火星探测寻找最佳着陆地点

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火星探测寻找最佳着陆地点

Richard A. Kerr　文　Shea　译

行星科学家们正在为下一代火星车寻找既安全又有科学价值的着陆地点，但是资料显示恐怕鱼和熊掌不可得兼。

                               
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[图片说明]：计划于2010年发射的耗资15亿美元的“火星科学实验室”（MSL）。图片版权：NASA/JPL-CALTECH。

　　第一次发射火星着陆探测器时，不可避免地看上去更像是扔标枪。对于1977年的“海盗”号而言，当时没有人知道火星上哪里是安全的、哪里又是有探测价值的。但是现在不同了，在5次安全地着陆火星之后，再加上传回的几万亿字节的数据，美国宇航局（NASA）开始为下一个火星着陆计划寻找着陆地点。这次他们要正中靶心，把着陆器送到一个封存着火星的温暖与潮湿的信息几十亿年的地方。如果运气好，他们甚至可能会发现火星早期生命的踪迹。

　　到目前为止，科学家们在识别火星上的安全着陆地点方面保持着完美的纪录。但是，寻找在地质学上有科学意义的着陆地点又却是另一回事。2004年，在火星轨道上的摄谱仪所发回的数据中出现了一个“矿物信号”，这直接导致了“机遇”号火星车着陆在了本初子午线平原（Meridiani Planum）的平坦开阔地上，在那里发现了古代盐湖的遗迹。但是“机遇”号的孪生兄弟“勇气”号着陆在了被许多科学家认为是古代河床的地点，结果却发现那里只不过是一片熔岩曾经流过的地方。

　　在选择着陆地点时，“要综合地貌和矿物学特征，这样那才能事倍功半，”美国亚利桑那州立大学的行星地质学家詹姆斯·赖斯（James Rice）说，“但是这说起来容易做起来难。”美国喷气推进实验室（JPL）的行星制图员蒂莫西·帕克（Timothy Parker）说，尽管加倍地努力，但是在着陆的时候你也许会发现我们先前的预计可能完全都是错误的。

　　为了避免2010年耗资15亿美元的“火星科学实验室”（MSL）着陆火星之后出现同样的窘境，NASA成立了一个专门的委员会，包括了120多位科学家，计划用3年时间来挑选一个既安全又有丰硕科学回报的着陆地点。专家们提出了35个可供选择的着陆地点，但是对于这35个候选地点的看法尚未达成一致。花3年时间把35个候选地点缩小到1个，就时间而言并没有看起来的那么漫长。

                               
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图片说明]：“火星科学实验室”（MSL）和火星探测车（MER）的比较，前者要大得多。图片版权：NASA/JPL-CALTECH。

综合数据

　　一切从评估以前挑选工作的纪录开始。在最早的火星探测计划中，所有人都同意，科学家们在选择着陆地点时基本靠运气。他们从两个“海盗”号火星轨道器发回的模糊照片中挑选了两个着陆地点。用JPL的行星地质学家、NASA着陆地点指导委员会副主席马休·戈龙贝克（Matthew Golombeck）的话来说这就像“盲人给盲人领路”。当时对可能撞坏着陆器底部的不可见岩石的数量和大小的预测以及对着陆地点可能使得着陆器翻到的坡度的估计，“从各个方面来讲都是错误的，”戈龙贝克说。

　　到1997年NASA“火星探路者”计划的时候，较以前多得多的观测资料使得着陆地点的挑选成了一个更加理性的过程。着陆器的观测一开始就证明了科学家关于着陆地点安全性的预言。在科学性方面，研究者们发现了与“海盗”号着陆地点类似的布满岩石的冲积平原。但不幸的是，那里的岩石太单一，所能提供的信息比预期的要少。

　　当时间推进到火星探测车（MER）——“机遇”号和“勇气”号——的时候，“对着陆地点安全性的预言已经十分到位，”戈龙贝克说，“但是对于科学性还不够。”如同从火星轨道上所获得的光谱预言的那样，“机遇”号发现了由水形成的赤铁矿。但是与许多专家预计的相反，这些赤铁矿并非形成于拥有生命的湖泊的底部，而是在含盐的高酸性地下水中。有时水会流到火星表面，但在过去的超过30亿年的绝大部分时间里，这一区域一直是含盐的沙丘。尽管如此，绝大部分科学家依然认为“机遇”号的着陆点选择还是非常成功的。他们希望能找到火星早期水的证据，他们找到了。

　　对于“勇气”号着陆地点古谢夫环形山（Gusev Crater）的选择却并非如此。在原先155个候选地点中，绝大部分被证明存在有致命的问题：风太大无法着陆，灰尘太多无从从事地质学研究，巨石太多，没有足够的空间供着陆，等等。最后剩下4个地点可供选择，其中一个被许多人认为是极为安全的后备着陆地点，但是那里对于全世界而言太平淡无味了，另一个地方发现水的可能性又很小。相比之下，古谢夫环形山看上去更像是一个理想的选择。轨道成像观测使得许多专家相信，洪水曾经涌入了这座环形山，并且形成了一个深达几百米的湖泊。

　　但是，在“勇气”号到达之后，结果却令人沮丧。用一个探测小组成员的话来说，这里就像是一个由熔岩撞击粉碎而形成的“玄武岩监狱”，从来就没有水的存在。当“勇气”号驶入附近的“哥伦比亚”山区的时候，它发现了水与火山岩相互作用或者是岩石撞击的痕迹，但是有关的问题被证明过于复杂还没有得到解释。

                               
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[图片说明]：“勇气”号到达的是一片令人沮丧的熔岩流区域，而非是希望中的湖床。图片版权：NASA/JPL-CALTECH。

MSL的解决方案

　　在MSL上，科学家们希望能避免出现另一个古谢夫环形山。上一次，“我们奢侈地拥有两辆火星车，”赖斯提醒道，“但这一次我们只有一辆。”这是因为NASA正在摈弃原先既能探测过去潮湿环境又能识别有机物质的单一大型火星车的理念。这个计划将专注于“可栖息性”，也就是环境承载过去或者现在生命形式的可能性。MSL所搭载的仪器载荷将会是“机遇”号或者“勇气”号的16倍，包括从亚表面冰探测器到用于照射岩石来分析其化学组成的激光器等等。

　　同时，MSL和MER相比还具有更强的机动性，可以开到科学家们真正想让它去的地方。MER的登陆舱像子弹一样一头撞进火星的大气层，直到降落伞打开来减缓下降的速度。对于这种不受控制的进入大气层方式以及下落过程，工程师们不得不假设着陆器最后着陆的位置一个100千米长的着陆椭圆之内。由太阳能提供动力的MER设计寿命是90天，在这期间它们至少可以行驶600米。

　　另一方面，MSL将会有更长的时间和更多的能源来探测更大的范围，甚至可以超出着陆区域的目标。它的登录舱会不断测量自身的高度并且调整姿态，最终把着陆椭圆收缩成一个20千米的圆。一旦着陆，与MER的太阳能电池板不同，MSL上的放射性同位素热电发生器——一种稳定、可预言的能源——就会为它提供2年的能量，使它的活动范围至少可以达到20千米。因此它可以着陆在一小片安全的着陆地带，然后开足马力驶向“危险”的探测目标。另外，它还可以在高海拔的稀薄空气中降落，并且在纬度更高、更寒冷的地区工作。

                               
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[图片说明]：“机遇”号发现了由水形成的赤铁矿，和从火星轨道上所获得光谱的预言一致。图片版权：NASA/JPL-CALTECH。

去哪儿？

　　那么，NASA究竟要把这辆火星车送到哪儿呢？科学家们在从山谷、峡谷、沟壑到环形山、平原和盆地这些令人眼花缭乱的地质结构中寻找“可栖息性”的踪迹。通常，如果有水塑造地貌或者改变岩石的迹象会使得那里成为着陆点。如果那里的岩石是层状的——可能是由于某个时期在水层中所造成的沉积——那就更好了。当然，这一地点对于着陆而言必须是安全的，或者至少从安全的着陆点可以抵达这一地区。

　　一些学者看好本初子午线平原或者其周边地带，“机遇”号火星车就位于这个大约40亿年前由于风和水作用沉积达800米、富含硫酸盐的平原上。这些本初子午线平原的地层可能记录了火星上相当长的一段时间内环境的变迁。但是“机遇”号仅仅对一个小型陨石坑中800米深的沉积物中最上面的10米进行了研究。美国马林空间科学系统公司的行星地质学家迈克尔·马林（Michael Malin）说，与探测局部的沉积物相比，如果能探测距离“机遇”号几百千米远的平原侧面，MSL有可能为我们展开一幅更加壮美的画卷。

　　本初子午线平原很显然能满足任何一个火星地质学家对于地层的要求，但是有一些人仍然对此保留意见。“我们已经到过那里了，”赖斯说，“让我们去一些未曾去过的地方吧。”本初子午线平原的一个缺点就在于它的地质历史。酸性盐水对于栖息生命而言并不合适的。在地球上，咸水蒸发之后剩下的岩石上只会留下很少的有机物质。本初子午线平原上的有些地方看上去尘埃太多遮掩了所有令人感兴趣的地质化学活动。在为候选着陆地点投票的过程中，只有一个和本初子午线平原有关的地点——刚好位于该平原的北部边缘——入选前十名，名列第八。

　　一个更受欢迎的地点来自一个“低调”的层状沉积物地区，在那里带状的沉积物暴露在峡谷、环形山以及其他受到保护的洼地中。科学家们怀疑，至少有一些沉积物形成于静止的水体中，同时火星轨道上拍摄的光谱也显示一些沉积物由与水有关的硫酸盐或者粘土组成。

　　在位于赤道以南直径160千米的盖尔环形山（Gale Crater）中，层状沉积物在环形山底部的中央形成了一座小山。盖尔环形山中的小山在MER的候选目标中是很著名的一个，但是工程师们没有办法把着陆椭圆放入这座环形山内。现在一些科学家——包括康乃尔大学的行星科学家詹姆斯·贝尔（James Bell）——想再尝试一次。贝尔说，5千米高的层叠沉积是一个令人费解的结构。“无论是什么过程塑造了这样一个结构，它都会渗透到火星研究的各个领域，”他补充道，“现在它还是一个谜。”

　　但是反对者认为盖尔环形山的科学风险可能过大。“你一直在使用‘谜’这个词，”NASA约翰逊空间中心中的天文资料主管卡尔顿·埃伦（Carlton Allen）说。“这是一次性的、耗资几十亿美元的计划，但是你却告诉我，我们对探测地点是如何形成的还一无所知。”贝尔承认，没有人“确切”知道盖尔环形山中央的小山是否真的由于湖泊沉积、火山灰下落或者是风吹动尘埃而形成的。但在第一轮投票中，好奇心战胜了谨慎。盖尔环形山明列第六，同时还有其他3个低调的沉积地点挤进了前十名。

                               
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[图片说明]：有太多的问题困扰着着陆地点的选择。曾经有水在这里流过吗？（左上图）埃伯斯沃尔德环形山的三角洲是由什么组成的？（右上图）尼利·福萨凹槽上空的风是否太大不利于安全着陆？（底图）图片版权：NASA/JPL/OMEGA/THEMIS。

确认有水

　　科学风险风向标“安全”的一端指向了古代的火山湖，例如位于火星南半球亚热带的埃伯斯沃尔德环形山（Eberswalde Crater）。在那里存在一个无可辩驳的由河流冲击形成的三角洲，还有蜿蜒曲折的河道。赖斯说，对于MSL而言，“埃伯斯沃尔德环形山正是它的目标”，因为存在三角洲就意味着有水和沉积物。三角洲中的粘土沉积对于探测有机物而言更是具有得天独厚的优势。但是，即使是埃伯斯沃尔德环形山的拥护者也很快意识到，对于20千米着陆区域的要求而言那里太小了。另外两个被提名的环形山——霍尔登环形山（Holden Crater）和特比环形山（Terby Crater）——尽管没有那么明显的存在湖泊的证据，但是它们拥有安全着陆的所需的足够空间。

　　但是一般而言，环形山作为着陆地点都有一个严重的问题——风。西南研究所的大气专家斯科特·拉夫金（Scot Rafkin）和蒂莫西·迈克尔斯（Timothy Michaels）初步建立了火星的风场模型。“火星是一个大风凛冽的地方，”拉夫金说，“有些好的探测地点由于当地的大风无法作为着陆点。”

　　在计划MER的时候，工程师们通过数值发现当地风速过快而无法安全着陆时，他们不得不放弃一些吸引人的地点，例如位于水手大峡谷一侧的米拉斯峡谷（Melas Chasma）。古谢夫环形山正好不在此列。拉夫金说，环形山和和峡谷所产生的小尺度上的风超过了大范围的风。“因此最终可能会和MER一样避开这些地方，”拉夫金说。NASA艾姆斯研究中心的行星地质学家杰弗里·穆尔（Jeffrey Moore）称，这是一个坏消息。他把MER的选址称为是“对着陆地点的杀戮”。尽管如此，这三个环形山最终还是入选了前五名。

真的有水

　　曾经有水的环形山对于地质学家来说是绝佳的选择，但对于比地质学家更早考虑化学成分的光谱学家而言，他们更强调注重矿物学组成。南巴黎大学的光谱学家让-皮埃尔·比布林（Jean-Pierre Bibring）提醒，探测要以和水有关的矿物为目标。“我们必须去那些有水合矿物的地方，”他说。他们证明，水不仅仅只是流过，还会逗留很长时间来改变矿物的化学特性。

　　而且，问题还不单单是含水矿物。比布林领导着欧洲空间局“火星快车”轨道飞行器上的OMEGA分光仪小组，°MEGA的观测显示，有利于生命的粘土在硫酸盐之前就形成了。如果生命曾经在火星上出现过，他说，粘土时期是最有可能的。但是探测还没有发现粘土，因此MSL应该以能发现粘土的地方作为目标，例如尼利·福萨（Nili Fossae）凹槽的两侧或者马斯山谷（Marwth Vallis）。尽管两地的风速都很高，但这两个粘土着陆地点最终分列第一和第四。

　　所有35个候选的地点在16个月内都会被仔细地勘察。在火星轨道上的环火星巡逻者（MRO）将能拍摄到最小的具有危险性的岩石，并且探测到哪怕是一小片令人感兴趣的矿物区。“火星快车”也许也会加入其中。这将有助于精确测量MSL着陆地点的坡度。到2007年底，这张包含了35个候选地点的大名单将最终只剩下12个。

                               
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出自：Science
发布日期：2006-06-16