洞察號(hào)的設(shè)計(jì)目的是探察火星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在該探測(cè)器的諸多儀器里，有一臺(tái)極為敏感的地震儀（圖片中心），一直在監(jiān)測(cè)火星的每次顫動(dòng)。
圖源：NASA/JPL-CALTECH
撰文：MAYA WEI-HAAS
在那荒涼的塵封表面下，火星正在嗡嗡作響。這種平靜而又持續(xù)的聲響，周期性地與火星上震動(dòng)的節(jié)奏一同律動(dòng)，但這種奇異聲響的來(lái)源卻無(wú)人知曉。
這種嗡響只是美國(guó)宇航局“洞察號(hào)”著陸器檢測(cè)到的眾多奧秘和發(fā)現(xiàn)之一。該研究近日發(fā)表在《自然·地球科學(xué)》和《自然·通訊》上，讓我們得以管窺火星地表上下的驚人活動(dòng)。
2018年11月，洞察號(hào)著陸在了火星赤道附近一片平坦且平凡的廣闊地域。此后，它一直在利用一臺(tái)敏感度極高的地震儀和諸多設(shè)備來(lái)監(jiān)測(cè)火星的地質(zhì)活動(dòng)，探索其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
這張插圖描繪的是洞察號(hào)探測(cè)器在火星表面上工作的情形。從中可以看到地震儀和深入到地下的溫度感應(yīng)探針。
插圖：NASA/JPL-CALTECH
洞察號(hào)任務(wù)的首席研究員Bruce Banerdt說(shuō)：“看到這些好東西，終于能振臂高呼，讓人松一口氣了。”
除了奇怪的嗡響之外，洞察號(hào)發(fā)回的最新數(shù)據(jù)還描述了在火星上首次發(fā)現(xiàn)的斷裂帶、火星現(xiàn)代磁場(chǎng)的模式與脈沖，以及火星過(guò)去磁場(chǎng)的痕跡。總體來(lái)看，這些在火星上搜集到的信息，十分有利于我們理清所有巖質(zhì)行星形成與演化的過(guò)程。
“你不能只用地球就建立一個(gè)模型，而是需要更多數(shù)據(jù)點(diǎn)?！倍床焯?hào)任務(wù)的副首席研究員Suzanne Smrekar說(shuō)，“看到這些東西真是讓人超級(jí)激動(dòng)，我們也在盡力去理解火星。”
奇異的震源
洞察號(hào)的一個(gè)主要目標(biāo)就是測(cè)量火星上的地震活動(dòng)。它最初幾個(gè)月的監(jiān)測(cè)安靜得讓人憂(yōu)心。不過(guò)，最終，2019年4月6日，洞察號(hào)探測(cè)到了使整個(gè)火星都隆隆作響的“火星震”，讓地球上的地震學(xué)家激動(dòng)不已。
Banerdt介紹，自從那次探測(cè)以后，越來(lái)越多的火星震數(shù)據(jù)傳回地球，洞察號(hào)至今已監(jiān)測(cè)到450多次火星震?；鹦堑幕钴S度并不令人驚訝，不過(guò)小震動(dòng)似乎發(fā)生得越來(lái)越頻繁。小震動(dòng)次數(shù)的增加，可能是季節(jié)效應(yīng)，不過(guò)，由于我們剛剛開(kāi)始整理火震數(shù)據(jù)，這一現(xiàn)象仍然是研究團(tuán)隊(duì)致力于解開(kāi)的謎團(tuán)之一。
科學(xué)家還不十分確定這些火星震都是從何而來(lái)。在地球上，地表的頻繁抖動(dòng)是地質(zhì)板塊緩慢移動(dòng)造成的。當(dāng)?shù)貧ぶ械膲毫奂揭欢ǔ潭龋瑒t會(huì)爆發(fā)地震。但火星上并沒(méi)有全球性板塊，因此，地質(zhì)學(xué)家們正在探尋其他可能的誘因。
洞察號(hào)發(fā)現(xiàn)的2次特別的震動(dòng)，讓科學(xué)家們距離答案更近了一步。這兩次震動(dòng)響亮而清晰，震級(jí)在3到4級(jí)之間，研究人員因此追蹤到了其震源：由許多深溝組成的科柏洛斯槽溝（Cerberus Fossae）。該地貌形成于1000萬(wàn)年前或更晚時(shí)候。
大量巖漿和洪水曾經(jīng)從這些裂縫涌出地面，而且地下深處可能至今仍然涌動(dòng)著一些流體。Smrekar說(shuō)，如此一來(lái)，一汪汪巖漿冷卻收縮，或者熔巖或水在地表下運(yùn)動(dòng)，可能產(chǎn)生了這兩次火星震。
為確定火星震的成因，為更好地理解火星地表下的情形，科學(xué)家必須探測(cè)更多次震動(dòng)，甚至是若干次大地震。
Smrekar說(shuō)：“我們希望能看到一場(chǎng)5級(jí)地震。誰(shuí)知道呢？我們只能等著?！?/p>
永不休止的火星之歌
除了偶發(fā)的震動(dòng)，洞察號(hào)還監(jiān)測(cè)到背景中一直有個(gè)持續(xù)嗡響的地震信號(hào)。
地球上有許多穩(wěn)定的背景嗡響，最常見(jiàn)的來(lái)自于海洋的翻騰及海浪對(duì)海岸的沖擊。但是，倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的地震學(xué)家Stephen Hicks（未參與本研究）稱(chēng)，火星上的嗡響頻率高達(dá)2.4赫茲，比地球上最常見(jiàn)的1赫茲以下的天然聲音高很多。
分析表明，火星上的嗡響與呼嘯的風(fēng)并無(wú)關(guān)聯(lián)，并且似乎會(huì)隨著遙遠(yuǎn)火震的發(fā)生而加強(qiáng)。美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的地球物理學(xué)家Joshua Carmichael（未參與本研究）說(shuō)，這就好像在人在鐘旁邊大喊而使鐘鳴響一樣；人的嗓音混合了多個(gè)頻率，如果某個(gè)頻率與鐘共振，喊聲就會(huì)使鐘鳴響。
Banerdt說(shuō)，火星的嗡響可能與洞察號(hào)下方的地質(zhì)情況有關(guān)，它可能會(huì)放大特定的音調(diào)。洞察號(hào)位于一個(gè)古老的撞擊坑，里面布滿(mǎn)了灰塵和砂子。這些灰塵和砂子可能會(huì)因震動(dòng)而產(chǎn)生環(huán)形。然而，Banerdt稱(chēng)，洞察號(hào)周?chē)淮嬖谶@種結(jié)構(gòu)，一方面是因?yàn)轱L(fēng)太大，另一方面是因?yàn)檫@個(gè)撞擊坑盆地似乎太小，不足以產(chǎn)生那種圓環(huán)。
Hicks認(rèn)為，嗡響和震動(dòng)可能來(lái)自于兩個(gè)單獨(dú)的來(lái)源。Banerdt補(bǔ)充說(shuō)，洞察號(hào)著陸器本身甚至也有可能產(chǎn)生神秘的共振。
Banerdt說(shuō)：“真是困惑極了。這究竟是什么，我們還沒(méi)有達(dá)成一致意見(jiàn)?！?/p>
愈加清晰的磁場(chǎng)圖景
除了揭示火星目前怪異的地震活動(dòng)，洞察號(hào)發(fā)回的最新數(shù)據(jù)還揭示了火星磁場(chǎng)有些意外之處：著陸器周?chē)拇艌?chǎng)，比之前衛(wèi)星預(yù)測(cè)的要強(qiáng)10倍。
驅(qū)動(dòng)我們地球磁場(chǎng)的是“地質(zhì)發(fā)電機(jī)（geodynamo）”：我們腳下約2900千米，地球融化的鐵核心穩(wěn)定地?cái)噭?dòng)著。這種攪動(dòng)產(chǎn)生了一個(gè)全球性的磁場(chǎng)，包圍著我們的地球，保護(hù)它免受太陽(yáng)的輻射。
火星曾經(jīng)也有一個(gè)類(lèi)似的“發(fā)動(dòng)機(jī)”，但幾十億年前就已停機(jī)，從而使太陽(yáng)風(fēng)剝?nèi)チ嘶鹦窃?jīng)厚厚的大氣層。如今，火星僅剩下微弱的磁場(chǎng)，以磁性礦物的形式存在于星球的巖石中。如此一來(lái)，一塊塊強(qiáng)度不同的磁場(chǎng)拼接成了火星磁場(chǎng)。
軌道探測(cè)器在火星高空中飛過(guò)時(shí)，只能觀測(cè)到一幅模糊的磁場(chǎng)圖景。但現(xiàn)在，洞察號(hào)相當(dāng)于拍攝到了一幅高清圖像，而磁場(chǎng)也比之前預(yù)想的更強(qiáng)。盡管洞察號(hào)著陸器的測(cè)量只是一個(gè)單點(diǎn)數(shù)據(jù)，但這一信息或?qū)椭覀冏罱K解開(kāi)火星以前“地質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)”的強(qiáng)度，反過(guò)來(lái)又能解答火星是何時(shí)、為何從一個(gè)溫暖濕潤(rùn)的星球變成了一個(gè)又干又冷的天體。
加州大學(xué)伯克利分校的行星空間物理學(xué)家Robert Lillis（未參與本研究）說(shuō)：“這次測(cè)量只用一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，讓我們第一次稍稍了解了磁性可能會(huì)強(qiáng)多少?！?/p>
這些新研究還提供了一條關(guān)于火星地質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)年齡的線(xiàn)索。研究人員追蹤到地下幾千米處的一個(gè)巖層，據(jù)估測(cè)，該巖層已有39億年歷史，比科學(xué)家推測(cè)火星地質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)“熄火”時(shí)間晚2億年。
難道火星的地質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)在火星內(nèi)核里涌動(dòng)的時(shí)間比以前推測(cè)的更長(zhǎng)嗎？不列顛哥倫比亞大學(xué)及行星科學(xué)研究所的地球物理學(xué)家Catherine Johnson提醒說(shuō)，由于該巖層的年代尚有很大不確定性，因此難以回答這個(gè)問(wèn)題?；蛟S，洞察號(hào)未來(lái)的更多發(fā)現(xiàn)將提供更多線(xiàn)索。
神秘的脈沖
洞察號(hào)還探測(cè)到在火星穩(wěn)定的磁場(chǎng)頂部有一些擺動(dòng)的磁力。這部分磁場(chǎng)會(huì)隨晝夜變化，磁力信號(hào)偶爾還會(huì)微弱地脈動(dòng)。
白晝的磁場(chǎng)變化在地球上很普遍。在我們地球的向日面，太陽(yáng)輻射會(huì)擊打大氣層上層，產(chǎn)生的帶電粒子會(huì)與風(fēng)和地球的磁場(chǎng)線(xiàn)交互作用，產(chǎn)生電流。因此，向日面的磁場(chǎng)就會(huì)稍稍變強(qiáng)，而背日面一側(cè)就會(huì)稍弱。這種現(xiàn)象在火星上也存在，而科學(xué)家們之前并未想到能從火星地表探測(cè)到這一現(xiàn)象。
火星磁場(chǎng)變強(qiáng)的時(shí)段似乎較短，且發(fā)生在午夜前后，有時(shí)在黎明或黃昏時(shí)分。Johnson指出，這些變化并非每日都出現(xiàn)，沒(méi)有明顯的節(jié)奏或原因。這場(chǎng)“磁場(chǎng)變奏曲”的隱形導(dǎo)體很可能位于火星表面上方很高的地方。在那里，來(lái)自太陽(yáng)的帶電粒子繞著火星流轉(zhuǎn)，受火星稀薄的大氣層、不均勻的磁場(chǎng)等影響而偏轉(zhuǎn)。
這些太陽(yáng)風(fēng)產(chǎn)生的渦流，可能會(huì)使火星磁場(chǎng)產(chǎn)生波動(dòng)。這一過(guò)程或類(lèi)似的效應(yīng)，可能就是洞察號(hào)發(fā)現(xiàn)的地表磁場(chǎng)脈搏的來(lái)源。
“我們真的不知道這些是從哪來(lái)的?！盝ohnson說(shuō)道。地表上洞察號(hào)的分析，與軌道上“火星大氣與揮發(fā)物演化任務(wù)探測(cè)器（MAVEN）”的分析結(jié)果交叉對(duì)比，可能會(huì)有所突破。
與此同時(shí)，這一批新論文所用的洞察號(hào)的所有數(shù)據(jù)都已對(duì)公眾開(kāi)放，而且每三個(gè)月還會(huì)發(fā)布一批新數(shù)據(jù)。Banerdt希望其他科學(xué)家能加入他的團(tuán)隊(duì)，繼續(xù)研究這些數(shù)據(jù)。
他說(shuō)：“思考這些東西的人越多，得到好答案的可能性就更高。”
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