爱华网作者：Sarah Scoles 原文来自：Astronomy Posted： 2014年1月刊
编译：京晶 审校：Linq （编译版权所有，未经许可请勿转载）
星期日的黄金时段，更多的人选择坐在电视机前观看好奇号登陆火星，而不是收看CNN。2012年8月6日，当这个美国宇航局技术最成熟、可移动、并且装备一新的无人探测器在火星降落时，近五十万人为之紧张和兴奋。在飞行了5亿6千7百万公里后，好奇号终于在天空起重机的协助下，用软着陆的方式登陆火星。自那时起，好奇号和远程操控它的科学家们便一直不辞辛劳、埋首工作，致力于探索火星现在的模样，过去的模样，以及它的演化史对我们认识地球的过去、现在和未来有何意义。
2013年2月3日是好奇号登陆火星的第177天。那天，它拍下数十张照片，并制作了这张自拍照。在此之后，好奇号又在岩石上钻孔、采集岩石样本，成为首个在外行星获取其内部样本的机器。（图片来源：NASA/JPL-CALTECH/MSSS）
疯狂降落
好奇号在火星上的着陆点——Gale陨石坑是一个154公里宽的盆地，靠近一个名为Peace Vallis的角锥状碎石沉积区。据推断，这个沉积区可能是在水流的作用下形成的。
John Grotzinger是好奇号火星车项目组的成员。在2013年3月7日的一场新闻发布会上，他告诉大家：“我们可不是误打误撞让好奇号降落到这个地方的。”科学家综合考虑、平衡火星车的安全性和科学目标，并为此进行多次讨论才选中了Gale陨石坑作为好奇号的着陆点。毕竟，如果好奇号不幸摔下悬崖，即使周围巨石林立、地貌独特也无济于事。Gale陨石坑几乎没有影响火星车工作的障碍物。不仅如此，如此小的区域还具备多种多样的地貌。距离近至关重要：设计师们估计火星车在其寿命内仅能行驶20公里。因此，大家肯定不希望考察对象过于分散（比如说，彼此相隔15公里）。
此图显示了2012年8月好奇号火星车的着陆点——Gale陨石坑。颜色标示出火星地表保温的能力。红色区域散热慢，表明其土壤物质结合得比较紧密。红色区域和扇形碎石沉积区Peace Vallis的存在揭示出这个地区曾经有水流过。好奇号（其着陆点位于图中黑色椭圆内）发现许多由圆形鹅卵石粘结形成的岩石。这些卵石曾被流水带到此处，并在水流的冲击下变得光滑圆润。（图片来源：NASA/JPL-CALTECH/UNIV. OF ARIZONA）
左图是好奇号传回的原始照片。科学家可以有两种方式对照片进行处理。他们要么把图片还原成火星上看到的实际情形（中图），要么调整白平衡，使照片看上去像是在地球日常光照条件下看到的效果（右图）。（图片来源：NASA/JPL-CALTECH/MSSS）
两个火星车——机会号和好奇号——都发现了凝岩（图中满身颗粒的岩石）和胶结岩石。这些地貌是在水的作用下形成的。机会号发现的Wompay岩石（上图）形成于呈酸性、不适宜生存的环境中。而好奇号发现的Sheepbed岩石（下图）却形成环境却是中性的，不含盐，还充满了化学能量。（图片来源：NASA/JPL-CALTECH/MSSS）
5500米高的夏普山（Mount Sharp）也位于Gale陨石坑内。好奇号目前正向着它开进。不过要抵达那里，好奇号还需要走好一段时间。夏普山距离好奇号的着陆点有8公里远，而好奇号每天最多行142米。尽管如此，夏普山的探索之旅还是值得我们耐心等待的。美国Flagstaff市北亚利桑那大学的火星研究专家Nadine Barlow教授说：“环绕火星的空间卫星探测到夏普山的下部地层含有在远古时期形成于水中的矿物。其上部地层更干燥些，也许能告诉我们更晚时期的火山活动情况。”
夏普山的探索活动将会带来丰硕成果，大家对此确信无疑。在花费了11个月的时间用于测量Gale陨石坑的深度后，好奇号终于在7月4日朝着夏普山前进了。
不过，科学家向着火星发射探测器，并且进而登陆其上，他们到底想知道些什么呢？哪些问题火星车已做出了解答，而在探索活动中又出现了哪些新问题呢？正如Grotzinger在三月份的新闻发布会上所说的：“登陆火星后，什么稀奇古怪的事都有可能发生。”有些发现在意料之中，但好奇号的另一些发现还是大大改变了公众对火星的一贯看法。在大家眼中，火星已不再是一个死寂的不毛之地了。它已经演化了几十亿年，而且仍在继续演化着。
好奇号是肩负着生物学、地质学和化学的科考任务飞向火星的。不过，其首要任务是确定火星过去是否拥有适宜生存的环境。虽然，Grotzinger明确表示好奇号并不是去考察火星是否出现过能够新陈代谢的微生物。“这不是一个寻找生命的项目，”他在3月份的时候这样说。相反，好奇号是去探索火星过去是否生机勃勃。这个问题的解答对我们人类和微生物都极为有用：如果好奇号发现火星曾经是适宜生存的，后来才变成了荒芜的不毛之地。那对地球来说又意味着什么？
Christopher Edwards是美国加州理工大学的一名博士后，也是好奇号火星车科学小组的成员之一。他证实说：“我们将要了解火星过去发生了什么。如果同样的事发生在地球上，又会产生怎样不同的结果，以及地球是如何保持生命繁荣兴旺的。”
红色星球的生物学
好奇号正忙着帮科学家把零碎的火星演化史一块块拼接起来。在第一年的工作中，它收集了190GB的数据，拍摄了超过36700张全景照片和35000张缩略图，并对考察对象发射激光超过75000次。不仅如此，它还详细分析岩石样本，在火星上行驶了超过1.6公里。
这些数据正在产出重要结果。第一次重大发现是在3月7日，美国宇航局宣布好奇号发现了火星古河床，那里可能有生命存在过。
“我们找到了一个适宜居住、非常有利于生存的环境，”当时，Grotzinger是这样说的，“如果那里有水环绕，而你正好又置身其间，你可以亲口尝尝那水。”
新发现的古河床位于黄刀湾（Yellowknife Bay）。那里不仅湿润，而且条件适中：水含有盐分，但不是非常咸，也不很酸。那里不单有水，还充满着粥状的化学能量可以用来支持生物的新陈代谢活动。2月8日，好奇号采集到第一份岩石粉末，并对其进行分析，从而得出上述结论。这块被命名为John Klein的细粒岩石位于过去河流从陨石坑边直泻而下的地方（也许，河水曾在那里留下一小滩静水）。岩石表面疙疙瘩瘩，脉络密布。好奇号在岩石上钻了一个6.4厘米深的洞，并用样本分析仪（简称“SAM”）和化学矿物分析仪（简称“CheMin”）分析岩石粉末的化学成分。
经过一个月的研究，美国宇航局对外宣布：岩石样本的分析结果显示火星曾经存在潮湿、适宜生存的环境。当好奇号用光谱仪和X射线衍射仪对John Klein岩石进行扫描时，它发现岩石含有硫、氮、氢、氧、磷和碳。硫酸盐（硫加上氧）标志着水的存在。在远古时代，地球上的顽强细菌就是把硫化物（一种化合物，其中的硫少了两个电子）作为能源的。同时，DNA（基因）是由磷酸盐（磷加氧）、碳水化合物（碳、氢和氧）和氮族元素构成。简言之，John Klein岩石含有生命所需的基本成分，其四周环绕着酸碱平衡的新鲜水源也适宜生命生存。
钻进John Klein岩石：好奇号在它的第一块岩石上钻孔，并借助仪器把岩石样本加热到835摄氏度。当岩石变热，就会释放出水、二氧化碳、氧气、二氧化硫和硫化氢。（图片来源：ASTRONOMY:ROEN KELLY, AFTER NASA/JPL-CALTECH/GSFC）
好奇号在火星上第一份钻孔得到的岩石样本。钻孔取土的第二天，它用化学相机对着岩石发射激光脉冲，在岩石表面制造了多个更小的洞。其中，最大的洞直径有1.6厘米，6.4厘米深。（图片来源：NASA/JPL-CALTECH/LANL/IRAP/CENS/LPGNANTES/IAS/CNRS/MSSS）
美国宇航局华盛顿总部的火星探索项目首席天文学家Micheal Meyer说：“好奇号要回答的一个基本问题就是火星是否曾经具有适宜生存的环境。从我们目前了解到的情况看，答案是肯定的。”好奇号虽然已完成其既定目标，探索活动却远未停止。
水、水
既然我们知道火星在过去某一时期曾经是湿润的。那么，那些水存在了多久呢？有多深、面积有多大？好奇号的桅杆相机（简称“MastCam”）在近红外波段搜寻含铁和水的矿物。搜寻结果显示，火星湿润、适宜居住的环境不仅限于一块岩石附近，而是覆盖了从岩石至少到夏普山之间的区域。
好奇号的桅杆相机给阿尔法粒子X射线光谱仪（简称“APXS”）拍摄了这张独照。科学家之所以调转相机镜头方向，并拍摄了此张照片是为检查APXS在着陆过程中有没有被尘埃覆盖。（图片来源：NASA/JPL-CALTECH/MSSS）
科学家的手中早就握有火星存在河流的铁证。回溯到上个世纪70年代，维京号探测器在火星上找到水分子存在的证据。好奇号则更进一步，它发现水分子来自于河水、溪流和湖泊。除了在岩石上钻孔之外，好奇号还直接铲土做分析。在一个名叫石巢（Rocknest）的沙地，好奇号用SAM把土壤样本加热到500摄氏度。在此高温下，水、硫和氯化物再也无法藏匿而现身。
2012年11月，好奇号用桅杆相机在石巢（Rocknest）拍摄了这张全景拼接照。（图片来源：NASA/JPL-CALTECH）
图中的凹坑是好奇号用4厘米宽的铲子在石巢（Rocknest）沙地取土后留下的痕迹。此地区的细沙表面包裹着一层粗糙颗粒。（图片来源：NASA/JPL-CALTECH/MSSS）
火星的沙粒中有什么？：好奇号在石巢（Rocknest）直接用铲子取土进行分析。它发现那里的土壤含有硫化物、氯化物和氧化物。为了确定物质组分，好奇号用样本分析仪加热土壤样本，然后对它的发射谱进行谱线证认。土壤样本中的高氯酸盐（含氯和氧的化合物）揭示出了与之相伴而生的有机分子的存在。（图片来源：ASTRONOMY:ROEN KELLY, AFTER NASA/JPL-CALTECH/GSFC）
最令人满意的证据莫过于桅杆相机对三块岩石拍摄的特写照片。尽管，好奇号早在登陆火星的第40天就拍摄了这些照片，但其分析结果却迟迟不见出来。直到6月，科学家才确定这三块岩石（分别被命名为Goulburn、Link和Hottah）是由粘结在一起的鹅卵石构成的。在地球上（想必火星的情况与此类似），相似的沉积粘合物形成于流动的水中。如果要形成像Goulburn、Link和Hottah这般大小的卵石沉积物，火星河流的深度必须在人的脚踝到臀部之间，流速大概是每秒1米。
火星的一些地貌与地球非常相似。上图是一块露出地表的，名为Link的岩石。它的表面有许多被称为岩石碎屑的碎石块。这些碎屑在自然侵蚀过程中脱落，形成碎石堆。类似的沉积过程在地球上也可以见到（见下图）。（图片来源：NASA/JPL-CALTECH/MSSS AND PSI）
虽然，科学家认为火星过去有河流，但现在火星还保留着一部分水——冰冻的水。好奇号在从黄刀湾驶向下一个地标物Gleneleg（一个三层台地交叉区域）的途中，边走边找水冰好估算水的储量。它携带的动态中子反照率测量仪（简称“DAN”）通过寻找慢中子来找水。宇宙射线持续撞击火星表面，把土壤物质原子核里的中子打出来。在中子从土中逃逸到地面的过程中，它们因与氢原子发生碰撞而减速。DAN测量出这些低能中子的数量，进而估算出土壤中的水分子含量。在旅途中，好奇号发现水冰的分布深浅不一。有时只有表面的薄薄一层，有时水冰却延伸至地表下40厘米深处，大致占全部物质的1.3%-3%。
火星表面的水：好奇号的动态中子反照率测量仪探测到了氢，也即水。在火星上，绝大部分的水与矿物结合在一起，这些矿物也因此被称为水合物。黄刀湾（Yellowknife Bay）地表的水量，平均来讲，占总量的3%。（图片来源：ASTRONOMY:ROEN KELLY, AFTER NASA/JPL-CALTECH/RUSSIAN SPACE RESEARCH INSTITUTE）
引人注目的火星
随着火星表面温度的改变，它再也无法保留液态水了。温暖和潮湿只能到火星大气中去寻了。根据好奇号最新的探测结果，火星大气对地球生物来说是致命毒气，其95.95%是二氧化碳，仅有0.146%是氧气。然而，火星大气在很久以前完全不是这个样子。那时候，火星上有许多活跃的大火山（它们如今成了绝佳的地标）。“虽然，火山不像生命那般让人兴奋，”Hoshua Bandfield（一位研究火星的专家，曾参与好奇号着陆点的选址工作）说，“但它们却可以为我们指出火星过去哪里有液态水和能源。”在火星的演化史上，火山曾喷发出甲烷浓雾。甲烷是一种强温室气体，能束缚住太阳光照和火星地表辐射的热量。即便火星距离太阳比较远，这些被困住的热量也足以使水保持液态。
现如今的火星大气已经变得过分稀薄而无法再留住热量了。好奇号查明了曾经厚实的火星大气是怎么变成如今这副破烂模样。它借助SAM分析了同位素（属于同一种元素，但含有不同数目的中子的原子）的含量。同位素拥有的中子越多，它的质量就越大。科学家测量了火星大气里轻、重同位素的质量比，并将此值与太阳系形成早期的轻、重同位素的质量比作比较。如果这些原子无法逃离火星，那么两个比值应该相同。
可SAM的测量结果却显示，与早期太阳系相比，火星上有更多的氢、碳、氧和氩的重同位素。换句话说，火星自身的引力不够大，也没有强磁场，无法留住比较轻的同位素。所以，自形成之日演化至今，火星一直都在损失质量较小的物质。对火星了解越多，科学家越觉得它真是一颗活泼的行星，完全不像庞贝古城那样死气沉沉（公元79年，意大利的庞贝城在维苏威火山的一次猛烈喷发中被火山灰掩埋。）。
为了顺利到达下一个目的地，好奇号必须打起精神、全力应对火星表面的各种状况。Simone Silvestro是美国加利福尼亚大州山景市SETI研究所的一名博士后。他向我们展示了火星风是如何改变火星沙丘外貌的（就在你读到此句时，火星风可能就正在火星上横行、肆虐呢）。他通过比较地面气流感应器的测量结果和卫星拍摄的照片，发现夏普山周围的沙丘在火星风的作用下每年移动0.4m。“风是最活跃的、改变地貌的活动。”Silvestro说。
他与Lori Fenton共事，Lori对这个“活泼”火星的发现而兴奋不已。“你可以看到风和水在火星演化史中扮演的角色，”她说。“在我看来，那是个活跃的、生动的世界。”好奇号在未来几个月里将穿行在这个活泼的表面上，继续它的科学探索工作。
时间机器
在35至45亿年前，火星要比现在猛烈、暴力得多。这段时期（也叫诺亚时代）见证了诸如Gale这样的大陨石坑的形成。这些大陨石坑如今是现成的科学考察对象。Barlow夸张地形容它们是“大自然的钻头”。
从高处滚落的东西聚集在低凹的坑底里。如果坑底曾经有水，物质就会在水里沉积下来。Gale陨石坑里的一些岩石就是在此过程中形成的。另一些岩石则是在火山活动中形成的。这两类岩石都是好奇号的研究对象。
Gale陨石坑也展示出过去的火星表面。这些表面在火星后来的演化中坍陷到地表以下。“陨石坑暴露出的地层能给我们提供过去火星环境的信息。那时的火星可和现在大大不同。”Barlow说。好奇号对不同的地层进行考察——如同科学家收集美国大峡谷岩壁上不同高度的样本——便可以帮助科学家了解更多有关火星过去的信息。
夏普山——好奇号正在驶向的地方——也是一个岩层集聚的地方。它就好比一本收录了数百万年植物生长、开花资料的植物标本集。
它不是地球
尽管火星上可能从未出现过哺乳动物，但在某些地区，它还是具备了适宜生命生存的环境。不过，同地球一样， 火星上各地区间差异也很大，既有荒芜之地，也有海湾河口。举例来说，好奇号发现火星的相对湿度随地点而发生变化。根据好奇号的环境监测站（简称“REMS”）的测量结果，好奇号着陆点的地表湿度为60%，可距着陆点仅400米的沙地区域（好奇号在火星的第55至第101天曾呆在那里）湿度就下降至5%。
不过，火星的地表温度却不随位置变化，至少温度在小范围内区域内是恒定的。好奇号走过的区域，其日平均温度最高为0摄氏度，最低为零下94摄氏度。地球的平均温度比较舒适，是16摄氏度。可火星的平均温度却严酷多了，为零下35摄氏度。
好奇号对自身所处的恶劣环境非常警觉，可以说，它几乎是有自我意识的。它利用REMS测量火星气压的变化。从2012年8月中旬到第二年2月下旬（这段时间大约为四分之一个火星年），火星大气的气压上升了0.029磅每平方英寸。在火星春季时，太阳光照使南极冰盖中的二氧化碳发生升华，从而导致气压随季节变化。每年，这些二氧化碳进入大气，使大气的质量增加了30%。如此周而复始。即便如此，火星大气的最大气压值不过0.0095个大气压，还不及地球日常气压值的百分之一。
所以说，尽管火星看上去好似美国的犹他州，它其实和地球还是有很大的不同。首先，好奇号看到的任何东西体积都很大。“火星地貌的尺寸很大，”Edwards说。“每次我看到一个陨石坑时，我都要提醒自己’那个陨石坑可比整个洛杉矶盆地大多了。’”其次，好奇号看到的东西都很老。“看看你家院子里的石块吧。它可能形成于一亿年前。可火星的岩石已存在几十亿年了。火星表面的岩石通常能够不受干扰地存在三十亿年，而在地球上，我们已不太容易找到这样古老的岩石了。”
派探测器去火星像是一次回到过去的穿越时空之旅。当好奇号采集河床上的样本，它瞥到的历史时期是我们这些能在更潮湿、有更多火山，气压更大的地球上建房筑楼的地球人轻易看不到的。
下一站去哪？
现在，好奇号正向着夏普山艰苦跋涉。旅途中，遇到任何科学家觉得值得一看的地方，它都会随叫随停。到目前为止，它的探索之旅还算顺利，仅出现过几次小麻烦：2月28日，电脑内存发生故障；3月16日，电脑由于一个软件无法正常运行而进入“安全模式”；6月，好奇号上演了一段时间的独轮支撑。从大体上来说，系统工作正常。实际上，系统运转得相当不错。有时好奇号甚至无需任何辅助。比如说，好奇号碰到路障时无需地面控制的确认就可以自行判断、应对。
好奇号这一年在火星上的经历将有助于空间署把发射载人火星飞船列入计划。不过，在2020年美国发射载人飞船去火星（按照奥巴马总统的计划）之前，天文学家需要全面、充分地了解这颗荒凉的行星。好奇号调查火星的水冰分布地点，并测量每天到达火星地表的辐射量，为推动人类登陆火星贡献着自己的力量。借助目前的技术水平，我们知道火星地表的辐射量很大——相当于每五天去医院做一次电脑断层扫描（也称为CT扫描）。不过，只要科学家知道辐射量的大小，他们就能想出应对之策。
除了调查人类能否登陆火星之外，好奇号的探索活动还有助于我们了解地球在史前时期的情况。9月份，科学家宣布在火星上发现了一块岩石。这块后来被命名为Jake Matijevic的岩石和地球上的一种火山岩几乎一模一样。这说明火星内部有可能比我们设想得要更接近于地球内部的情况。
“你可以把行星想象为开始于45亿年前的巨大实验体，”Bandfield说。“每个实验体的岩石、水等等的分量不同。”这些微小的组分差异怎么会造成如此迥异的结果？特别是，火星是怎么演化的：它可能曾经是适宜生存的，但在很久以前它就已变成不毛之地，可和它地质情况类似的地球却能拥有丰富多样的生物？
“我们在研究这些行星的同时，也在反思自身，”Edwards说。“我们同属于一个系统，不是吗？我们的太阳系。”
这张360度全景照片拍摄于好奇号在火星上度过的第59天。它的导航相机记录了前景中的石巢（Rocknest）和背景中的夏普山（Mount Sharp）。从Gale陨石坑底部看过去，夏普山在5500米外高高耸立着。好奇号目前正在去夏普山的途中，它在火星表面会继续留下更多足迹（见图中右部）。（图片来源：NASA/JPL-CALTECH）
