發(fā)現(xiàn)火星水

劉聲遠(yuǎn)

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)火星地下有好幾千米深的水體。它能支持生命嗎？

歐洲空間局的一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)于2018年7月25日宣布，他們發(fā)現(xiàn)火星南極冰蓋下面有一個(gè)大型水體。該發(fā)現(xiàn)是一項(xiàng)為期10年的專題研究的成果，它可能改變發(fā)現(xiàn)火星生命的概率。

真的假的？ 科學(xué)界看法不一

直徑大約為20千米的這個(gè)水體，被隔絕在火星南極冰蓋下近1.6千米。其中水的鹽度很高，以至于在該水體底部-67.7℃的條件下水依然能保持液態(tài)。一旦該水體的存在被最終證實(shí)，它就會(huì)是迄今為止在火星上發(fā)現(xiàn)的最重要的液態(tài)水體。有關(guān)火星液態(tài)水的其他證據(jù)，都來自于遠(yuǎn)古水體和短暫的季節(jié)性水流。發(fā)現(xiàn)火星上類似于地球南極冰下湖的現(xiàn)有穩(wěn)定水體，燃起了火星愛好者的一種熱望：我們的行星近鄰——火星上說不定真的有生命呢！

美國宇航局資深科學(xué)家邁克凱表示，就算火星的這座地下湖鹽度很高，那里卻依然是尋找火星現(xiàn)有生命的最佳去處。還有科學(xué)家認(rèn)為，液態(tài)水可能是火星生命的最重要成分?；鹦怯凶銐蚰芰縼硗苿?dòng)“化能營養(yǎng)生命”（即無需陽光而是依賴化能合成作用的生命），但之前的問題是未發(fā)現(xiàn)有水力系統(tǒng)來維持火星生命（如果真的存在的話）的持續(xù)運(yùn)作。好了，火星地下湖的發(fā)現(xiàn)正好解決了這個(gè)問題。

但并非所有科學(xué)家都對(duì)這一發(fā)現(xiàn)這么看好。美國宇航局一艘先進(jìn)的火星探測飛船并未探察到這座火星地下湖，這表明該湖可能是暫時(shí)性的，而生命需要永久性水源支持。美國亞利桑那大學(xué)教授霍爾特是使用雷達(dá)技術(shù)探測液態(tài)水領(lǐng)域的帶頭人。他認(rèn)為，這次發(fā)現(xiàn)火星地下水體嚴(yán)格地說只是發(fā)現(xiàn)了疑似存在的火星水體，而不是確鑿的發(fā)現(xiàn)。

火星地下水體（示意圖）。

有無生命？ 一些人不抱希望

近年來，行星科學(xué)家和天體生物學(xué)家一直在搜尋火星水的跡象，畢竟水是我們已知的生命所必需的條件之一。在尋找過程中，他們把目光轉(zhuǎn)向了火星極地覆冰區(qū)域，這些區(qū)域包含的冰蓋和二氧化碳可能會(huì)把液態(tài)水隔絕在地下?？茖W(xué)家之所以對(duì)這些地下水體非常感興趣，正是因?yàn)樗鼈冏屛覀兿肫鸬厍蚰蠘O洲的冰下湖，而這些冰下湖中的微生物生命直到最近才被發(fā)現(xiàn)。

地球南極洲的冰原一度被看作是一片生物學(xué)荒漠，尤其是在巨大的冰體下更被認(rèn)為不可能存在生命。但在這種認(rèn)識(shí)持續(xù)了30年后，科學(xué)家終于意識(shí)到南極洲竟然是地球上最大的濕地，冰下湖竟然是生命的綠洲。

即便上述新發(fā)現(xiàn)被證實(shí)，一些科學(xué)家依然對(duì)火星地下湖適宜于生命不抱太大希望。他們的理由是，就算這座地下湖中有微生物，它們也生活在極為嚴(yán)苛的條件下，而在這樣的條件下生命岌岌可危。

按照上述新發(fā)現(xiàn)，火星地下湖的位置和深度意味著那里的條件比地球南極洲冰下湖的條件嚴(yán)苛得多。首先，火星地下湖距離火星的冰凍表面只有1.6千米，而地球南極洲已知最大的冰下湖——沃斯托克湖距離地表3.2～4千米。雖然科學(xué)家對(duì)火星地下湖最深處的溫度估計(jì)值有爭議，但有一點(diǎn)是毋庸置疑的——如果火星地下湖中真的有液態(tài)水，那么湖水的鹽度就必須很高。高鹽度和低溫加在一起，微生物就很難存在。雖然地球南極洲有鹽湖，但其中“唐胡安水塘”的鹽度是海水鹽度的19倍，截至目前科學(xué)家還沒發(fā)現(xiàn)這座湖中有生命跡象。該湖中有細(xì)胞，但因湖水鹽度太高，細(xì)胞無法進(jìn)行代謝。而所有生物都必須進(jìn)行代謝才能生存。

地球南極冰下湖（示意圖）。

地球南極唐胡安水塘。

怎樣發(fā)現(xiàn)？靠測量介電常數(shù)

為了探測火星極地的液態(tài)水，科學(xué)家需要穿透可能厚達(dá)好幾千米的冰層。為此，科學(xué)家運(yùn)用歐洲空間局（簡稱歐空局）“火星快車”飛船搭載的“馬西斯”雷達(dá)感應(yīng)器采集了相關(guān)數(shù)據(jù)。從2012年5月到2015年12月，他們花了3年半時(shí)間來獲取29個(gè)雷達(dá)數(shù)據(jù)庫，這是因?yàn)槔走_(dá)的最佳工作時(shí)段是在夜間，即雷達(dá)距離火星表面800千米以內(nèi)時(shí)。但“火星快車”的偏心軌道讓它與火星表面的距離在354～9978千米之間變化，這讓科學(xué)家只在較短時(shí)間內(nèi)能探索火星極地冰蓋下的情況。

然而，就在這29個(gè)數(shù)據(jù)庫里，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了火星南極冰蓋下一個(gè)穩(wěn)定水體的清晰證據(jù)。當(dāng)初歐空局科學(xué)家和工程師所設(shè)想的“馬西斯”職能，正是在火星表面下尋找液態(tài)水?！榜R西斯”儀器組包括一部雷達(dá)測深儀和一根13米長的天線?！榜R西斯”發(fā)射和接收雷達(dá)脈沖，這些脈沖反射自火星表面，而且穿透到火星表面下5千米?！榜R西斯”的工作原理與地球上使用的穿地雷達(dá)相似，后者主要探索格陵蘭和南極洲冰原下面的情況。

火星水發(fā)現(xiàn)過程（示意圖）。

穿地雷達(dá)通過測量介電常數(shù)來運(yùn)作。介電常數(shù)描述的是雷達(dá)所穿越的材料的電子特征。一些材料（例如干燥的巖石或二氧化碳）的介電常數(shù)比其他材料（例如液態(tài)水）的值低，這是因?yàn)橄袼ㄔ跉鋫?cè)有一個(gè)正電荷，在氧側(cè)有一個(gè)負(fù)電荷）這樣的極化材料會(huì)改變每次脈沖的兩個(gè)參數(shù)——雷達(dá)波穿透材料時(shí)的反射量和穿透速度。例如，穿透巖石的雷達(dá)波把穿透脈沖反射回天線的速度，比穿透水的雷達(dá)波的更快。這樣，“火星快車”上的天線先接收到反射自火星表面巖石的雷達(dá)波，然后才接收到反射自水的雷達(dá)波。這二者的時(shí)間差，有助于科學(xué)家了解雷達(dá)遇到的材料類別。

“火星快車”科學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了火星南極地下一個(gè)長度約為20千米的高介電常數(shù)區(qū)域。這里的介電常數(shù)值之高，讓人幾乎只能聯(lián)想起液態(tài)水，例如格陵蘭和南極洲冰川下面湖泊中的水。這一數(shù)據(jù)也排除了二氧化碳。因?yàn)槎趸疾幌袼菢訕O化，所以介電常數(shù)值低。

孰是孰非？ 還需進(jìn)一步探測

“火星快車”在火星水的尋找中并非孤軍作戰(zhàn)。美國宇航局的“火星勘測軌道器”也一直在向火星表面發(fā)射雷達(dá)脈沖，尋找火星地下水的跡象。但“火星勘測軌道器”所搭載的雷達(dá)儀器組——“沙雷德”并未探測到“馬西斯”所探測到的那片高介電常數(shù)區(qū)域。

運(yùn)用雷達(dá)波探測火星水

當(dāng)“火星快車”飛到火星南極上空時(shí)。它發(fā)射雷達(dá)波到火星南極冰面，雷達(dá)波在那里被反射。部分雷達(dá)波穿透冰層。被冰層下的巖石反射。水的反射強(qiáng)度高于巖床反射強(qiáng)度。這就證明冰層下方有液態(tài)水。

雷達(dá)探測火星地下水源。

然而，“沙雷德”所采用的技術(shù)稍稍有別于“馬西斯”的。霍爾特說，這兩部雷達(dá)之間的主要區(qū)別是波長。“馬西斯”采用的波長超過90米，因而能穿透更深?！吧忱椎隆辈捎玫牟ㄩL為15米多，因而能更清晰地探測靠近火星地表的火星地下情況。有科學(xué)家認(rèn)為，“沙雷德”因穿透不深而捕捉不到火星南極地下湖的證據(jù)。但霍爾特相信，如果真的存在火星南極地下湖，它也會(huì)出現(xiàn)在“沙雷德”的雷達(dá)探測數(shù)據(jù)中。

究竟孰是孰非？火星天空中的“第三只眼”有可能澄清這個(gè)爭議。計(jì)劃于2020年發(fā)射的中國火星探測器搭載的雷達(dá)測深器的傳輸頻率在“馬西斯”和“沙雷德”之間?；蛟S，中國火星探測器將在“火星快車”任務(wù)結(jié)束后接力“馬西斯”的觀測。最終，如果要想證實(shí)歐空局科學(xué)家的上述新發(fā)現(xiàn)，并且探測到火星液態(tài)水的其他源頭，就可能意味著要靠雷達(dá)技術(shù)以外的技術(shù)，因?yàn)槔走_(dá)技術(shù)只限于探測靠近地表的大量水。

就算雷達(dá)技術(shù)有缺陷，就算歐空局團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)火星南極地下湖的證據(jù)不算確鑿，也仍然有科學(xué)家相信我們現(xiàn)在已經(jīng)有了火星地下水的一些好證據(jù)。這也意味著火星地下多個(gè)區(qū)域可能存在水體，只不過“馬西斯”和“沙雷德”不容易探測到它們。

如果能從火星地下水體取樣，無疑將能回答許多重大問題。鉆到一個(gè)火星地下水庫中去取水是最直截了當(dāng)?shù)慕鉀Q方案，但在外星上干這樣的事，其技術(shù)障礙是目前無法逾越的。例如，為了鉆到地球南極洲冰下探尋生命，科學(xué)家運(yùn)來了幾十萬噸設(shè)備和燃料。要想把如此多的負(fù)載送到火星，其成本就目前而言根本負(fù)擔(dān)不了。但這些挑戰(zhàn)看來阻止不了一些科學(xué)家的“狂想”。正如邁克凱所說：“這（指歐空局團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)火星地下水體）對(duì)火星生物學(xué)來說真的是一個(gè)很大的新聞。那么，鉆下去！鉆下去看看！”