火星正在嗡嗡作響,科學家尚不清楚原因

火星正在嗡嗡作響,科學家尚不清楚原因
洞察號的設計目的是探察火星的內部結構。在該探測器的諸多儀器里,有一臺極為敏感的地震儀(圖片中心),一直在監測火星的每次顫動。
圖源:NASA/JPL-CALTECH
 
撰文:MAYA WEI-HAAS
 
  在那荒涼的塵封表面下,火星正在嗡嗡作響。這種平靜而又持續的聲響,周期性地與火星上震動的節奏一同律動,但這種奇異聲響的來源卻無人知曉。
 
  這種嗡響只是美國宇航局“洞察號”著陸器檢測到的眾多奧秘和發現之一。該研究近日發表在《自然·地球科學》和《自然·通訊》上,讓我們得以管窺火星地表上下的驚人活動。
 
  2018年11月,洞察號著陸在了火星赤道附近一片平坦且平凡的廣闊地域。此后,它一直在利用一臺敏感度極高的地震儀和諸多設備來監測火星的地質活動,探索其內部結構。
 
火星正在嗡嗡作響,科學家尚不清楚原因
這張插圖描繪的是洞察號探測器在火星表面上工作的情形。從中可以看到地震儀和深入到地下的溫度感應探針。
插圖:NASA/JPL-CALTECH
 
  洞察號任務的首席研究員Bruce Banerdt說:“看到這些好東西,終于能振臂高呼,讓人松一口氣了。”
 
  除了奇怪的嗡響之外,洞察號發回的最新數據還描述了在火星上首次發現的斷裂帶、火星現代磁場的模式與脈沖,以及火星過去磁場的痕跡。總體來看,這些在火星上搜集到的信息,十分有利于我們理清所有巖質行星形成與演化的過程。
 
  “你不能只用地球就建立一個模型,而是需要更多數據點。”洞察號任務的副首席研究員Suzanne Smrekar說,“看到這些東西真是讓人超級激動,我們也在盡力去理解火星。”
 
奇異的震源
 
  洞察號的一個主要目標就是測量火星上的地震活動。它最初幾個月的監測安靜得讓人憂心。不過,最終,2019年4月6日,洞察號探測到了使整個火星都隆隆作響的“火星震”,讓地球上的地震學家激動不已。
 
  Banerdt介紹,自從那次探測以后,越來越多的火星震數據傳回地球,洞察號至今已監測到450多次火星震。火星的活躍度并不令人驚訝,不過小震動似乎發生得越來越頻繁。小震動次數的增加,可能是季節效應,不過,由于我們剛剛開始整理火震數據,這一現象仍然是研究團隊致力于解開的謎團之一。
 
火星正在嗡嗡作響,科學家尚不清楚原因
 
  科學家還不十分確定這些火星震都是從何而來。在地球上,地表的頻繁抖動是地質板塊緩慢移動造成的。當地殼中的壓力聚集到一定程度,則會爆發地震。但火星上并沒有全球性板塊,因此,地質學家們正在探尋其他可能的誘因。
 
  洞察號發現的2次特別的震動,讓科學家們距離答案更近了一步。這兩次震動響亮而清晰,震級在3到4級之間,研究人員因此追蹤到了其震源:由許多深溝組成的科柏洛斯槽溝(Cerberus Fossae)。該地貌形成于1000萬年前或更晚時候。
 
  大量巖漿和洪水曾經從這些裂縫涌出地面,而且地下深處可能至今仍然涌動著一些流體。Smrekar說,如此一來,一汪汪巖漿冷卻收縮,或者熔巖或水在地表下運動,可能產生了這兩次火星震。
 
  為確定火星震的成因,為更好地理解火星地表下的情形,科學家必須探測更多次震動,甚至是若干次大地震。
 
  Smrekar說:“我們希望能看到一場5級地震。誰知道呢?我們只能等著。”
 
永不休止的火星之歌
 
  除了偶發的震動,洞察號還監測到背景中一直有個持續嗡響的地震信號。
 
  地球上有許多穩定的背景嗡響,最常見的來自于海洋的翻騰及海浪對海岸的沖擊。但是,倫敦帝國理工學院的地震學家Stephen Hicks(未參與本研究)稱,火星上的嗡響頻率高達2.4赫茲,比地球上最常見的1赫茲以下的天然聲音高很多。
 
  分析表明,火星上的嗡響與呼嘯的風并無關聯,并且似乎會隨著遙遠火震的發生而加強。美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的地球物理學家Joshua Carmichael(未參與本研究)說,這就好像在人在鐘旁邊大喊而使鐘鳴響一樣;人的嗓音混合了多個頻率,如果某個頻率與鐘共振,喊聲就會使鐘鳴響。
 
  Banerdt說,火星的嗡響可能與洞察號下方的地質情況有關,它可能會放大特定的音調。洞察號位于一個古老的撞擊坑,里面布滿了灰塵和砂子。這些灰塵和砂子可能會因震動而產生環形。然而,Banerdt稱,洞察號周圍不存在這種結構,一方面是因為風太大,另一方面是因為這個撞擊坑盆地似乎太小,不足以產生那種圓環。
 
  Hicks認為,嗡響和震動可能來自于兩個單獨的來源。Banerdt補充說,洞察號著陸器本身甚至也有可能產生神秘的共振。
 
  Banerdt說:“真是困惑極了。這究竟是什么,我們還沒有達成一致意見。”
 
愈加清晰的磁場圖景
 
  除了揭示火星目前怪異的地震活動,洞察號發回的最新數據還揭示了火星磁場有些意外之處:著陸器周圍的磁場,比之前衛星預測的要強10倍。
 
  驅動我們地球磁場的是“地質發電機(geodynamo)”:我們腳下約2900千米,地球融化的鐵核心穩定地攪動著。這種攪動產生了一個全球性的磁場,包圍著我們的地球,保護它免受太陽的輻射。
 
  火星曾經也有一個類似的“發動機”,但幾十億年前就已停機,從而使太陽風剝去了火星曾經厚厚的大氣層。如今,火星僅剩下微弱的磁場,以磁性礦物的形式存在于星球的巖石中。如此一來,一塊塊強度不同的磁場拼接成了火星磁場。
 
  軌道探測器在火星高空中飛過時,只能觀測到一幅模糊的磁場圖景。但現在,洞察號相當于拍攝到了一幅高清圖像,而磁場也比之前預想的更強。盡管洞察號著陸器的測量只是一個單點數據,但這一信息或將幫助我們最終解開火星以前“地質發動機”的強度,反過來又能解答火星是何時、為何從一個溫暖濕潤的星球變成了一個又干又冷的天體。
 
  加州大學伯克利分校的行星空間物理學家Robert Lillis(未參與本研究)說:“這次測量只用一個數據點,讓我們第一次稍稍了解了磁性可能會強多少。”
 
  這些新研究還提供了一條關于火星地質發動機年齡的線索。研究人員追蹤到地下幾千米處的一個巖層,據估測,該巖層已有39億年歷史,比科學家推測火星地質發動機“熄火”時間晚2億年。
 
  難道火星的地質發動機在火星內核里涌動的時間比以前推測的更長嗎?不列顛哥倫比亞大學及行星科學研究所的地球物理學家Catherine Johnson提醒說,由于該巖層的年代尚有很大不確定性,因此難以回答這個問題。或許,洞察號未來的更多發現將提供更多線索。
 
神秘的脈沖
 
  洞察號還探測到在火星穩定的磁場頂部有一些擺動的磁力。這部分磁場會隨晝夜變化,磁力信號偶爾還會微弱地脈動。
 
  白晝的磁場變化在地球上很普遍。在我們地球的向日面,太陽輻射會擊打大氣層上層,產生的帶電粒子會與風和地球的磁場線交互作用,產生電流。因此,向日面的磁場就會稍稍變強,而背日面一側就會稍弱。這種現象在火星上也存在,而科學家們之前并未想到能從火星地表探測到這一現象。
 
  火星磁場變強的時段似乎較短,且發生在午夜前后,有時在黎明或黃昏時分。Johnson指出,這些變化并非每日都出現,沒有明顯的節奏或原因。這場“磁場變奏曲”的隱形導體很可能位于火星表面上方很高的地方。在那里,來自太陽的帶電粒子繞著火星流轉,受火星稀薄的大氣層、不均勻的磁場等影響而偏轉。
 
  這些太陽風產生的渦流,可能會使火星磁場產生波動。這一過程或類似的效應,可能就是洞察號發現的地表磁場脈搏的來源。
 
  “我們真的不知道這些是從哪來的。”Johnson說道。地表上洞察號的分析,與軌道上“火星大氣與揮發物演化任務探測器(MAVEN)”的分析結果交叉對比,可能會有所突破。
 
  與此同時,這一批新論文所用的洞察號的所有數據都已對公眾開放,而且每三個月還會發布一批新數據。Banerdt希望其他科學家能加入他的團隊,繼續研究這些數據。
 
  他說:“思考這些東西的人越多,得到好答案的可能性就更高。”
 
(譯者:mikegao)
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