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探寻火星生命
发布时间:2023-03-27     作者:​林杨挺   来源:知识就是力量   分享到:

19世纪晚期,欧洲天文学家利用当时新研制的望远镜,发现火星表面的线性网状条纹,并把它们解释为“运河”,自此“火星人”成为科幻作品的主角;1976年,海盗1号(也称维京1号)在火星表面拍摄到一张酷似人脸的照片,再次引发人们对“火星人”的遐想。自始至终,生命的探寻一直是火星探测的主要任务。

生命探寻历程

火星探测器搜寻生命信息

从1960年苏联发射首颗火星探测器,至2018年美国国家航空航天局(NASA)洞察号在火星着陆,人类共进行了45次火星任务发射,成功率约50%,包括8次成功着陆。在这8次成功着陆中,除了洞察号任务以探测火星内部结构为主要目标之外,其他7次任务都把火星古环境探测和搜寻生命信息作为重要目标。为此,这些着陆器或火星车都把着陆点选择在最有可能发现生命的区域,例如古老的撞击盆地(可能是古湖泊)、古河口、火星南北交界带(可能是滨海带)等。

为了探测生命,海盗1号、2号着陆器专门设计了微生物防护罩,以避免地球的微生物污染火星表面。好奇号火星车的主要任务是探寻火星的古环境,其着陆区位于盖尔陨石坑内。好奇号取得了众多与生命和古环境相关的发现,主要包括:火星大气中甲烷存在的确认;在火星土壤中检测到含氯有机质;原位分析了火星表面岩石的年龄,并在30多亿年的泥岩中分析出2.4%的水含量,以及氢的同位素组成;分析了火星大气的气体组成和碳同位素组成;证实盖尔陨石坑曾经是个古湖泊。

火星陨石提供生命存在证据

探寻火星生命的另一条重要途径是火星陨石。迄今为止,火星陨石仍是唯一能获得的火星样品,它携带了火星形成与演化的信息,以及火星古环境和可能的生命痕迹。目前全球已经收集到约300块火星陨石样品,其中5块是目击降落的陨石;其他主要发现于沙漠或南极,属于发现型陨石。

1815年,第一块目击降落型火星陨石降落在法国,但直到1983年这些陨石的火星来源才得到确认。1996年,NASA的科学家声称在一块南极火星陨石(ALH84001)中发现生命存在的证据:在陨石中发现了碳酸盐脉以及相关的有机质,类似磁细菌中磁小体链的形态、磁铁矿和黄铁矿等。但是,大多数学者认为,除了碳酸盐脉,其他的证据有多种成因解释,甚至是污染或制样中产生的结果。2011年,一块火星陨石降落在摩洛哥沙漠,经过分析,中美科学家在该陨石中分别发现了有机质,这一发现是目前支持火星存在生命的重要证据。

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神秘而美丽的火星

宜居环境演化

行星环境的演化是生命起源、繁衍和进化的基础。虽然火星曾经有过宜居的环境,甚至现代火星的地下也有满足生命的条件,但火星生命的探寻仍需找到生物本身或其遗迹才行。

火星表面曾经有水存在

火星轨道探测器获得的大量高清晰影像,显示了火星表面有水流形成的各种地形地貌;而火星轨道器上搭载的光谱仪,可以识别火星表面分布的各种矿物,特别是识别出石膏、碳酸盐、黏土矿物、赤铁矿等。这些矿物不仅佐证了水的存在(它们或是岩浆岩与水相互作用形成,或是从不断蒸发的水体中结晶出来),而且与地球上的矿物类似,可以帮助人们确定火星液态水的盐度、酸碱性等条件。

所有的探测结果都指示了火星表面水流的主要活动时期早于35亿年。后来,由于火星内部活动和火山喷发减弱、磁场消失、河流干涸,从30亿年以来,火星就基本上处于与现在相似的寒冷、干旱环境。火星上的水到底去哪儿了?科学家认为,消失的地表水,一部分以地下冰川和两极冰盖的形式存在,还有一部分被太阳风吹离火星而逃逸进太空。

火星陨石记录古环境信息

另外,科学家通过对火星陨石的研究,发现在一些火星陨石中存在黏土矿物,以及脉状的碳酸盐、石膏等蒸发盐。更为重要的是,这些火星陨石从岩浆中结晶出来后,如果遇到地下水,就会通过水-岩反应记录地下水存在的证据等重要信息。

中国曾在南极格罗夫山找到两块火星陨石,分别命名为 GRV99027(1999年发现)和GRV020090(2002年发现)。中国科学院地质与地球物理所的科研人员利用纳米离子探针,用束斑直径仅为100纳米的铯离子轰击GRV020090火星陨石样品表面,分析水的含量和氢同位素氘/氢比值。分析结果发现,GRV020090火星陨石记录了当时火星地下水扩散加入的信号,科研人员还根据水的扩散速度,得到扩散过程的时间长达25万年。这一发现证明,晚到1.8亿年前,通过岩浆的热量融化地下冰川,火星地下仍可以存在地下水活动,并且持续很长时间。同时,测出的地下水氢同位素很重,其氘/氢比值是地球的7倍。这说明曾有大量的水逃逸离开了火星(在逃离过程中,氢比氘丢失得更快,故留下水的氘/氢比值升高)。

火星内部活动决定环境变化

火星表面宜居环境的变化,主要受控于火星内部活动。火星的直径约为地球的一半,其产生磁场的发电机很早就已停止工作。失去磁场保护的火星大气和电离层,在高速太阳风的侵蚀下,水和气体分子不断逃逸。

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人类渴望登上火星

生命探寻突破

2020火星采样返回毅力号(Perseverance)的任务是NASA火星探测长期规划的重要组成部分,其主要目标是回答天体生物学的关键问题——即火星生命的存在与否。该任务不仅要探索古老火星的宜居环境,还要探寻微生物本身的证据。

毅力号火星车将携带钻取装置,用来钻取最有可能保存生命痕迹的岩石或土壤的岩芯样品。这些样品会先贮存在一个地方,通过再发射一次火星任务,将样品带回地球,然后利用实验室中最灵敏、最准确、最高分辨的各种现代仪器进行分析研究。另外,NASA的下一个里程碑目标是人类登陆火星,发现火星微生物存在的直接证据,最终回答火星是否存在生命。

中国将以嫦娥工程为起点,开展对整个太阳系的探测,而火星则是除月球之外的最重要探测目标。2020年7月,中国将首次自主探测火星,这是首次进行轨道器、着陆器、火星车三位一体的联合探测,将获得不同空间尺度上火星环境的同步参数以及火星古环境的信息,理解火星宜居环境的演化。另外,中国还规划了火星样品的采样返回任务,通过对火星岩石和土壤样品的分析,探索生命的痕迹和古气候环境的变化。


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