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解开火星的甲烷之谜 探测器蓄势待发

来源:环球科学

作者:Nisha Gaind

2016年,发射前在无尘室中的微量气体轨道器。@ Thales Alenia Space/ESA

3.5吨重的微量气体轨道器(TGO)绕飞火星已经超过一年了。如今,在绕飞1000圈后,它已经到达研究火星大气的理想位置,并完成了第一次科学观测。人们希望它能解开火星科学中一个最具争议性的谜题:甲烷,生命存在的可能迹象,为什么会出现在这个红色星球上。

TGO作为ExoMars任务的一部分,由欧空局(ESA)和俄罗斯联邦航天局联合主持。这枚于20163月发射并在当年10月抵达火星轨道的探测器,是第一架专为研究火星干冷大气中不到1%的组分(包括甲烷、水蒸气和臭氧)而设计的航天器。TGO在本月早些时候到达预定轨道并进行了一系列发动机测试,自421号开始采集科学数据。

火星大气几乎全由二氧化碳组成,但研究人员对其他组分更感兴趣——尤其是甲烷。这些微量气体可能是生命或地质活动的迹象,同时也为研究火星气候历史提供了线索。

气体来源

借助地球上的望远镜、人造火星卫星和NASA的“好奇者号”,科学家们捕捉到火星大气中甲烷存在的迹象已有15年了。随着证据的累积,关于其来源的争论愈演愈烈。密歇根州立大学的行星科学家Sushil Atreya说,“地球大气中的甲烷有95%来源于过去和现在的生命活动。所以很自然地会想到,火星上的甲烷是否也来自于生命活动。”

这些气体的存在出乎研究人员的意料,因为大气中持续数世纪的化学反应会不断破坏甲烷分子。而可观测的甲烷水平说明一定有什么活动在持续补充它。

“好奇者号”目前测得(火星大气中)甲烷含量平均为0.5ppb(而地球的大约为1,875ppb)。Atreya说,出人意料的是火星大气中甲烷浓度竟会随时间变化。观测结果也证实了浓度为45ppb的大羽流的存在,此外“好奇者号”还探测到一瞬而逝的7ppb的波动。帕萨迪纳市加州理工学院的行星科学家Bethany Ehlmann表示,“我们从没想过火星上会有甲烷,更不用说其含量还在变化;除非有活动源或者剧烈的(地质)沉降。”

研究人员已经假设了多种来源。峰值可能来源于地表水和岩石的化学反应,或是坠入大气层的富碳陨石,亦或是火星地下水库突然爆炸;其中最令人兴奋的,无疑是存在生命活动这一可能。Ehlmann感叹,“这真是个谜!”

科学有效载荷

TGO上载有的四种主要科学设备将采集数据并将微量气体含量可视化,从前所未有的细节上展示它们随时间的变化。

轨道器上主要的光谱仪NOMAD可以探测红外线、紫外线和可见光,并能够穿过火星大气“看到”距轨道高度约400公里的地表。每绕飞一圈TGO会两次位于火星明暗交界线,此时NOMAD便有机会透过火星大气看向太阳,让探测器获得更多大气样本,进而增加了其敏感度——“大概比‘看向’地表多了30倍,” Michael Mumma表示,他是位于马里兰Greenbelt NASA戈达德太空飞行中心的一位行星科学家,同时也是NOMAD的合作研究员。研究人员能利用它采集到的数据辨别不同气体的光谱特征,因为不同气体吸收的波长不同。

微量气体轨道器正在探测火星大气中少量存在的气体。@ ESA/ATG medialab

飞行器上的彩色相机CaSSIS将构建详细的三维火星地形图。借助CaSSIS的图片存档,一旦其他仪器捕捉到了甲烷浓度的突变,研究人员几乎就可同时找出(突变对应的)火星地表的大致位置。“我们正在找类似陨石坑、岩石断层或大裂谷那样的地形,这真的很令人兴奋。”英国米尔顿凯恩斯开放大学的行星科学家Manish Patel说道,他参与了NOMAD CaSSIS两部分的工作。

Ehlmann说,氢及其同位素氘(随海拔高度和季节变化,这二者在水中的含量有差异)占比的数据对揭示火星上水存在的历史至关重要。Mumma希望这有助于了解火星上人们假定存在的古海洋发生了什么——比如水是否都蒸发了,并从大气中逸出。

Patel说,下一步的主要任务是搞清楚探测器的敏感度是否如预期。据欧洲空间研究与技术中心(位于荷兰诺德韦克)ExoMars TGO项目科学家Håkan Svedhem所说,TGO对微量气体的最低设计探测浓度为1ppb,对甲烷的为0.2ppb。但敏感度最终取决于诸多如大气温度和尘埃水平这些因素,研究人员希望在下个月内得到最终确定的数值。“这段时间大家都会很紧张,因为它是今后八到九年的工作重心,”Patel补充道。欧空局计划让TGO运行到2020年年末,到那时它会作为预计于2021年抵达的ExoMars探测车的数据中继站继续服务。

Patel希望在开始的数月内就能将甲烷含量可视化,并为研究人员渴求的答案提供线索。“关于这个问题(*本文导语中,火星气体来源)的争论已经持续了十年——它应该能够回答了。”

翻译:张宇哲

审校:董子晨曦

原文链接:https://www.nature.com/articles/d41586-018-04948-x

本文来自:环球科学
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