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昇華的火星海洋,毅力號登陸點「古耶澤羅湖」——火星特輯(2)

Whyjay
・2020/11/17 ・2302字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 512 ・六年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

2020年夏天是每26個月一度的火星探測季。這次的火星季特別令人興奮,因為共有3艘太空船正在前往火星的途中!在期待新的探測器帶給我們新發現的同時,就讓本特輯充當導覽員,為您解說火星探索背後的故事以及這顆紅色行星的科學。

火星特輯上一回:毅力號出發冒險囉!但要在哪裡降落呢?NASA你說說看!

2021年二月,NASA的毅力號火星車就會登陸耶澤羅隕石坑(Jezero Crater)。選擇此地登陸的最大原因,是有非常多的證據顯示它曾經是個大湖[1]。在下面隕石坑的地形圖中,可以看到隕石坑的左側邊緣有兩個歪歪扭扭的渠道,水曾經從這邊流入;隕石坑的右方則有另外一個渠道,古湖水可以從這邊流到更低的地方。在左側渠道進入隕石坑的地方,可以看到具有三角洲外型的地表特徵,意味著古河流帶來的沉積物應該還遺留在此。毅力號就是預計來到這邊找尋生命曾經存在火星的證據。

圖1:耶澤羅隕石坑的地形圖。不同的顏色代表不同的高度,單位為公尺。粉紅色橢圓區域為毅力號預計登陸的位置。(改自NASA/Tim Goudge原圖)

雖然知道有古湖泊存在是件令人興奮的事,但是能否找到生命的痕跡,還是得打一個大大的問號。這主要是因為我們對這個湖的出現時間還有持續時間都還不是很清楚。最新的研究指出三角洲最有可能是在35億年前形成的,而且非常有可能還更老[2]。這樣的話看起來是有些機會,因為在地球上的35億年前,生命應該已經存在幾億年了。

然而,湖的持續時間是個大問題。35億年前的火星氣候早已非常寒冷,類似像耶澤羅這種大小的湖泊很容易就會結冰,然後冰會在幾百年內昇華跑光光[*] [3]。幾百年的時間已經足夠形成三角洲[4],但是能形成生命嗎?沒人知道。當然,如果在很長的一段時間內有源源不絕的水供應到湖泊的話就另當別論,不過更進一步的線索就得仰賴毅力號的任務了。

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*作者註解:如同水會蒸發一樣,在空氣乾燥時,地表的雪或是冰可以不用先變成液態就轉變成氣態消散在大氣中。雪或冰的昇華在地球上的寒冷區域時常發生,也是為什麼在零下的溫度中曬一件結冰的衣服仍然會乾的原因。

30~35億年前的火星海洋?

慢著,或許你會覺得本來應該就要有「源源不絕的水」供應到湖內才對,因為地球上的湖不都是這個樣子的嗎?

問題還是出在火星當時的氣候。在那麼低的溫度下,水分子無法透過降雨或降雪重新回到湖泊,只會被冰封在高海拔地區。也就是說,火星上的湖泊形成後,就是無止盡的蒸發或昇華,並不能像地球一樣靠降雨來補充水量[3]。有趣的是,類似耶澤羅的古湖泊、河道遺跡在火星上有不少,而且年代都推測在30~35億年前[5]。在火星的北方低地,甚至還有出現被解讀為海嘯的地形特徵[6]。對於「水從哪裡來」這個問題,到目前為止最合理的解釋是:火星冰封的表面被什麼東西打破或熔化了,然後埋藏在下面的地下水就流出來[3][5]。據估計,在這五億年內流出的水量大概可以讓火星變成水深40公尺的海洋星球[5]。問題是這些水可以在表面待多久?是一次性釋放這麼多,還是在五億年間透過間歇性的事件(如隕石撞擊)分段釋放?這些目前都缺少證據來妥善回答,因此到底是不是有(可以存活很久的)海洋或湖泊存在於這個時間點,目前還是炙手可熱的議題。

40多億年前的火星海洋?

不過,「古耶澤羅湖」還有一種可能性,就是它比現在推測的年齡下限還要老得多。如果超過40億年,那就會跟另外一個火星可能有海洋的時期互相吻合。在40億年前,火星非常有可能有著溫暖(大於0度C,XD)潮濕的氣候與大型的海洋。相關的水文作用產生了許多地形上的證據,而且今天仍然可以觀測到,例如:大型峽谷系統、古海岸線等等。雖然這些證據存在許多問題(像是古海岸線的高度不一致等等),但這個時期的火星表面如果有液態水海洋,它的存在時間就可以長得多,並且可能為生命的誕生提供更多的機會。

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圖2:40多億年前,火星的北半球可能是一片汪洋,平均深度可能超過100公尺。這些水現在大都已經逸散到太空中,剩下的則是被冰封在火星的表面之下。(NASA/GSFC)

耶澤羅隕石坑本身也有可能在這兩次「火星海洋」出現的期間內被多次填滿[7],這倒是讓古耶澤羅湖沉積物中出現生命的機會高了許多。毅力號的造訪,將可以查明耶澤羅隕石坑過去的地質歷史,也很有可能可以讓我們了解到火星過去的湖泊、海洋到底存在多長的時間。你相信火星過去真的兩度出現過海洋嗎?我們還可以從數十億年的地層之中找到被隱沒的真相嗎?

參考資料/延伸閱讀

[1] 毅力號出發冒險囉!但要在哪裡降落呢?NASA你說說看!——火星特輯(1)

[2] Mangold, N., Dromart, G., Ansan, V., Salese, F., Kleinhans, M. G., Massé, M., …Stack, K. M. (2020). Fluvial Regimes, Morphometry, and Age of Jezero Crater Paleolake Inlet Valleys and Their Exobiological Significance for the 2020 Rover Mission Landing Site. Astrobiology, 20(8), 994–1013. https://doi.org/10.1089/ast.2019.2132

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[3] Turbet, M., &Forget, F. (2019). The paradoxes of the Late Hesperian Mars ocean. Scientific Reports, 9(1), 7–11. https://doi.org/10.1038/s41598-019-42030-2

[4] Salese, F., Kleinhans, M. G., Mangold, N., Ansan, V., McMahon, W., DeHaas, T., &Dromart, G. (2020). Estimated Minimum Life Span of the Jezero Fluvial Delta (Mars). Astrobiology, 20(8), 977–993. https://doi.org/10.1089/ast.2020.2228

[5] Head, J. W., Forget, F., Wordsworth, R., Turbet, M., Cassanelli, J., &Palumbo, A. (2018). Two Oceans on Mars?: History, Problems, and Prospects. In 49th Lunar and Planetary Science Conference, 2194.

[6] Rodriguez, J. A. P., Fairen, A. G., Tanaka, K. L., Zarroca, M., Linares, R., Platz, T., …Glines, N. (2016). Tsunami waves extensively resurfaced the shorelines of an early Martian ocean. Scientific Reports, 6(April), 1–8. https://doi.org/10.1038/srep25106

[7] Goudge, T. A., Mustard, J. F., Head, J. W., Fassett, C. I., &Wiseman, S. M. (2015). Assessing the mineralogy of the watershed and fan deposits of the Jezero crater paleolake system, Mars. Journal of Geophysical Research: Planets, 120(4), 775–808. https://doi.org/10.1002/2014JE004782

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Whyjay
17 篇文章 ・ 0 位粉絲
透過我的眼睛、鏡頭的眼睛、還有衛星的眼睛看世界的地球科學研究者。期望與你分享冰川下封存的秘密或是火山上隱藏的故事;夜晚,我們更可以遙望皎潔的明月,更遠的木星與冰衛星,甚至更遠更遠──某顆系外行星上的生命,或許也正拿望遠鏡看著我們討論人類最終的歸宿。推特:https://twitter.com/WhyjayZ (英文)
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是誰藏在月球的土壤裡?NASA 表示:水啦!
PanSci
・2020/10/28 ・2667字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 541 ・八年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

NASA 第一次透過「同溫層紅外線天文台」(Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy,以下請容我們都稱她為 SOFIA)在月球的暗面上發現水啦!

NASA 首次透過 SOFIA 在月球上找到水。圖/NASA

根據這項發表在《自然天文學》(Nature Astronomy) 的觀測結果,我們可以推斷月亮上的水應該分布在表面各處,而不僅限於陰影遮蔽的地方。

是水!一點點點點的水!

過去我們也曾在月球表面發現了某種形式的氫,但很難區分出水 (H₂O) 與羥基 (OH)。而這一次呢,SOFIA 在不是月球暗面的克拉維斯環形山 (Clavius) 也檢測到了水分子啦!

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克拉維斯環形山雖然名字是個「山」,但其實是一個非常大的撞擊坑,也是月球上最古老的地貌結構之一。而根據來自該處的數據,研究者在土中發現了水,濃度約為百萬分之 100 至 412,換算一下為每立方公尺 350 毫升左右。

SOFIA 在克拉維斯環形山 (Clavius) 檢測到了水分子。圖/Nature Astronomy

350 毫升聽起來有點兒多?嗯⋯⋯但撒哈拉沙漠的水量大概是它的 100 倍,不過,雖然水量極為稀少,這次的發現仍然十分重要,因為它翻轉了我們對於月球表面的理解,也指出了一些新的問題,有待我們去探索,像是:到底為何月球上會有水?這些水又是如何在沒有空氣的月球表面保存下來的?

所以說,為什麼月球上竟然會有水?

照理來說,月球上沒有跟地球一樣的大氣層,所以表面若是被太陽照射到,水分都應該散失了,不過,我們現在卻能夠偵測到水,這表示「一定存在著某種水源,也有一些物質將水困於其中。」來自 NASA 戈達德太空飛行中心 (Goddard Space Flight Center) 的博士後研究員凱西·洪尼鮑爾 (Casey Honniball) 表示。

嗯⋯⋯這些水到底是由誰「創造」或帶來的呢?其實啊,有好幾種可能的來源,比如說:落在月球表面的微隕石上頭可能攜帶著少量水分,在撞擊後便讓水沉積在月球表面;又或者可能是太陽風將氫吹到月球表面,而後氫與土壤中的含氧礦物質發生化學反應,進而產生羥基,然後再透過微隕石撞擊時產生的輻射,將羥基轉化為水。

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另一方面,這些水到底是如何儲存與累積的,也是值得探討的問題。微隕石撞擊時會產生高溫,可能會將水分子變成小小的珠狀結構,並將其困在土壤當中。又或者,水可能是本來就藏在月球土壤顆粒之中,也因此逃過了陽光的魔掌,得以保存下來。

這是第一次發現月球上有水嗎?

這不是我們第一次在月球上「發現水」,雖然阿波羅 (Apollo) 太空人於 1969 年首次從月球返回時,認為月球是完全乾燥的。不過,早在 2008 年的一次軌道任務中,科學家便在月球暗面的隕石坑中發現了水的痕跡,並於 2009 年發表了相關結果

同年, 為了得到更多月球有水的證據,NASA 撞擊了月球南極的火山口,這次他們發現了與水有關的光譜特徵,但這畢竟是間接而非直接證實月球上有水,無法明確地區分其存在的形式—— H₂O 或 OH。

而這兩個研究方向,都在近期有了新的進展。

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科羅拉多大學博爾德分校的行星科學家保羅·海恩 (Paul Hayne) 和他的同事們於《自然天文學》發表研究,透過理論模型和 NASA 月球偵測軌道的數據,計算得出月球的極地地區擁有約 40,000 平方公里的永久陰影區域可能含有水,這些區域大約 60% 位於月球的南半球。這些區域的水可能來自隕石、彗星和其他曾經撞擊到月球表面的物體。雖然大多數的水會蒸發,但是有些水會跟著穿過稀疏的大氣層,到達陰暗的角落,然後才像霜一樣沉積在冰冷的岩石和土壤上。

另一個便是這次 NASA 利用 SOFIA 直接找到了水分子波長的紅外光!主要作者凱西·洪尼鮑爾說:「在 SOFIA 觀測之前,我們知道存在某種水合作用。」但卻無法知道實際上有多少水,以及它的形式為何。

SOFIA 提供了一種看月球的新方法,它是一台安裝在經過改裝的波音 747 飛機上的紅外儀器,該飛機可以在約 14,000 米的距離上航行,其直徑 106 英寸的望遠鏡可以更清晰的觀察宇宙中的紅外線。使用 SOIFA 能夠偵測到紅外線的暗天體照相機 (Faint Object Infrared Camera, FORCAST),SOFIA 可以偵測到水分子特有的特定波長(6.1微米),並在月球正面的克拉維斯環形山發現了相對來說頗高的濃度。

SOFIA 利用紅外線偵測的方式,在克拉維斯環形山發現了相對來說頗高濃度的水。圖/Nature Astronomy

為什麼會用 SOFIA 來找水呢?

其實,SOFIA 本來是拿來觀察遙遠、看不太清楚的物體,像是黑洞啦、星團啦或是星系等等。所以這一次拿來看月球,基本上不屬於她的日常業務範圍。

參與這項計畫的 NASA 艾瑪斯研究中心 (Ames Research Center) 科學家納西姆·朗格瓦拉 (Naseem Rangwala) 表示:「事實上,這是 SOFIA 第一次觀察月球,我們原先甚至沒法確定能否取得可靠數據。」不過,月球上是否有水的問題實在太重要了,讓研究員做出全新的嘗試,而既然這次的測試可行,未來,「我們正計劃更多的飛行以進行更多的觀測。」

SOFIA 的後續飛行任務,將會在其他陽光照射的地方與不同月相中「找水」,以了解月球上的水究竟如何生產、儲存與運輸。而這些蒐集來的數據,將會加入未來的月球任務中,例如 NASA 的 Volatiles Investigating Polar Exploration Rover(簡稱 VIPER),為的是創建首張月球水資源圖,用於人類未來的太空探索任務。

編按:Volatiles Investigating Polar Exploration Rover(簡稱 VIPER)是一種移動機器人,主要執行的任務是在月球的南極漫遊、尋找水冰。不僅如此,VIPER 可以提供水的位置與實際可用的水量等資訊。

「不論是科學上的目的還是對我們的太空人而言,水都是十分寶貴的資源,」NASA 人類探索與運營任務部首席探索科學家雅各·布萊切爾 (Jacob Bleacher) 指出:「如果我們可以利用月球上的資源,那我們進行月球任務時,就能少帶一點水、多帶一點設備,來幫助新的科學發現。」

延伸閱讀

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毅力號出發冒險囉!但要在哪裡降落呢?NASA你說說看!——火星特輯(1)
Whyjay
・2020/10/12 ・2645字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 530 ・七年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

2020年夏天是每26個月一度的火星探測季。這次的火星季特別令人興奮,因為共有3艘太空船正在前往火星的途中!在期待新的探測器帶給我們新發現的同時,就讓本特輯充當導覽員,為您解說火星探索背後的故事以及這顆紅色行星的科學。

毅力號出發囉!但該在哪裡著陸呢?

行星探索的費用高昂,對於火星2020計畫也不例外。光是把一台毅力號(Perseverance)探測車造出來後發射就要花上720億台幣[1],而且這還沒算上機智號(Ingenuity)無人直升機和其他的花費。

為毅力號做的每一個決策,像是選擇著陸點,都必須要確保這台探測車能夠發揮最大的機能,以最有效率的方式達成任務目標。由於毅力號每天能夠移動的距離實在有限(時速是152公尺[2],大概跟烏龜相同),如果隨隨便便在火星上亂選一個無趣的地方著陸,就像是把錢丟到水裡一樣。嗯,如果火星上真的有水池,NASA說不定會支持把探測器丟到水裡看看是不是有生物游來游去。

毅力號表示:不要把我丟水裡啦!(設計對白) 圖 / NASA 計劃官網

這次毅力號主要的任務目標是回答以下問題:

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「有沒有生命存在或曾經存在火星上?」

雖然論表面積,火星只有0.28個地球大,但是如何選擇最有「生命希望」的著陸點進行研究仍然是一個困難的問題。

NASA至少從2014年開始就在思考可能的選項,然後提出了超過30個候選的著陸點[2]。在2015年8月的一場據說是氣氛肅殺的工作會議中[3],透過與會科學家的激烈辯論,候選的著陸點總算是減少到了8個[2]。這8個地點有不一樣的地形、地質、化學特徵,著陸難度不同,可能支持生命存在的跡象也不同。

可以想像的是,接下來的選擇可能會充滿主觀判斷,例如地球化學家會偏愛有特定礦物成分出現的地點,而地形學家則會選擇生物最有可能曾經活動過的地形。那該怎麼辦呢?一起打擂台嗎?(誤)

經過一番論戰後,NASA選出的8個候選登陸點。(NASA)

在2016年,NASA決定集思廣益,邀請大學內進行火星研究的人員一同參與決策。筆者在同一年也加入了一個為期5個月的定期工作會議,參加的單位有康乃爾大學、加州理工學院、亞利桑那州立大學、哥本哈根大學、普渡大學、西華盛頓大學跟石溪大學。

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開會內容就是仔細評估每個著陸點的古環境與地層證據,列出優缺點,最後再投票表決心目中最可能找到「生命希望」的地點。工作會議的參加成員從大學生到教授都有。我們的投票結果在工作會議後呈交給NASA,作為選擇著陸點的部分依據。

經典三選一!最後落地何處?

在2017年,NASA選出了3個最終候選地點,分別為耶澤羅隕石坑(Jezero Crater)、東北瑟提斯(Northeast Syrtis),以及在古瑟夫隕石坑內的哥倫比亞丘陵(Columbia Hills in Gusev Crater)[2]

前兩個地點都跟我們的投票結果相同,但是最後一個不一樣,我們的選擇是一個叫做馬沃斯谷(Mawrth Vallis)的地方。畢竟,NASA不能只憑登陸點的科學潛力做決策,還得考慮技術上的難易度以及未來的發展性(例如火星殖民需要的資源)才行。NASA選出的這三個地方分別有什麼吸引人之處?

最終的登陸點候選人。(NASA)

哥倫比亞丘陵:這個地方最大的優點是NASA很熟悉,因為之前的精神號火星車也是在這邊著陸。科學家透過分析精神號拍攝的照片與採集的樣本,知道了這個地點有很多有趣的沉積物種類,其中有一種叫做蛋白石質二氧化矽(Opaline Silica)。

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在地球上,蛋白石質二氧化矽的來源主要是矽藻,或是在火山溫泉區經無機作用生成。因此,在哥倫比亞丘陵發現的蛋白石質二氧化矽,代表高溫、充滿礦物質的泉水曾經在此流動過的跡象[4],且其他地質證據也支持這個論點。可惜的是,精神號已經在2010年因陷入沙坑而停止運作。想要進一步了解這些礦物是否代表生物存在的痕跡,就只能派毅力號舊地重遊了。

從精神號著陸點遙望哥倫比亞丘陵 (NASA)

東北瑟提斯:雖然沒有探測車到訪過這裡,不過從繞火星的人造衛星調查的資料來看,這個區域完整保存著火星形成後最初的十億年內形成的地層。有趣的是,其中的一個地層富含碳酸鹽礦物,而且鐵、鎂的含量很高;而另外一個地層則富含高嶺土(一種黏土礦物)。前者非常有可能是透過熱水的化學作用,讓橄欖石(一種火山岩內會有的礦物)的成分發生改變而形成;如果有適合的微生物存在,更能夠促進這種反應的發生。

高嶺土則是更進一步暗示了這個地區以前一定有地表水或地下水存在[5]。透過這些礦物拼湊出的歷史,暗示東北瑟提斯在過去的某個時間點存在非常有利於生物誕生與滋養的環境。

東北瑟提斯的衛星影像 (NASA)

耶澤羅隕石坑:從地形上來看,幾乎可以確定的是在很久很久以前,至少有兩條河流注入了這個隕石坑,讓坑底變成一個大湖。雖然湖現在早已乾涸,但是河口三角洲的位置從衛星影像上仍然清晰可見。這些三角洲主要由碳酸鹽類礦物與黏土礦物構成[6],如果以前曾經有微生物活在湖中,從這些沉積物中就可以找到生物釋放的化學訊號。

耶澤羅隕石坑,三角洲的衛星影像 (NASA)

在2018年,NASA宣布了著陸點的最終選擇,耶澤羅隕石坑雀屏中選。

接下來我們將進一步介紹這個隕石坑科學上的有趣之處,以及毅力號打算要在這個地方進行什麼樣的任務。在這些候選名單中,你自己又屬意哪個區域呢?你覺得NASA是否真的挑中了最具有「生命希望」的地區呢?

參考資料/延伸閱讀

[1] Leonard David. Mars Needs Money: White House Budget Could Prompt Retreat from Red Planet. Scientific American. April 30, 2020

[2] MARS 2020計畫網站

[3] Kenneth Chang. How NASA found the ideal hole on Mars to land in. The New York Times. July 30, 2020

[4] Squyres, S. W., Arvidson, R. E., Ruff, S., Gellert, R., Morris, R.V., et al. (2008). Detection of Silica-Rich Deposits on Mars. Science, 320(5879), 1063–1067.

[5] Ehlmann, B. L., & Mustard, J. F. (2012). An in-situ record of major environmental transitions on early Mars at Northeast Syrtis Major. Geophysical Research Letters, 39(11), 1–7.

[6] Goudge, T. A., Milliken, R. E., Head, J. W., Mustard, J. F., & Fassett, C. I. (2017). Sedimentological evidence for a deltaic origin of the western fan deposit in Jezero crater, Mars and implications for future exploration. Earth and Planetary Science Letters, 458, 357–365.

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透過我的眼睛、鏡頭的眼睛、還有衛星的眼睛看世界的地球科學研究者。期望與你分享冰川下封存的秘密或是火山上隱藏的故事;夜晚,我們更可以遙望皎潔的明月,更遠的木星與冰衛星,甚至更遠更遠──某顆系外行星上的生命,或許也正拿望遠鏡看著我們討論人類最終的歸宿。推特:https://twitter.com/WhyjayZ (英文)

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毅力號即將出發!NASA 2020火星任務,探索生命之謎
彥寧
・2020/07/30 ・3318字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 518 ・六年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

對於距離地球最遠達 4 億公里的火星究竟有沒有外星生命,一直是天文學家極力想探索的目標。在今年七月底,NASA 即將對探索火星計畫跨出超大的下一步啦!

2011 年,好奇號 (Curiosity) 成功發射後,傳回不少火星的地貌照片以及環境線索等重要資訊。而就在今年 (2020) ,好奇號的後輩——「毅力號」(Perseverance Rover) 即將要前往火星,執行火星 2020 探測車任務 (Mars 2020 rover mission, Mars 2020),也就是進一步探索火星的任務。

毅力號在火星上的示意圖。圖/NASA

毅力號與它的火星探索任務即將開跑啦!

力號預計於 2020 年 7 月 30 日的 11:50 發射升空(換算成台灣的時間為 19:50),並在為期七個多月的太空漫遊後,於 2021 年 2 月登陸火星,開始執行它的任務。

有趣的是,毅力號的許多零件都是使用製造好奇號時所剩下的備用零件,所以說毅力號是好奇號的「後輩」可以說是再適合不過了呢!

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自從 1965 年的水手 4 號 (Mariner 4) 成功飛越火星,並回傳了首張火星地表的照片後,NASA 對火星的研究就從沒有停止過。在這段期間,天文學家們發現火星擁有火山、火星極冠 (Mars polar caps),還有非常複雜的水和地質演化史,也發現早期的火星擁有滿足生命所需的所有條件。想要證明火星上有生命存在,現在最關鍵的一步就是找到生命存在的直接證據了。

不過,這可不是一件簡單的事。要找到這樣的證據,要有夠厲害的偵測裝置,在火星上偵測到能夠證明生命存在過的合適樣本,並正確地分析後,我們才能真正證明火星曾有生命存在過。

而且,實際上現代人類的科技也無法將那些分析樣本的實驗室儀器透過火箭一起發射到火星上,所以上面說的方法以目前的科技來說,是不可行的。

好啦別難過,畢竟火箭能乘載的空間是有限的嘛。圖/GIPHY

但你先別失望,既然沒有辦法將儀器發射到火星上,為什麼不把合適的樣本送回地球分析呢?於是,火星 2020 探測車任務就誕生了!

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火星 2020 探測車任務的目的,除了要探測火星的地質、環境與歷史,更重要的就是要將火星的樣本送回地球。這樣一來,我們就能對火星有更進一步的認識,或是找到火星曾經存在生命的證據,也為未來人類實際上登陸火星探索做準備。

雖說是這樣,將火星的地質樣本送回地球可是浩大的工程,首先要在火星上收集好地質樣本,再來還要將一枚乘載著「另一枚火箭」的火箭,成功射向火星並成功登陸。而那另一枚火箭載著收集好的樣本,自行從火星發射,將樣本發射至火星的自轉軌道中,最後再由其他裝置將其運回地球,才能將樣本順利送回地球分析。

火星 2020 探測車任務計畫步驟示意圖。/NASA

簡單來說,火星 2020 探測車任務分成三個任務:任務一,尋找並偵測最合適的樣本,將其裝管並儲存放置;任務二,從地球發射火箭,並將樣本運往火星自轉軌道;任務三,將樣本運回地球。

而本次發射的毅力號就是負責執行任務一,也就是偵測火星的地質與氣候,找出最合適的地質樣本,再將其分別裝進 30 個樣本儲存管中啦!一旦收集任務完成後,毅力號就可以喘口氣,繼續看看四周的地質環境如何,盡可能將更多的火星資訊回傳給地球。

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值得一提的是,火星 2020 探測車任務的第二步是將載著另一枚小火箭的大火箭從地球發射後,再讓小火箭自行從火星發射。實際上靠著人類目前的現代科技,最多也只能將 100 公克的樣本送回地球而已。

因此,找尋到理想的合適樣本會是巨大的挑戰,而任何一個小零件毀損都有可能導致任務失敗。同時,那 100 公克珍貴的地質樣本,也需要非常謹慎的選擇。

毅力號的任務示意圖。圖/NASA

精挑細選的降落地點:傑澤羅隕石坑

另外,雖然火星那麼大,但要讓探測車順利登陸,也得有理想的環境條件才行。

經過精挑細選,最後毅力號決定降落在「傑澤羅隕石坑」(Jezero crater)!

根據過去精神號 (Spirit)、機會號 (Opportunity) 以及前面提到的好奇號的經驗,若是要讓探測車順利的著陸,這個著陸地點要滿足不少條件。

第一,這個地方不能太高,必須低於 500 公尺,才有足夠的大氣讓降落傘可以張開;第二,這個地點必須距離火星的赤道 30 度以內,才能有足夠的溫度讓機器能安然度過火星的「冬天」;第三,降落地點需要大約 10 公里寬的平坦地面,才能讓毅力號順利降落。以上三點要能夠同時滿足。

同時,樣本要足夠古老,才能分析出火星過去的環境變化,讓我們多得到一些資訊。傑澤羅隕石坑非常古老,天文學家認定被隕石撞擊出的坑曾經是一個充滿水的湖,而且我們甚至能看到在隕石坑的一旁,有因河川流入湖泊後流速降低、河川中物質沉積所形成的三角洲。

透過衛星圖像的分析,這個三角洲含有大量的蝕變礦物 (altered mineral)。礦物蝕變即是指礦物的化學組成或結晶狀態因環境而產生變化,而通常最常見、也最有影響的催化劑,就是前面不斷提到的水!這就代表此地非常有可能含有生物訊息。

在多重條件都滿足的情況下,NASA 就選定了傑澤羅隕石坑作為毅力號的降落地點。

傑澤羅隕石坑的蝕變礦物分析圖。圖中藍色、綠色的部分就是透過衛星分析含有蝕變礦物的地方。圖/NASA

測試 MOXIE:將二氧化碳變成氧氣的裝置

前面提過毅力號使用了許多好奇號的備用零件,不過其實毅力號還是有比起前輩更厲害的地方的!毅力號搭載了一個對於宇宙探索非常重要的裝置—— MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment)!

實際上,MOXIE 是一項將二氧化碳轉換為氧氣的裝置,體積也不大,就與汽車的電池差不多大,不過尚在實驗階段,本次的火星 2020 探測車任務就特別裝上,藉此測試效果如何。

本次的任務二,也就是將收集到的樣本運到火星自轉軌道的這一步驟,實際上是非常具挑戰性的。不過若是 MOXIE 成功,也有不錯的效果,MOXIE 就能將火星的二氧化碳轉為液態氧燃料!也許本次任務就能有更進一步的探索。

MOXIE所在位置示意圖(我想大家都看得出來黃色的部分就是 MOXIE 裝置吧)。圖/NASA

同時,火星或許就能成為人類探索宇宙重要的中心,不用從地球一直往火星送液態氧,而有機會在火星自行製造。

不過,最重要的是,火星大氣的氧氣濃度非常稀薄,比起地球的 21%,火星大氣中僅僅只有 0.13% 的氧氣,而且有 96% 都是二氧化碳。這對於未來人類實地探索火星非常不利,畢竟人還是需要呼吸、需要氧氣才能活下去。倘若 MOXIE 的技術在火星上能夠順利運作,氧氣不足對於宇宙探索造成的阻礙就變小許多,對未來人類登陸火星也是非常重要的一大步,為宇宙探索帶來革命性的發展。

When we send humans to Mars, we will want them to return safely, and to do that they need a rocket to lift off the planet. Liquid oxygen propellant is something we could make there and not have to bring with us. One idea would be to bring an empty oxygen tank and fill it up on Mars.(當我們將人類送上火星,我們都希望他們能平安返回,而為了達到此目的,必須在火星上發射火箭。液態氧推進劑是我們能在火星上製作的東西,不必帶著。有個主意是帶著空氧氣筒去,並在火星上裝滿它。)

—— Michael Hecht,MOXIE 首席研究員

本次的任務,不僅要探索火星的環境以及歷史、尋找生命存在的證據,甚至還能測試 MOXIE 這項徹底改變現代人類宇宙探索方式的革命性技術,真是非常令人期待呢!

說不定,未來人類真的能移居火星,過上現在的我們想都沒想過的嶄新生活呢!

參考資料

  1. Wikipedia-Mars 2020
  2. Wikipedia-Perseverance (rover)
  3. Wikipedia-Mariner 4
  4. NASA-Mars 2020 perseverance rover mission-Overview
  5. Medium-NASA to Launch the Next Era of Mars Exploration with the Perseverance Rover.
  6. Wikipedia-Jezero (crater)
  7. Wikipedia-Mineral alteration
  8. NASA-Mars 2020 perseverance rover mission-MOXIE

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