn)為是貫之宇宙而皆準(zhǔn)的真理?！案S水的痕跡去尋找生命”，正是天文學(xué)家們?cè)谒械奶祗w上搜尋生命現(xiàn)象時(shí)所遵循的最基本原則之一。只有理解了這一點(diǎn)，才能明白為什么近期在火星的冰層之下發(fā)現(xiàn)了一個(gè)由液態(tài)水構(gòu)成的湖泊之后，人類的反應(yīng)是如此強(qiáng)烈。

意大利天文學(xué)家羅伯托·奧羅塞

2018年7月25日，在意大利博洛尼亞大學(xué)和意大利天體物理學(xué)研究所工作的天文學(xué)家羅伯托·奧羅塞（Roberto Orosei）與合作者們共同在《科學(xué)》（Science）雜志上發(fā)表論文《火星冰川下液態(tài)水的雷達(dá)證據(jù)》（Radar Evidence of Subglacial Liquid Water on Mars）。論文一經(jīng)發(fā)表，立刻在全世界范圍內(nèi)引起了轟動(dòng)，登上各大媒體的頭條。在地球的近鄰火星上到底有沒(méi)有液態(tài)水存在，這首先是一個(gè)讓科學(xué)家們陷入一場(chǎng)持續(xù)了幾十年時(shí)間爭(zhēng)論的重要問(wèn)題，這個(gè)發(fā)現(xiàn)可能成為這場(chǎng)爭(zhēng)論最終的裁決證據(jù);其次，火星湖的發(fā)現(xiàn)也有助于人們理解火星氣候變遷的歷史，這可能為人類在未來(lái)探測(cè)火星，甚至是移民到火星提供全新的思路;而最為重要的一點(diǎn)是，在火星上發(fā)現(xiàn)液態(tài)水，可以說(shuō)是人類尋找火星生命，乃至地外生命過(guò)程中的一個(gè)重大進(jìn)展。

怎樣在火星上尋找水

能夠做出這個(gè)發(fā)現(xiàn)絕非妙手偶得，其中凝結(jié)了科學(xué)家們十多年的辛勤工作。從2003年12月開(kāi)始，歐洲空間局（ESA）發(fā)射的“火星快車”（Mars Express）探測(cè)衛(wèi)星開(kāi)始在火星軌道上進(jìn)行探測(cè)，在這顆衛(wèi)星上搭載了一個(gè)簡(jiǎn)稱為“Marsis”的“火星次表面和電離層探測(cè)先進(jìn)雷達(dá)”（Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding）。這是人類第一個(gè)在其他行星軌道上工作，進(jìn)行地質(zhì)勘測(cè)的衛(wèi)星。它向火星的表面和次表面區(qū)域周期性地發(fā)射低頻電磁脈沖信號(hào)，通過(guò)收集和分析反射信號(hào)的被反射時(shí)間和強(qiáng)度以判斷火星的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

天文學(xué)家通過(guò)衛(wèi)星探測(cè)信號(hào)，首次在火星南極區(qū)域發(fā)現(xiàn)了一個(gè)地下液態(tài)水湖

外形獨(dú)特的Marsis雷達(dá)主要由兩個(gè)20米長(zhǎng)的發(fā)射和接收天線，外加一個(gè)7米長(zhǎng)的雜波消除裝置構(gòu)成。在15年的時(shí)間里，它在距離火星表面800公里的火星軌道上孜孜不倦地對(duì)火星進(jìn)行探測(cè)。一開(kāi)始，探測(cè)過(guò)程并不順利，因?yàn)榛鹦强燔囆l(wèi)星所攜帶的計(jì)算機(jī)功能的限制，Marsis只能將自己多次探測(cè)的數(shù)據(jù)取平均值之后發(fā)回地球，這導(dǎo)致科學(xué)家們雖然能夠發(fā)覺(jué)在數(shù)據(jù)中存在著引人注意之處，卻無(wú)法做出確切判斷，沒(méi)能發(fā)現(xiàn)火星湖。

直到2012年5月份，科學(xué)家們對(duì)火星快車衛(wèi)星的電腦系統(tǒng)進(jìn)行了軟件升級(jí)，Marsis得以把未經(jīng)處理的原始探測(cè)數(shù)據(jù)以一種緩慢的方式通過(guò)自身的偶極天線發(fā)回地球，這樣科學(xué)家們終于可以對(duì)火星的某個(gè)區(qū)域進(jìn)行細(xì)致的勘察。最令人感興趣的是火星的極地區(qū)域。Marsis在3年多的時(shí)間里，對(duì)火星的南極高原（Planum Australe）一個(gè)大約有200公里寬的區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)探測(cè)，為地球收集到了總共29組數(shù)據(jù)?？茖W(xué)家們仔細(xì)分析了這些數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算雷達(dá)信號(hào)發(fā)出和返回的時(shí)間，返回信號(hào)的強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)這個(gè)區(qū)域的淺層地表主要是由多層的冰和灰塵構(gòu)成。同時(shí)科學(xué)家們?cè)谕ㄟ^(guò)探測(cè)信號(hào)所繪制的地圖中又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)特別明亮的區(qū)域，經(jīng)過(guò)反復(fù)檢查，人們認(rèn)定在這個(gè)區(qū)域的冰層下可能存在著大量液態(tài)水。

當(dāng)電磁波信號(hào)射入火星的表面，因?yàn)槲锢硖匦缘牟煌?，在不同物質(zhì)的交界處就有可能對(duì)電磁信號(hào)進(jìn)行不同程度的反射。根據(jù)人們此前對(duì)地球的南極和格陵蘭區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)探測(cè)的經(jīng)驗(yàn)，液態(tài)水對(duì)于電磁信號(hào)的反射要比巖石和沉積物等其他物質(zhì)的反射更強(qiáng)，而且液態(tài)水底部對(duì)于電磁信號(hào)的反射又要強(qiáng)于頂部，這就讓液態(tài)水在通過(guò)雷達(dá)探測(cè)信號(hào)所繪制的圖像中顯得格外明亮。借助在地球上進(jìn)行探測(cè)的經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)家們正是基于這樣的原理得以繪制出火星南極區(qū)域淺層地表的地圖，并且發(fā)現(xiàn)在這個(gè)區(qū)域的冰川表面1.5公里以下，可能存在有20公里寬、大約幾十厘米深的大量液態(tài)水。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)非同小可。早在30年前，最開(kāi)始是由行星科學(xué)研究所（Planetary Science Institute）的資深科學(xué)家史蒂夫·克利福德（Steve Clifford），因?yàn)槿祟愒谀蠘O和格陵蘭區(qū)域的冰山下發(fā)現(xiàn)液態(tài)水而得到啟發(fā)，推測(cè)在火星的南極區(qū)域有可能也存在著類似的現(xiàn)象。這個(gè)想法雖然新奇，卻因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)的技術(shù)條件下根本無(wú)從被證實(shí)，只能淪為口舌之爭(zhēng)。幾十年來(lái)，關(guān)于在火星的南極區(qū)域，乃至在火星的表面，是否存在液態(tài)水，根據(jù)各種不同的證據(jù)，科學(xué)家們一直存在著激烈的爭(zhēng)辯。這次火星地下湖的發(fā)現(xiàn)可能終于讓這場(chǎng)爭(zhēng)論結(jié)束，從而開(kāi)啟一個(gè)火星探索的新時(shí)代。

一眼望去，火星的表面干涸枯竭，只是一顆了無(wú)生氣的紅色行星，但是在它46億年的歷史中卻并非一直如此，在火星表面顯而易見(jiàn)的河道痕跡就說(shuō)明了在它的表面也曾存在過(guò)液態(tài)水。實(shí)際上，火星的早年也和地球的環(huán)境類似，是一顆被大氣層所包裹的溫暖濕潤(rùn)的行星。在當(dāng)時(shí)它擁有足夠多的液態(tài)水，足以覆蓋其表面面積的五分之一。但是因?yàn)榛鹦切∮诘厍?，其自身的引力大約只有地球的三分之一左右，無(wú)法在表面維持一個(gè)厚實(shí)致密的大氣層，導(dǎo)致自身的水資源不斷流逝，氣候也隨之改變。

隨著其大氣層的逐漸消失，火星表面大部分的水分都逐漸蒸發(fā)到宇宙中，最終只剩下少部分的水，大多以冰川的形式留在火星，還有極少部分以水蒸氣的形式存在于火星微薄的大氣之中。在38億年的時(shí)間里，火星的外表看起來(lái)與地球迥異，成為一顆干涸貧瘠的紅色星球。