如果去火星會聽到什么？

2023-02-28 03:11:24潤語

奧秘 2023年1期

● 潤語編

如果你能去火星表面，會聽到什么？雖然有八次火星任務(wù)從這顆紅色星球表面?zhèn)骰亓肆钊梭@嘆的火星景色照片，但是沒有一次傳回任何火星聲音。現(xiàn)在，這種情況即將改變：美國航空航天局（NASA）毅力號火星車負(fù)責(zé)搜尋火星遠(yuǎn)古生命的跡象，采集并保存幾十個火星樣本，而且火星車上安裝著兩個麥克風(fēng)。

一個麥克風(fēng)將會聽到毅力號火星車穿過火星大氣層降落時的聲音，另一個麥克風(fēng)將會記錄下火星車在杰零隕石坑進(jìn)行科學(xué)工作時的聲音，杰零隕石坑是一個古老的河流三角洲，那里的生命可能曾經(jīng)繁榮昌盛。如果一切順利，毅力號的麥克風(fēng)將實現(xiàn)行星協(xié)會聯(lián)合創(chuàng)始人卡爾·薩根的愿望，他在1996年給美國國家航空航天局寫了一封信，催促其向火星發(fā)送麥克風(fēng)。

薩根寫道：即使第一次實驗只記錄了幾分鐘的火星聲音，公眾的興趣也會很高，而且真正進(jìn)行科學(xué)探索的機(jī)會也很大。在毅力號之前，至少有三次火星任務(wù)在設(shè)計中都安裝了麥克風(fēng)。第一個于1999年乘坐美國國家航空航天局火星極地著陸器飛往火星，由行星協(xié)會贊助，并成為第一個眾籌資金飛往另一個星球的科學(xué)儀器。極地著陸器在表面墜毀，但更多的嘗試將隨之而來。然而到目前為止，還沒有成功。

行星協(xié)會首席科學(xué)家布魯斯·貝茨說：“長期以來，來自火星的聲音一直令公眾著迷，因此，行星協(xié)會一直欣然接受并追逐著這一聲音。這可以追溯到我們早期向公眾推廣空間科學(xué)的想法，所以這個以一種全新方式讓我們的感官與另一個世界接觸的概念，是行星協(xié)會一直相信的，現(xiàn)在我們希望它能真正地實現(xiàn)?！?/p>

毅力號的麥克風(fēng)

毅力號的兩個麥克風(fēng)中，一個是入口、下降和著陸（EDL）系統(tǒng)的一部分。來自該麥克風(fēng)的音頻將與EDL攝像機(jī)拍攝的全色視頻配對，這將讓觀眾第一次體驗登陸火星的樣子和聲音。第二個麥克風(fēng)包括在火星車的“超級攝像頭”科學(xué)儀器中，這是好奇號火星車激光加熱“化學(xué)攝像頭”的新一代版本。像它的前身一樣，超級攝像頭使用紅外激光束來加熱和蒸發(fā)巖石和火星土壤。然后，一臺特殊相機(jī)可以確定蒸發(fā)材料的化學(xué)成分，并檢測任何有機(jī)化合物的存在，即我們所知構(gòu)成生命蛋白質(zhì)的各種碳基化合物。

當(dāng)超級攝像頭激光加熱一塊巖石時，由此產(chǎn)生的爆裂聲將為科學(xué)家提供關(guān)于巖石成分的線索。太空硬件公司HeliSpace的首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人格雷格·德羅里表示：它能夠記錄火星車正在工作的聲音。德羅里是超級攝像頭麥克風(fēng)團(tuán)隊的顧問，并幫助設(shè)計了行星協(xié)會最初的火星麥克風(fēng)?；鹦躯溈孙L(fēng)能聽到桅桿是如何轉(zhuǎn)動的，輪子是如何轉(zhuǎn)動的，或者聽到其他儀器是如何發(fā)出聲音的，是一種重要的工程診斷工具。

也許麥克風(fēng)最令人期待的功能是：它還將記錄火星本身的聲音。那么我們會聽到火星風(fēng)的咆哮嗎？火星風(fēng)暴會像地球上一樣產(chǎn)生雷聲嗎？上世紀(jì)90年代中期，加州大學(xué)伯克利分校行星科學(xué)家珍妮特·盧曼提出了火星麥克風(fēng)的想法：“我參與火星科學(xué)和火星任務(wù)規(guī)劃已經(jīng)有幾年了，我變得很好奇，為什么沒有人把聲音作為我們尋求用機(jī)器人實現(xiàn)感知的一部分？”

歷史上第一個火星麥克風(fēng)

盧曼和加州大學(xué)伯克利分校空間科學(xué)實驗室的幾位科學(xué)家同事開始探索這個想法，使用像助聽器麥克風(fēng)這樣的現(xiàn)成部件，并在美國國家航空航天局艾姆斯研究中心的火星風(fēng)洞里，在類似火星的條件下測試了這個想法。結(jié)果很有希望，伯克利的科學(xué)家們開始認(rèn)為，美國國家航空航天局可能愿意讓麥克風(fēng)飛到火星上，作為一種搭乘儀器，盧曼與行星協(xié)會就贊助火星麥克風(fēng)一事進(jìn)行了接洽，并認(rèn)識到了這樣一種工具的公共利益價值。

但是，當(dāng)向美國國家航空航天局火星極地著陸器任務(wù)的科學(xué)顧問委員會提出這一想法時，一切都落空了。委員會認(rèn)為這沒有任何科學(xué)價值。行星協(xié)會聯(lián)合創(chuàng)始人之一、航天工程師路易斯·弗里德曼回憶說：“這讓人想起了行星任務(wù)的早期，第一艘先驅(qū)者號和水手號飛船上沒有配備相機(jī)，因為當(dāng)時的成像技術(shù)只是一種特技，科技含量不高?，F(xiàn)在很難想象這一點，但當(dāng)時的咨詢委員會認(rèn)為在火星上聽到聲音也只是一種特技。

好奇號火星車

大約在同一時間，美國國家航空航天局局長丹·戈爾丁發(fā)起一項倡議，該倡議促進(jìn)了印尼RKA公司和美國國家航空航天局在未來火星任務(wù)上進(jìn)行科學(xué)合作的想法，同時兩國在國際空間站上建立了新的合作伙伴關(guān)系。因此，一臺研究火星大氣層中塵埃的RKA激光雷達(dá)儀器被安裝在火星極地著陸器上。弗里德曼和盧曼隨后詢問激光雷達(dá)首席研究員維亞切斯拉夫·林金是否有興趣在儀器上添加微型火星麥克風(fēng)，得到肯定的答復(fù)。

制造第一個火星麥克風(fēng)

在公眾對聆聽火星聲音興趣不斷涌現(xiàn)的支持下，行星協(xié)會籌集了10萬美元來制造火星麥克風(fēng)。德羅里當(dāng)時是盧曼在伯克利的同事之一，他加入了這個項目，并領(lǐng)導(dǎo)了將麥克風(fēng)單元集成到激光雷達(dá)上的技術(shù)努力，使之不需要對儀器的功率、體積和重量分配進(jìn)行任何調(diào)整。最初制造的火星麥克風(fēng)是一個智能小盒子，邊長約5厘米，重50克。這款麥克風(fēng)是為極端環(huán)境打造的，研究者們對它進(jìn)行了足夠的測試，以了解它有多堅固。

研究團(tuán)隊對該麥克風(fēng)設(shè)備進(jìn)行了所有可以想象到的測試，使用真空、熱室和振動臺來確保它能夠在火星惡劣的環(huán)境中發(fā)射、巡航、著陸和操作，并在他們設(shè)置的每一種模式下工作。通過與激光雷達(dá)的集成和測試，當(dāng)他們將麥克風(fēng)連接到著陸器上時，它工作得非常完美。滿足美國國家航空航天局對麥克風(fēng)的數(shù)據(jù)限制被證明是一個挑戰(zhàn)，該團(tuán)隊在改進(jìn)處理和管理錄音的電子設(shè)備方面也格外努力。

研究團(tuán)隊當(dāng)然不想發(fā)回沒有聲音或無趣聲音的數(shù)據(jù)，所以使用了一個語音識別芯片，它可以接收麥克風(fēng)中的聲音，并將數(shù)據(jù)減少到真正易于管理的程度。這個解決方案涉及幾個技巧：麥克風(fēng)可以錄制一個小時，然后只傳回最響亮的聲音；它還可以在特定的時間段內(nèi)隨機(jī)采集音頻樣本，以避免每秒都要傳回數(shù)據(jù)?；鹦菢O地著陸器于1999年1月3日發(fā)射升空，飛船直飛火星，并于1999年12月3日開始降落到火星表面。

失望與寄予厚望

突然，飛船似乎消失得無影無蹤，控制器失去了來自航天器的信號，盡管一再努力重建通信，但再也沒有聽到火星極地著陸器的消息。經(jīng)過徹底的調(diào)查，工程師們得出結(jié)論，最有可能的情況是，由于著陸器認(rèn)為展開著陸腿引發(fā)的震動源于觸地，所以它過早地關(guān)閉了引擎，很可能因此高速墜入火星表面。盧曼回憶道：這是一個巨大的遺憾，由于火星麥克風(fēng)在公眾和媒體中引起了巨大的轟動，我們還事先在實驗室開放了一間會議室，舉辦著陸活動并慶祝。

但當(dāng)?shù)弥懯r，盡管仍有一些人留下來，但大多數(shù)人都在逃離，這對項目來說是一個相當(dāng)悲哀的結(jié)局。但對火星麥克風(fēng)項目的興趣仍在繼續(xù)，在火星極地著陸器失事后，法國國家空間研究中心立即為計劃于2007年發(fā)射的火星著陸器任務(wù)提供了第二次麥克風(fēng)實驗的機(jī)會。這個火星著陸器由四個小型著陸器組成，這些著陸器將研究火星的大氣層、表面和內(nèi)部。

然而，由于資金困難，該任務(wù)在2004年被取消。后來美國國家航空航天局終于接受了為鳳凰號著陸器安裝火星麥克風(fēng)的想法，鳳凰號著陸器于2008年降落在火星北極附近。鳳凰號的麥克風(fēng)是其下降成像系統(tǒng)的一部分，使用的設(shè)計與極地著陸器上的原始麥克風(fēng)類似。行星協(xié)會將會提供公眾宣傳。但就在發(fā)射前，工程師們檢測到麥克風(fēng)中存在潛在的電子問題，可能會影響其他系統(tǒng)，于是麥克風(fēng)被停用。

聽見火星

聽到火星聲音的夢想就這樣傳承到了毅力號火星車上。自2021年2月以來，美國航空航天局的毅力號火星車一直在探測這顆紅色星球的表面。2021年2月19日，毅力號首次記錄了這顆紅色行星的聲音。這些聲音屬于人類可聽見的頻譜范圍，介于20赫茲和20千赫茲之間。它們表明火星非常安靜——以至于有幾次科學(xué)家認(rèn)為傳聲器已經(jīng)不工作了。很明顯，除了風(fēng)之外，火星上的自然聲源很罕見。

鳳凰號著陸器

除此之外，科學(xué)家還關(guān)注了毅力號自身產(chǎn)生的聲音。人們已經(jīng)深入研究了這些聲音在地球上的傳播。通過研究這些聲音在火星上的傳播，科學(xué)家能準(zhǔn)確描述火星大氣的聲學(xué)特性。

研究人員表示，與地球上的聲速（340米/秒）相比，火星上的聲速低得多，為240米/秒。然而，最令人驚訝的是，火星上實際有兩種聲速，一種是高頻聲速，另一種是低頻聲速。聲音在火星上的衰減比在地球上更快，尤其是高頻聲音——與低頻聲音不同，它衰減得非?？欤词乖诙叹嚯x內(nèi)也是如此。這些因素會使兩個相距僅5米的人很難進(jìn)行交談。這是火星大氣組成和非常低的大氣表面壓力造成的。