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重磅确认!人类在火星发现大面积液态水

北极蚊子 2018-7-26 14:04

根据发表在 7 月 25 日《Science》的一篇文章,科学家首次确认,南极的冰川下面存在直径约20公里的大面积水域,这也是首个在这个“红色星球”上发现的湖。

科学家通过使用雷达从轨道上探测到了这个水域的存在,而且它很可能十分寒冷,并且含盐度极高,这也就意味着,它似乎不太可能有常规意义上的生命形态存在。

但是!这个重磅发现无疑会激发我们对火星更深层次的探索,无论是火星的生命存在、地质结构还是人类移民火星进程,都很有可能因此次发现翻开新的一页。

图丨火星特快号对火星南极地区的探测效果图,其中深蓝色区域对应强信号反射,被认为是由冰层下的液态水造成

真的是液态水?!

数十年来,人类一直认为水仅以气态和固态的形式存在于火星上。虽然近几年有证据间接表明火星上或许存在着季节性的液态水,但我们始终未能收集到决定性的观测证据。直到这一次,意大利航天局带来了他们在火星上找到液态水的研究成果。

根据意大利航天局的说法,他们在火星南极附近冰层下一英里处探测到大量稳定的液态水体。在探测中立了大功的探测设备是一种高级火星雷达,可用于探测地下和电离层结构,代号为“MARSIS”(Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding instrument)。

图丨从火星特快号的图像中,我们看不到南极冰盖(白色区域)下的液态水,团队在研究中所使用的数据由欧航局的火星特快号火星探测器提供

此次的研究始于 2012 年 5 月,当时的软件升级使 MARSIS 能够获得更详细的数据。

具体而言,MARSIS 会向火星发射低频电磁脉冲,其中的一些脉冲会与火星表面及其下方的特征相互作用,并反射回 MARSIS,为科学家提供有关火星地质结构的信息。

虽然用 MARSIS 研究火星的极地区域听上去很简单(将仪器对准冰面,分析反射回的信号),但事实并非如此,因为 MARSIS 依赖于火星特快号探测器的行动,但探测器在特定极地地区(Planum Australe,Orosei 团队的重点调查地区)停留的时间极短。这意味着研究人员只能定期对该地区进行探测,而由于研究需要多次收集数据,团队需要花上数年时间才能清楚地了解该地区冰层下方是否存在着其他东西。

图丨火星特快号火星探测器

在 2012 年到 2015 年期间,Orosei 的团队在大约 3 年半的时间里对火星的南极区域进行了总共 29 次探测,而数据分析的结果表明,雷达信号中存在着明显的异常。

该异常位于冰层下方约一英里处,宽约 12 英里,深数英尺的一片区域,由该区域反射回的信号与其他区域相比尤其强烈,十分罕见。

或者更准确一点:对于固体来说,这种反射过于强烈了!

图 | 火星南极高原,图中黑框部分为研究区域。(图源:Science)

从之前对地球冰下湖泊的分析中科学家们可以得知,水比岩石或沉淀物对雷达的反射能力更强。而这个位于火星南极地带的区域的雷达信号与地球上的冰下湖泊非常类似。

研究人员也试图为这种强烈的反射寻找其他的可能性,例如,冰盖上方或下方有一层冰冻二氧化碳,或许也能造成类似的现象,但研究人员认为,这种解释或其他任何解释都不如液态水的存在更符合当前的观测。

“我不能 100% 证明它是水,但我也想不出除了液态水之外它还能是什么。可能是我缺乏想象,也可能是现在的数据还不足。”NASA 火星计划办公室的首席科学家 Richard Zurek 如此说道。但他也表示,如果有更多的雷达观测结果,科学家们可能得出其他的解释。他本人并未参与到该研究中。

图 | 论文第一作者 Roberto Orosei

研究团队的负责人、意大利国家天体物理研究所的射电天文学家 Roberto Orosei 则认为:“MARSIS 为探测液态水而生,而现在它已经做到了这一点。

而这片水域的存在其实也引起了地球物理学家的注意。伦敦帝国学院的地球物理学家 Martin Siegert 认为,这个湖类似于格陵兰岛和南极洲几公里冰层下相互连通的水域。但是,火星上形成深湖的过程可能与地球的情况不同。

这将开辟出非常有趣的火星科学研究领域,”Martin Siegert 说,他曾领导团队试图钻探西南极洲下的埃尔斯沃思湖。

图丨插播一张火星探测器“好奇号”自拍照

新的谜题也随之而来

不过,正如绝大多数的科学发现一样,此次成果仍有许多问题尚待回答。

比如说,在冰川之下负几十度的温度中,水是如何保持液态的?毕竟,解释火星南极存在水并不容易。在地球的极地地区的冰下湖泊,其表面覆盖冰层的压力可降低液体的熔点,而湖泊下面地热可对其提供热量。但火星内部已经停止地质活动,因此几乎没有地热,同时火星表面引力很弱,1.5 千米的冰的重量并没有使熔点降低太多

对于这个问题,Orosei 团队给出的解释是,可能是火星岩石中的镁盐、钙盐和钠盐溶解到了水中,降低了水的凝固点。“它们是主要的嫌疑人,”Orosei 说。

但高含量的盐和零下几十度的温度对任何试图在那里生活的微生物来说都不是什么好兆头。“如果火星的生命和地球的生命类似,这里对它们来说太冷太咸了。”Orosei 说。接下来,研究者还将继续寻找其他冰下湖并了解它们之间是否相连,以及是否还会有更深的地下水位。

巴黎-萨克雷大学的 ValèrieCiarletti 表示,湖泊也可能出现在较低纬度的温暖区,那里更适合活性微生物。“真正的大发现将是极地之外的更深处的水,”他说,他也是欧洲 ExoMars 火星车雷达探测器的开发者。

图丨沙丘是火星上最普遍的特征之一,并且为周围地形的沉积历史提供了线索

还有一个问题是:未来,MARSIS 和其他航天器还能否在火星南部冰盖下方探测到更多液态水?

Orosei 认为,如果这个湖泊是唯一一处液态水库,则意味着现在的发现是一次奇怪的偶然,可能是地壳中一些不规则的热特性导致的。但是如果火星上有不止一个冰下湖泊,人类对火星的探索将发生重大改变。

比如说,如果人类能发现更多冰下湖,那就意味着火星上满足湖泊产生条件的地方不是那么的少见。当这些满足条件的地方在火星漫长的历史中得以保持,那么火星上的地下液态水或许能帮助我们了解火星早期的环境。

所以火星到底有没有生命?

好了,接下来我们要直面一个无论科学家还是吃瓜群众都十分关心的问题,那就是此次发现究竟和火星生命有没有关系。

因为按照 Orosei 的推测,火星上冰下湖中含有高浓度的盐,这是不是就意味着生物存在的可能性几乎没有了呢?

对于普通的生物而言,高浓度的盐造成了环境的高渗透压,可导致细胞渗透失水进而让生物死亡。但许多人有所不知的是,就在地球上,有一群生物在极高盐度的环境中生活,已经进化出了对付这些高浓度盐的“十八般武艺”。

海洋科学家最近就发现,地球多处海域中分布着深海盐湖。这些盐湖与普通海水之间有着清晰可见的分界,其盐浓度可达普通海水的 5 倍,这一浓度对普通海洋动物来说是致命的。

但在这些深海盐湖中,科学家发现了生命。

图 | 深海盐湖。图中贻贝下部与深海盐湖中微生物共生,上部露在海水中

其中,微生物可通过化能合成作用加工洋底渗漏的甲烷,而盐池中的细菌与生活在湖边的贻贝存在共生关系。这些生命与我们通常熟悉的生命不同,它们不依赖阳光也不畏惧对普通生命来讲的超高浓度盐分。

从兼性嗜盐生物、中度嗜盐生物到极端嗜盐生物,地球上存在着适应不同浓度盐含量的生命。其中,极端嗜盐生物,即耐受 15% 以上氯化钠浓度的微生物,常具有独特的细胞膜结构,一些嗜盐古菌甚至具有独特的紫膜结构,可通过捕获光能将质子移除出细胞,并将得到的质子梯度转化为化学能。

这些在高盐度环境中存活的生命主要采取两种不同的策略来防止其细胞质的渗透作用导致的脱水。第一种方式是将有机化合物积聚在细胞质中,这些物质称为相容性溶质,可作为渗透保护剂防止细胞质渗透失水。最常见的相容性溶质包括氨基酸、糖、多元醇等。而第二种方式则更为激进,通过让钾离子选择性地进入细胞来提高细胞内渗透压。大多数古菌、酵母菌、藻类和真菌采取第一类方式,而少数中度嗜盐微生物则采取第二类方式。

而这些嗜盐微生物可以使用各种能源。它们可以是需氧的也可以是厌氧的,可以通过光合、发酵、硫酸盐还原等多种方式获取能量。

或许在火星冰下湖中,也存在着类似的生命,等待着科学家们发现。

图 | 一种耐盐古菌

上火星,我们是认真的!?

和生命存在同样值得期待的是,大量的液态水对未来的火星移民者来说是个好消息。虽然钻探和淡化等需要的重型设备使得在火星上利用液态水还不太现实,但仍值得我们持续关注。

以目前的情况来看,可以说美国依旧是对于登陆火星兴趣最为浓厚的国家,在 NASA 不同程度的支持之下,SpaceX、洛克希德·马丁和波音公司都拿出了方向各异的“殖民火星”方略图,为此各方时不时还要跳出来来一场“推特论战”。但也正是在你追我赶的竞赛之中,人类登上火星的进度表又极大地向前推进了不少。

图丨马斯克转推了火星发现液态水的消息

首先,我们来关注一下洛克希德·马丁和波音两位大佬的登火方案。在去年 9 月份国际宇航大会(IAC)上,洛马公司又拿出了已经不怎么新鲜的火星登陆器 MADV(Mars Ascent/Descent Vehicle)方案。

图丨 MADV 火星登陆器

按照详细规划,MADV 是一个以液氢液氧为推进剂可重复使用的“登火神器”,但在洛马公司的渲染之下,这种并不神秘的动力形式竟被形容成了颇具科幻色彩的“水动力”(water-powered)引擎。

图丨 MADV 与火星空间站进行对接

而在波音方面,它则是 NASA 太空发射系统(Space Launch System,SLS)的主要承包商,凭借着当年制造登月火箭土星五号的经验,太空发射系统将成为新一代超重型火箭的代表,预计将会在 2020 年底首飞,2030 年前有希望带人前往火星。

图丨太空发射系统

波音公司对自己的实力十分自信,甚至还一度为等火话题在网上和马斯克呛声。去年 12 月 7 号,波音公司 CEO Dennis Muilenburg 就在推特上直截了当的说要在火星任务上击败马斯克,而老马自然也是不含糊,直接回复“Do it”,暗意“你试试!”。

图丨波音公司 CEO Dennis Muilenburg 推特呛声马斯克

说起马斯克的,这位“明日之子”的 SpaceX 肩负起了另一条探索火星的路径。而既然以“太空探索”为公司命名、以“殖民火星”为终身使命,那么想必钢铁侠脑海中的进军火星方案是最为大胆疯狂的。

根据在去年 9 月份国际宇航大会(IAC)上的最新修订方案,马斯克以较为保守可行的 BFR 方案替换掉了前一年十分激进的 ITS 方案。

具体来讲,用于火星任务的BFR 火箭(Big Falcon Rocket)和 BFS 飞船(Big Falcon Spaceship)完全遵循一以贯之的可重复使用精神来设计。待到发射时,即首先发射一枚“BFR+BFS”组合,之后 BFR 火箭返回,紧接着执行“BFR+推进剂补给船”组合发射,推进剂补给船在太空中给 BFS 飞船加注满推进剂。完成这一套流程之后,BFS 飞船便独自踏上了奔火之旅。

图丨 BFS 飞船渲染图

这里需要介绍一下 BFS 飞船,它不同于我们一般意义上的 7 人座太空飞船或 7 人座登月飞船,BFS 更像是一个豪华版的航天飞机。它直径约 9 米、总长 48 米、最大载重 150 吨。更具亮点的是 BFS 飞船上有 40 几个独立的生活舱室,可以一次性运载约 100 名乘客。

因为火星距离地球最近时有 5500 万公里,最远时有 4 亿公里,所以无论如何这趟旅程都需要至少半年左右的时间,也正因此,BFS 飞船上设置了各种储物舱室、活动舱室。

不过,在到达火星之后很快就会迎来第一个重大考验,那就是如何降落火星表面。在我们日常的印象中,地球上的物体从高空坠落通常会采用伞降的形式来增加空气阻力、实现减速,但这一方法似乎在火星上并不适用。

图丨 BFS 前往火星流程图

这是因为火星上较为特殊的大气成分。火星大气中 90% 以上都是二氧化碳,且大气密度十分稀疏,仅为地球表面的约 1/200。所以如果想要在火星表面实现平稳降落,那就必须要搭配使用火箭助推器和降落伞,因此在 BFS 飞船的 6 台发动机设计中,就有两台是用于火星表面的降落与起飞。

既然是趟旅程,就必然不能是单程票,如何能够使航天器在从火星返回地球时依旧有足够的燃料就成了各家公司的难题。幸好“火星狂人”祖布林提供了一个解决思路,简单理解就是抛却繁杂的辅助航天器,直接利用火星上的资源制作燃料。

图丨萨巴蒂尔甲烷化反应公式

根据萨巴蒂尔甲烷化反应,火星上充足的二氧化碳和氢气在高温加压下反应可以生产出甲烷,即 BFS 猛禽发动机的燃料。至于氢气的由来,则主要依靠火星上的固态水。这里需要说一下,虽然此次有液态水在火星上被发现,但考虑到其贮藏深、难采取等缺点,恐怕不会对火星上获取液态水资源有什么助力之处。而按照这个路径规划,只要火星上制成甲烷技术成熟,那么打造火星——地球间往返航班就将不再遥远。

最后,需要提一下的是,虽然此次的火星液态水发现会增加人们对于火星生命的好奇心,而对于人类登陆火星来讲暂时还没有什么实质性的帮助。但 DT 君认为,或许这种原汁原味的“火星水”本就是发现的一大亮点,也许未来的某一天,这将会成为人类炙手可热的奢侈产品,你有没有兴趣去借机掘得一桶金?口号都给你想好了——“我们不生产水,我只是火星水的搬运工!”

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