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重磅確認!火星表明發現大面積液態水,其南極冰蓋下有直徑20公里的湖

導讀:好訊息,火星上真的有液態水!

根據發表在 7 月 25 日《Science》的一篇文章,科學家首次確認,南極的冰川下麵存在直徑約20公里的大面積水域,這也是首個在這個“紅色星球”上發現的湖。

作者:DeepTech

本文授權轉載自DeepTech深科技(ID:mit-tr)


科學家通過使用雷達從軌道上探測到了這個水域的存在,而且它很可能十分寒冷,並且含鹽度極高,這也就意味著,它似乎不太可能有常規意義上的生命形態存在。

但是!這個重磅發現無疑會激發我們對火星更深層次的探索,無論是火星的生命存在、地質結構還是人類移民火星行程,都很有可能因此次發現翻開新的一頁。

 

▲火星特快號對火星南極地區的探測效果圖,其中深藍色區域對應強信號反射,被認為是由冰層下的液態水造成

01 真的是液態水?!

數十年來,人類一直認為水僅以氣態和固態的形式存在於火星上。雖然近幾年有證據間接表明火星上或許存在著季節性的液態水,但我們始終未能收集到決定性的觀測證據。直到這一次,意大利航天局帶來了他們在火星上找到液態水的研究成果。

根據意大利航天局的說法,他們在火星南極附近冰層下一英里處探測到大量穩定的液態水體。在探測中立了大功的探測設備是一種高級火星雷達,可用於探測地下和電離層結構,代號為“MARSIS”(Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding instrument)。

 

▲從火星特快號的圖像中,我們看不到南極冰蓋(白色區域)下的液態水,團隊在研究中所使用的資料由歐航局的火星特快號火星探測器提供

此次的研究始於 2012 年 5 月,當時的軟體升級使 MARSIS 能夠獲得更詳細的資料。

具體而言,MARSIS 會向火星發射低頻電磁脈衝,其中的一些脈衝會與火星錶面及其下方的特征相互作用,並反射回 MARSIS,為科學家提供有關火星地質結構的信息。

雖然用 MARSIS 研究火星的極地區域聽上去很簡單(將儀器對準冰面,分析反射回的信號),但事實並非如此,因為 MARSIS 依賴於火星特快號探測器的行動,但探測器在特定極地地區(Planum Australe,Orosei 團隊的重點調查地區)停留的時間極短。這意味著研究人員只能定期對該地區進行探測,而由於研究需要多次收集資料,團隊需要花上數年時間才能清楚地瞭解該地區冰層下方是否存在著其他東西。

▲火星特快號火星探測器

在 2012 年到 2015 年期間,Orosei 的團隊在大約 3 年半的時間里對火星的南極區域進行了總共 29 次探測,而資料分析的結果表明,雷達信號中存在著明顯的異常。

該異常位於冰層下方約一英里處,寬約 12 英里,深數英尺的一片區域,由該區域反射回的信號與其他區域相比尤其強烈,十分罕見。

或者更準確一點:對於固體來說,這種反射過於強烈了!


▲火星南極高原,圖中黑框部分為研究區域。(圖源:Science)

從之前對地球冰下湖泊的分析中科學家們可以得知,水比岩石或沉澱物對雷達的反射能力更強。而這個位於火星南極地帶的區域的雷達信號與地球上的冰下湖泊非常類似。

研究人員也試圖為這種強烈的反射尋找其他的可能性,例如,冰蓋上方或下方有一層冰凍二氧化碳,或許也能造成類似的現象,但研究人員認為,這種解釋或其他任何解釋都不如液態水的存在更符合當前的觀測。

“我不能 100% 證明它是水,但我也想不出除了液態水之外它還能是什麼可能是我缺乏想象,也可能是現在的資料還不足。”NASA 火星計劃辦公室的首席科學家 Richard Zurek 如此說道。但他也表示,如果有更多的雷達觀測結果,科學家們可能得出其他的解釋。他本人並未參與到該研究中。

▲論文第一作者 Roberto Orosei

研究團隊的負責人、意大利國家天體物理研究所的射電天文學家 Roberto Orosei 則認為:“MARSIS 為探測液態水而生,而現在它已經做到了這一點。

而這片水域的存在其實也引起了地球物理學家的註意。倫敦帝國學院的地球物理學家 Martin Siegert 認為,這個湖類似於格陵蘭島和南極洲幾公里冰層下相互連通的水域。但是,火星上形成深湖的過程可能與地球的情況不同。

這將開闢出非常有趣的火星科學研究領域,”Martin Siegert 說,他曾領導團隊試圖鑽探西南極洲下的埃爾斯沃思湖。

 

▲插播一張火星探測器“好奇號”自拍照

02 新的謎題也隨之而來

不過,正如絕大多數的科學發現一樣,此次成果仍有許多問題尚待回答。

比如說,在冰川之下負幾十度的溫度中,水是如何保持液態的?畢竟,解釋火星南極存在水並不容易。在地球的極地地區的冰下湖泊,其錶面改寫冰層的壓力可降低液體的熔點,而湖泊下麵地熱可對其提供熱量。但火星內部已經停止地質活動,因此幾乎沒有地熱,同時火星錶面引力很弱,1.5 千米的冰的重量並沒有使熔點降低太多。

對於這個問題,Orosei 團隊給出的解釋是,可能是火星岩石中的鎂鹽、鈣鹽和鈉鹽溶解到了水中,降低了水的凝固點。“它們是主要的嫌疑人。”Orosei 說。

但高含量的鹽和零下幾十度的溫度對任何試圖在那裡生活的微生物來說都不是什麼好兆頭。“如果火星的生命和地球的生命類似,這裡對它們來說太冷太咸了。”Orosei 說。接下來,研究者還將繼續尋找其他冰下湖並瞭解它們之間是否相連,以及是否還會有更深的地下水位。

巴黎-薩克雷大學的 ValèrieCiarletti 表示,湖泊也可能出現在較低緯度的溫暖區,那裡更適合活性微生物。“真正的大發現將是極地之外的更深處的水,”他說,他也是歐洲 ExoMars 火星車雷達探測器的開發者。


▲沙丘是火星上最普遍的特征之一,並且為周圍地形的沉積歷史提供了線索

還有一個問題是:未來,MARSIS 和其他航天器還能否在火星南部冰蓋下方探測到更多液態水?

Orosei 認為,如果這個湖泊是唯一一處液態水庫,則意味著現在的發現是一次奇怪的偶然,可能是地殼中一些不規則的熱特性導致的。但是如果火星上有不止一個冰下湖泊,人類對火星的探索將發生重大改變。

比如說,如果人類能發現更多冰下湖,那就意味著火星上滿足湖泊產生條件的地方不是那麼的少見。當這些滿足條件的地方在火星漫長的歷史中得以保持,那麼火星上的地下液態水或許能幫助我們瞭解火星早期的環境。

03 所以火星到底有沒有生命?

好了,接下來我們要直面一個無論科學家還是吃瓜群眾都十分關心的問題,那就是此次發現究竟和火星生命有沒有關係。

因為按照 Orosei 的推測,火星上冰下湖中含有高濃度的鹽,這是不是就意味著生物存在的可能性幾乎沒有了呢?

對於普通的生物而言,高濃度的鹽造成了環境的高滲透壓,可導致細胞滲透失水進而讓生物死亡。但許多人有所不知的是,就在地球上,有一群生物在極高鹽度的環境中生活,已經進化出了對付這些高濃度鹽的“十八般武藝”。

海洋科學家最近就發現,地球多處海域中分佈著深海鹽湖。這些鹽湖與普通海水之間有著清晰可見的分界,其鹽濃度可達普通海水的 5 倍,這一濃度對普通海洋動物來說是致命的。

但在這些深海鹽湖中,科學家發現了生命。

 

▲深海鹽湖。圖中貽貝下部與深海鹽湖中微生物共生,上部露在海水中

其中,微生物可通過化能合成作用加工洋底滲漏的甲烷,而鹽池中的細菌與生活在湖邊的貽貝存在共生關係。這些生命與我們通常熟悉的生命不同,它們不依賴陽光也不畏懼對普通生命來講的超高濃度鹽分。

從兼性嗜鹽生物、中度嗜鹽生物到極端嗜鹽生物,地球上存在著適應不同濃度鹽含量的生命。其中,極端嗜鹽生物,即耐受 15% 以上氯化鈉濃度的微生物,常具有獨特的細胞膜結構,一些嗜鹽古菌甚至具有獨特的紫膜結構,可通過捕獲光能將質子移除出細胞,並將得到的質子梯度轉化為化學能。

這些在高鹽度環境中存活的生命主要採取兩種不同的策略來防止其細胞質的滲透作用導致的脫水。第一種方式是將有機化合物積聚在細胞質中,這些物質稱為相容性溶質,可作為滲透保護劑防止細胞質滲透失水。最常見的相容性溶質包括氨基酸、糖、多元醇等。而第二種方式則更為激進,通過讓鉀離子選擇性地進入細胞來提高細胞內滲透壓。大多數古菌、酵母菌、藻類和真菌採取第一類方式,而少數中度嗜鹽微生物則採取第二類方式。

而這些嗜鹽微生物可以使用各種能源。它們可以是需氧的也可以是厭氧的,可以通過光合、發酵、硫酸鹽還原等多種方式獲取能量。

或許在火星冰下湖中,也存在著類似的生命,等待著科學家們發現。

 

▲一種耐鹽古菌 

04 上火星,我們是認真的!?

和生命存在同樣值得期待的是,大量的液態水對未來的火星移民者來說是個好訊息。雖然鑽探和淡化等需要的重型設備使得在火星上利用液態水還不太現實,但仍值得我們持續關註。

以目前的情況來看,可以說美國依舊是對於登陸火星興趣最為濃厚的國家,在 NASA 不同程度的支持之下,SpaceX、洛克希德·馬丁和波音公司都拿出了方向各異的“殖民火星”方略圖,為此各方時不時還要跳出來來一場“推特論戰”。但也正是在你追我趕的競賽之中,人類登上火星的進度表又極大地向前推進了不少。

▲馬斯克轉推了火星發現液態水的訊息

首先,我們來關註一下洛克希德·馬丁和波音兩位大佬的登火方案。在去年 9 月份國際宇航大會(IAC)上,洛馬公司又拿出了已經不怎麼新鮮的火星登陸器 MADV(Mars Ascent/Descent Vehicle)方案。

▲MADV 火星登陸器

按照詳細規劃,MADV 是一個以液氫液氧為推進劑可重覆使用的“登火神器”,但在洛馬公司的渲染之下,這種並不神秘的動力形式竟被形容成了頗具科幻色彩的“水動力”(water-powered)引擎。


▲MADV 與火星空間站進行對接

而在波音方面,它則是 NASA 太空發射系統(Space Launch System,SLS)的主要承包商,憑藉著當年製造登月火箭土星五號的經驗,太空發射系統將成為新一代超重型火箭的代表,預計將會在 2020 年底首飛,2030 年前有希望帶人前往火星。


▲太空發射系統

波音公司對自己的實力十分自信,甚至還一度為等火話題在網上和馬斯克嗆聲。去年 12 月 7 號,波音公司 CEO Dennis Muilenburg 就在推特上直截了當的說要在火星任務上擊敗馬斯克,而老馬自然也是不含糊,直接回覆“Do it”,暗意“你試試!”。

 

▲波音公司 CEO Dennis Muilenburg 推特嗆聲馬斯克

說起馬斯克的,這位“明日之子”的 SpaceX 肩負起了另一條探索火星的路徑。而既然以“太空探索”為公司命名、以“殖民火星”為終身使命,那麼想必鋼鐵俠腦海中的進軍火星方案是最為大膽瘋狂的。

根據在去年 9 月份國際宇航大會(IAC)上的最新修訂方案,馬斯克以較為保守可行的 BFR 方案替換掉了前一年十分激進的 ITS 方案。

具體來講,用於火星任務的 BFR 火箭(Big Falcon Rocket)和 BFS 飛船(Big Falcon Spaceship)完全遵循一以貫之的可重覆使用精神來設計。待到發射時,即首先發射一枚“BFR+BFS”組合,之後 BFR 火箭傳回,緊接著執行“BFR+推進劑補給船”組合發射,推進劑補給船在太空中給 BFS 飛船加註滿推進劑。完成這一套流程之後,BFS 飛船便獨自踏上了奔火之旅。


▲BFS 飛船渲染圖

這裡需要介紹一下 BFS 飛船,它不同於我們一般意義上的 7 人座太空飛船或 7 人座登月飛船,BFS 更像是一個豪華版的航天飛機。它直徑約 9 米、總長 48 米、最大載重 150 噸。更具亮點的是 BFS 飛船上有 40 幾個獨立的生活艙室,可以一次性運載約 100 名乘客。

因為火星距離地球最近時有 5500 萬公里,最遠時有 4 億公里,所以無論如何這趟旅程都需要至少半年左右的時間,也正因此,BFS 飛船上設置了各種儲物艙室、活動艙室。 

不過,在到達火星之後很快就會迎來第一個重大考驗,那就是如何降落火星錶面。在我們日常的印象中,地球上的物體從高空墜落通常會採用傘降的形式來增加空氣阻力、實現減速,但這一方法似乎在火星上並不適用。


▲BFS 前往火星流程圖

這是因為火星上較為特殊的大氣成分。火星大氣中 90% 以上都是二氧化碳,且大氣密度十分稀疏,僅為地球錶面的約 1/200。所以如果想要在火星錶面實現平穩降落,那就必須要搭配使用火箭助推器和降落傘,因此在 BFS 飛船的 6 台發動機設計中,就有兩台是用於火星錶面的降落與起飛。

既然是趟旅程,就必然不能是單程票,如何能夠使航天器在從火星傳回地球時依舊有足夠的燃料就成了各家公司的難題。幸好“火星狂人”祖布林提供了一個解決思路簡單理解就是拋卻繁雜的輔助航天器,直接利用火星上的資源製作燃料。

 

▲薩巴蒂爾甲烷化反應公式

根據薩巴蒂爾甲烷化反應,火星上充足的二氧化碳和氫氣在高溫加壓下反應可以生產出甲烷,即 BFS 猛禽發動機的燃料。至於氫氣的由來,則主要依靠火星上的固態水。這裡需要說一下,雖然此次有液態水在火星上被髮現,但考慮到其貯藏深、難採取等缺點,恐怕不會對火星上獲取液態水資源有什麼助力之處。而按照這個路徑規劃,只要火星上製成甲烷技術成熟,那麼打造火星——地球間往返航班就將不再遙遠。

最後,需要提一下的是,雖然此次的火星液態水發現會增加人們對於火星生命的好奇心,而對於人類登陸火星來講暫時還沒有什麼實質性的幫助。但或許這種原汁原味的“火星水”本就是發現的一大亮點,也許未來的某一天,這將會成為人類炙手可熱的奢侈產品,你有沒有興趣去藉機掘得一桶金?口號都給你想好了——“我們不生產水,我只是火星水的搬運工!”

參考:

doi:10.1126/science.aau8871

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Halophile

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