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“洞察号”最新研究,首次揭秘火星内部结构

飞往火星的洞察号的艺术想象图(来源:NASA/JPL-Caltech)
 
- 导 读 -
 
2018年11月着陆火星的美国 “洞察号” 启动了人类探索火星内部结构的旅程。最近,科学家们公布了基于 “洞察号” 数据的最新研究结果,首次描述了火星内部究竟长什么样。
 
撰文 | 鞠强
 
责编 | 王一苇
 
2020年的火星发射窗口格外热闹,中国、美国和阿联酋都成功发射了火星探测器。目前,这些探测器都已经顺利抵达火星并且开启了各自的任务。相比之下,上一个火星发射窗口2018年则冷清很多,由于俄罗斯宇航局和欧洲空间局联合发起的ExoMars 2020任务被再次推迟,只有美国国家航空航天局(NASA)的洞察号(InSight)只身启程前往火星。
 
2018年5月5日,洞察号从美国加利福尼亚州范登堡空军基地发射升空。经过6个多月的太空飞行,于美国东部时间2018年11月26日在火星的埃律西昂平原(Elysium Planitia)着陆。
 
在洞察号之前,人类发射到火星的轨道探测器和火星车主要研究火星表面,而洞察号迈出了探索火星深处的重要一步。在到达火星后的两年多时间里,洞察号收集的数据帮助我们加深了对火星的了解。2021年7月23日,三篇研究论文在《科学》(Science)上发表,公布了科学家基于洞察号获取的数据所完成的最新研究。这些研究首次直接探测到了地球以外另一颗岩质行星的壳层、幔层和内核结构,呈现了关于火星内部结构和演化历史的丰富信息。
 
首次在火星表面布设地震仪
 
洞察号的英文名字InSight,是Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport的缩写,意指“基于地震调查、大地测量与热传导的内部探索”。这个很长的名字准确说明了洞察号的科学目标,即通过探测火星的地震波和测量火星内部的温度,来了解火星的演化历史,研究火星的内部结构和活动,就像给火星做一次“体检”,给火星测心跳、量体温。
 
一颗行星的内部隐藏着关于这颗行星的起源及演化的重要线索。探索行星内部,我们可以了解一颗行星是如何形成的、它的核心是否有可以产生磁场的地磁发电机、内部构造和火山活动的起源等 [1]。
 
洞察号携带了三件主要科学载荷,组建了一个火星上的地球物理实验室。
 
一件是“探测内部结构的地震学实验”(Seismic Experiment for Interior Structure,SEIS)。这是一部地震仪(更准确地说是研究火星地震的火震仪);另一件是 “热流和物理性质集成装置”(Heat Flow and Physical Properties Package,HP3)[2],用于探测火星内部温度。虽然洞察号是由NASA发起的项目,但这两件科学载荷分别是由法国国家空间研究中心和德国空间局提供的。
 
第三件科学载荷叫作 “转动和内部结构实验”(Rotation and Interior Structure Experiment,RISE)仪器。RISE通过一对极其精准的无线电发射机和接收机,利用地球和火星之间长距离电磁波传播的多普勒效应来观测火星自转时的晃动,进而推测火星内核的体积和状态 [3]。
 
洞察号在设计上与2008年登陆火星的凤凰号(Phoenix)相似,这是为了减少从零开始设计和测试新系统的额外开支 [4]。凤凰号任务也由NASA执行,对火星北极附近的地下冰进行了研究。
 
与火星车可以移动并进行观测不同,洞察号采用了同凤凰号一样的固定台站式的观测模式,这是由洞察号的科学目标所决定的。高精度的地震仪只有固定在台站上才能稳定工作,而不能搭载在火星车上。而且,探测器只有长时间固定在同一个位置,才能准确搜集大量的连续时间序列数据 [3]。
洞察号在火星表面的艺术想象图 | 图源:NASA/JPL-Caltech
 
在火星上直接进行地震探测是行星地震学领域内的一次飞跃。
 
多年以前,NASA就曾将地震仪送到火星,但观测效果不佳。1976年,NASA的维京2号(Viking 2)携带地震仪在火星表面着陆。但是维京2号的地震仪被放置在着陆器甲板上,因此它对火星地震的观测受到环境作用和风引起的着陆器的振动的影响较大,噪声严重。维京2号在登陆后的第80个火星日记录到了第一次疑似火星地震事件,但是近年来的研究认为这个信号实际上是阵风引起的扰动 [5]。
 
有了维京2号的经验,洞察号改进了探测方案,首次使用机械臂把地震仪直接布设在火星表面进行地震观测,这就减少了着陆器振动对地震信号的影响。洞察号在登陆火星之后就开始测试地震仪,并在2019年2月21日也就是到达火星后的第85个火星日(一个火星日约为24小时39分钟35秒)完成了把地震仪布设在火星表面的工作,同时开始记录数据 [6]。
在火星表面的地震仪,由洞察号的相机拍摄 | 图源:NASA/JPL-Caltech
 
不过,洞察号在火星上测量地震仍面临很多困难。火星表面昼夜温差大,这会影响到精密地震仪的性能。虽然地震仪配备了一个保护罩,用于隔绝温度和大气压力变化对地震仪的影响,但是它的传感器仍然会记录到由大气压力波和沙尘暴等天气变化而引起的扰动。这些信号对于研究火星的天气很有价值,但是对于研究火星地震和火星内部来说就是恼人的噪声。为了克服这些困难,科学家使用一系列数据分析技术,同时将多次火星地震的数据结合起来进行分析 [1]。
 
倾听火星的 “脉搏”
 
当地震波在一颗行星内部的不同物质之间穿行时,地震波的速度和波形不同,这些变化帮助地震学家了解行星内部的结构。地球上和月球上的地震学研究表明,基于震波的地震学观测是探测星体内部结构非常有效的方式。地核、月核等内部结构的发现都依赖于地震波探测 [6]。
 
火星和地球一样,是由环绕太阳的尘埃和成团物质形成的。在形成之后最初的几千万年的时间里,地球和火星都分成了三层,分别是壳层、幔层和内核,这个过程称作分异(differentiation)。
 
这次发表在《科学》上的3篇论文基于洞察号地震仪的数据,掌握了关于火星壳、火星幔和火星核的深度及组成的信息,确认了火星的中心处于熔融状态。地球的外核处于熔融状态而内核呈固态,科学家要继续使用洞察号的数据来确认火星是否是同样的情况。
火星内部结构的艺术想象图,从外到内分别是火星壳、火星幔和火星核 | 图源:NASA/JPL-Caltech
 
地球板块构造活跃,因而地震频繁。火星的板块构造几乎没有或者很弱,火星壳相当于是一个巨大的板块。但是,由于火星仍在冷却中,不均匀收缩所产生的压力使得在火星壳中仍然会发生地震。
 
洞察号地震仪已经记录到733次地震,尽管大部分地震的震级都不大。在2年的时间里,所有被记录到的火星地震的震级都不超过4.0级。这次发表的3篇论文用到了其中震级在3.0级到4.0级之间的35次地震的数据 [7]。
洞察号的地震仪在2019年7月25日也就是洞察号抵达火星之后的第235个火星日时记录到的一次火星地震 | 图源:NASA/JPL-Caltech
 
多个参与研究的科学小组尝试利用这些记录确定火星壳、火星幔和火星核的边界。
 
德国科隆大学的布丽吉塔·纳普梅尔-恩多(Brigitte Knapmeyer-Endrun)等人的研究使用火星地震记录和环境波场确定了洞察号着陆地点下方的火星壳的结构。通过分析地下界面被反射和改变的震相,他们发现火星壳比之前预想的要薄,同时存在2个或3个界面。如果第二个界面是火星壳的边界,那火星壳的厚度为20千米;如果第三个界面是火星壳的边界,那火星壳的厚度为39千米。由此推测火星全球的壳平均厚度在24千米到72千米之间 [8]。
 
苏黎世联邦理工学院的阿米尔·汗(Amir Khan)等人的研究通过对8次低频火星地震的测量揭示了火星深度达到800千米的火星幔结构。他们发现了一个与热岩石圈有关的低速层,这个热岩石圈要比地球上的热岩石圈更厚。通过结合火星地震数据的限制和地球动力学模型,他们预测与原初火星幔相比,火星壳富含放射性生热元素 [9]。
 
苏黎世联邦理工学院的西蒙·斯塔勒(Simon C. Stähler)领衔的研究报告了首次探测到从火星核和火星幔的边界反射的微弱地震波信号。他们确定了火星的内核从大约地下1560千米深处开始,半径约为1830千米,这差不多是火星半径(约为3390千米)的一半。火星核的大小暗示了火星幔不像地幔那样有两层(分别是上地幔和下地幔),而是只有一层,类似于地球的上地幔[10]。
 
斯塔勒等人得出的火星核的大小达到了此前估计范围内的最大值。根据已知的火星的质量和角动量,他们推测火星液态金属核的平均密度为5.7~6.3g/cm3,这意味着火星核的密度要比此前估计的低,而且在铁镍合金中必然富含硫和其他轻元素 [10]。
 
斯塔勒在NASA官网上表示:“这项研究是千载难逢的机会。科学家用数百年时间测量地核,又在阿波罗登月之后用了40年测量月核,而在洞察号登陆之后只用2年就测量了火核。” [7]
 
值得注意的是,洞察号记录到的主要地震都来自火星上的一个名为刻耳柏洛斯堑沟群(Cerberus Fossae)的区域。这是一个火山活动活跃的地区,在最近的几百万年里也许还有岩浆流过这个区域。NASA的火星勘测轨道器(Mars Reconnaisance Orbiter)曾经拍摄到这里发生了可能是由火星地震导致的滑坡。
 
但是,洞察号却没有记录到在火星上更加重要的火山活动区域,比如火星上最大的三座火山所在的塔尔西斯(Tharsis)地区发生的地震。
 
科学家推测,这可能是因为火星核会使来自某些区域的地震波发生折射,这样就会形成一个地震阴影区(shadow zone),使得地震的信号无法到达洞察号 [7]。
火星勘测轨道器拍摄的发生在刻耳柏洛斯堑沟群的滑坡 | 图源:NASA/JPL-Caltech/University of Arizona
 
这三项研究对于科学家理解火星在数十亿年前是如何形成并演化到今天非常重要。火星核的大小、火星壳的分层等信息为科学家了解火星的热力学和动力学演化提供了重要的线索 [1]。
 
“鼹鼠” 打不了洞
 
洞察号的火星地震仪取得了重要的成果,但是另一台设备热流和物理性质集成装置(即热流探测仪)则命运多舛。
 
科学家知道火星内部的温度不如地球内部的温度那么高,但是此前他们从未测量过火星内部的温度。热流探测仪通过测量火星内部的温度来了解有多少热量从火星流出并且探究这些热量的来源,帮助科学家进一步了解火星的起源和演化。
 
除了凤凰号曾经刮掉火星表层土壤外,在洞察号之前没有任何任务尝试探查火星的土壤,而研究火星土壤有很多重要的理由:未来的航天员需要在土壤中打洞以获取水冰,而科学家希望了解火星地表下支持微生物的可能性 [11]。
 
热流探测仪的目标是将钻头打入火星地表下5米处,这将成为在火星打钻的最大深度。向下打洞的钻头的名字叫作鼹鼠(Mole),这是一台40厘米长的打桩机。2019年2月28日,鼹鼠开始了在火星表面打洞的工作。
 
但是,鼹鼠在首次任务中就遇到了问题,打钻没有实现预期的深度目标。经过一段时间的研究,工程师们发现鼹鼠无法再向下打洞的原因是着陆区域土壤摩擦力不足。
 
此后,他们尝试多种办法,包括用机械臂前段的铲子压实周围的土壤以增加摩擦力或者直接用铲子把鼹鼠压进土壤等办法,但均宣告失败。2021年1月9日,项目团队进行了最后一次努力,但是鼹鼠在尝试了500次锤击后,仍然没有任何进展,团队只能放弃。2021年1月14日,NASA宣布结束热流探测仪的任务 [12]。
机械臂前段的铲子把鼹鼠压进土壤里 | 图源:NASA/JPL-Caltech
 
鼹鼠的设计基于此前火星探测任务中对火星土壤的了解,但是洞察号着陆区的土壤情况却截然不同,因此鼹鼠打洞只能无果而终。
 
不过,这次失败也为科学家积累了宝贵的经验,他们不仅对火星土壤特性有了更多的了解,同时也尝试了此前未在计划中的机械臂的操作方式。在未来的火星探测中,这些来之不易的经验都能排上用场。比如,任务团队就计划使用机械臂把连接着陆器与地震仪的用来传输数据并提供能量的系绳埋进土里,这样可以减少温度变化对地震数据的干扰 [12]。
 
令人感到安慰的是,除了热流探测仪外,洞察号携带的地震仪、转动和内部结构实验以及天气传感器都工作正常。
 
洞察号携带的天气传感器可以对所在的埃律西昂平原的温度、风力和气压进行测量,并提供火星气象服务,公众可以在线查询那里的天气情况(但是目前洞察号暂时停止了每日的温度测量,公众可以在NASA的网站上查询到好奇号所在的盖尔撞击坑的天气情况;洞察号的气压测量仍正常进行)[13-14]。这些传感器可以提供有史以来最详细的火星天气数据。把洞察号、好奇号火星车、毅力号火星车的天气数据结合在一起,科学家将首次在另一颗行星上搭建起气象观测网。
洞察号所在的埃律西昂平原的气压情况,时间从第942个火星日的6:00到第945个火星日的6:00 | 图源:[13]
 
截至北京时间2021年7月25日,洞察号已经在火星上工作了945个火星日。目前,洞察号任务已经被延长到2022年底,因此高质量的观测数据的数量有可能翻倍,这样科学家就有可能不断完善火星模型,揭开更多关于火星的秘密。
 
而且,洞察号不只是一项火星任务,还是一台类地行星探测器,目的是研究行星科学和太阳系研究中的一个最重要的问题,即在40亿年甚至更早前塑造了包括地球在内的内太阳系岩质行星的过程。
 
我们等待洞察号和好奇号、毅力号以及中国的天问一号等火星探测器一起,帮助我们更好地了解火星,从而更深入地了解我们所在的地球。
 
参考资料:
 
[1] https://science.sciencemag.org/content/373/6553/388
 
[2] https://mars.nasa.gov/insight/mission/science/overview/
 
[3] 刘澜波. “洞察”号能够完成火星内部结构探测的使命吗? 地球与行星物理论评,2021,52(1):115-122.
 
[4] https://www.nasa.gov/mission_pages/insight/overview/index.html
 
[5]孙伟家,王一博,魏勇,赵亮. 2021. 火星地震学与内部结构研究. 地球与行星物理论评,52(4):437-449.
 
[6]肖万博,王彦宾. 2021. “洞察”号火星表面地震探测中的发现. 地球与行星物理论评,52(2):211-226.
 
[7]https://www.nasa.gov/feature/jpl/nasa-s-insight-reveals-the-deep-interior-of-mars
 
[8] https://science.sciencemag.org/content/373/6553/434
 
[9] https://science.sciencemag.org/content/373/6553/438
 
[10] https://science.sciencemag.org/content/373/6553/443
 
[11] https://mars.nasa.gov/insight/spacecraft/instruments/hp3/
 
[12] https://www.nasa.gov/feature/jpl/nasa-insight-s-mole-ends-its-journey-on-mars
 
[13] https://mars.nasa.gov/insight/weather/
 
[14] https://mars.nasa.gov/msl/weather/



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