火星湖床與三角洲的遺跡，正訴說(shuō)著這顆紅色星球的濕潤(rùn)往事。然而，科學(xué)家布魯斯·雅各斯基（Bruce Jakosky）指出，諸多謎題仍有待破解。
人類登陸火星的計(jì)劃正在推進(jìn)。 今年，美國(guó)總統(tǒng)唐納德·特朗普（Donald Trump）在就職演說(shuō)中提及此事。這場(chǎng)史詩(shī)般的探索或許能解答關(guān)于火星的根本謎題，尤其是那個(gè)終極之問(wèn)：火星曾孕育過(guò)生命嗎？如今火星上是否仍有生命殘存？
這些問(wèn)題的核心，在于火星液態(tài)水的存在狀態(tài)——這團(tuán)“生命之源”，究竟在火星上如何分布？如今已確鑿無(wú)疑：火星曾有過(guò)流動(dòng)的水。但水量有多大？水的成因是什么？這些問(wèn)題仍然存在爭(zhēng)議。更具爭(zhēng)議性的是：如今，火星上是否仍可能存在潛藏的液態(tài)水。
行星科學(xué)家布魯斯·雅各斯基，來(lái)自科羅拉多大學(xué)博爾德分校。圖片來(lái)源：詹姆斯·普羅沃斯特（JAMES PROVOST），知識(shí)共享署名-禁止演繹協(xié)議 (CC BY-ND)
布魯斯·雅各斯基是科羅拉多大學(xué)博爾德分校的行星科學(xué)家，近50年來(lái)，他一直致力于火星研究——從深層內(nèi)核到地表形態(tài)。他曾在本科期間參與了1976年的“海盜號(hào)”任務(wù)，此后參與了多項(xiàng)NASA的火星項(xiàng)目?！禟nowable Magazine》對(duì)他展開(kāi)采訪，該采訪主題也是他近期為《地球與行星科學(xué)年度評(píng)論（Annual Review of Earth and Planetary Sciences）》所撰寫的文章的相關(guān)內(nèi)容。 （注：訪談內(nèi)容經(jīng)精簡(jiǎn)編輯，旨在簡(jiǎn)化篇幅，使其言簡(jiǎn)意賅。）
人類對(duì)火星水的認(rèn)知經(jīng)歷了怎樣的演變？
大約在上個(gè)世紀(jì)之交， 天文學(xué)家珀西瓦爾·洛厄爾（Percival Lowell）通過(guò)分析提出，火星上存在運(yùn)河，且運(yùn)河必定是由智慧生命建造的。他的理論登上《紐約時(shí)報(bào)》頭版，那個(gè)時(shí)代與現(xiàn)在截然不同，討論焦點(diǎn)不在于是否存在運(yùn)河或智慧生命，而是這些生命可能是什么形態(tài)，人類又該如何與這些火星生物溝通。
他的觀點(diǎn)始終未被天文界接受。人們一直認(rèn)為那些所謂的“運(yùn)河”屬于視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)——火星地表某些紋路相連，形成了類似直線的假象。當(dāng)探測(cè)器最終抵達(dá)火星，我們并未發(fā)現(xiàn)任何與洛厄爾運(yùn)河圖相吻合的地貌特征。
從20世紀(jì)40年代開(kāi)始，天文學(xué)家通過(guò)觀測(cè)，逐漸揭示了火星環(huán)境的真實(shí)面貌。1965年，首艘探測(cè)器掠過(guò)火星時(shí)，我們測(cè)定其大氣壓僅約6毫巴，平均氣溫低至零下50攝氏度。這表明液態(tài)水無(wú)法在火星上穩(wěn)定存在。如果把一桶水放在火星表面，水過(guò)一會(huì)兒就會(huì)凍結(jié)或蒸發(fā)。
這些發(fā)現(xiàn)徹底終結(jié)了“火星是一顆溫暖濕潤(rùn)的星球”的幻想。但這并未消滅火星可能存在生命的希望。
火星探測(cè)任務(wù)并未發(fā)現(xiàn)外星人建造的運(yùn)河，但卻發(fā)現(xiàn)了許多看起來(lái)像是液態(tài)水侵蝕形成的地貌。最近，有新聞報(bào)道了“好奇號(hào)”探測(cè)器在2022年拍攝的圖像。該圖像顯示，古代無(wú)冰湖泊留下了波紋狀痕跡。最新的報(bào)道還提到，探測(cè)發(fā)現(xiàn)了古代海洋的沿海沉積物痕跡。
距今43億至35億年前存在液態(tài)水的證據(jù)已極具說(shuō)服力。我們?cè)谧矒艨觾?nèi)發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個(gè)古代湖泊的遺跡。最確鑿的證據(jù)來(lái)自耶澤羅隕石坑。在坑中，水流進(jìn)入湖泊時(shí)沉積了一片三角洲，形成了由水?dāng)y帶的沉積物扇形堆積。
我們還發(fā)現(xiàn)了山頂冰川、類似河流支流的河谷網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)還有證據(jù)表明水從地殼內(nèi)部噴涌而出，形成了災(zāi)難性洪水的沖刷通道。這些洪水釋放了大量的水。此外，火星上的某些礦物也需要水的參與才能形成。
大約30億到40億年前的火星是什么樣子？
當(dāng)時(shí)的溫度一定足夠高，可以讓液態(tài)水存在。但我們并不清楚具體溫度有多暖，變暖原因亦成謎。不過(guò)除此之外，我們對(duì)那時(shí)的火星環(huán)境還是很了解的（笑）。
耶澤羅隕石坑曾孕育著古老的河流三角洲，這是眾多揭示火星這顆“紅色星球”水文歷史的行星地貌之一。這張圖像由NASA的“毅力號(hào)”火星探測(cè)車拍攝。探測(cè)車曾對(duì)這一隕石坑進(jìn)行研究，并在塵土飛揚(yáng)的地表留下了清晰的車轍痕跡。圖片來(lái)源：美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）/ 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室-加州理工（JPL-CALTECH）/ 亞利桑那州立大學(xué)（ASU）/ 馬林空間科學(xué)系統(tǒng)公司（MSSS）
要讓星球升溫，溫室氣體必不可少，而二氧化碳就是強(qiáng)效溫室氣體。因此我們推測(cè)，遠(yuǎn)古火星大氣中必定含有更高濃度的二氧化碳。然而，40億年前，太陽(yáng)的亮度比現(xiàn)在低30%。在計(jì)算機(jī)模擬中，即使在大氣中加入更多的二氧化碳，也無(wú)法將溫度提升到足夠高。因此模擬中需要引入另一種溫室氣體——目前我們處于“先選定氣體，再計(jì)算所需濃度，最后驗(yàn)證可行性”的階段。
此外，火星自轉(zhuǎn)軸傾斜角度會(huì)隨時(shí)間變化。這對(duì)氣候產(chǎn)生了什么影響？我們尚不清楚。
火星歷史總水量有多少？
根據(jù)我2024年的論文計(jì)算，若將火星歷史上所有水匯聚起來(lái)，可在地表形成380至1970米厚的均勻水層。相比之下，地球上的水總量可以形成一層1400米厚的水層。不過(guò)，該類比并不完全公平?；鹦堑挠?jì)算包括了所有時(shí)期的水，而這些水并非同時(shí)存在于地表。而在地球上，大部分水至今仍儲(chǔ)于海洋中。
遠(yuǎn)古火星雖比現(xiàn)在濕潤(rùn)得多，但即便在最濕潤(rùn)時(shí)期，火星的地表仍可能非常干燥。在這些布滿徑流的河谷網(wǎng)絡(luò)中，每平方公里的河道密度其實(shí)與地球上最干旱地區(qū)（如撒哈拉沙漠）相當(dāng)。
冰川狀地貌——在兩個(gè)山脊間，大量物質(zhì)似乎曾向下流動(dòng)，形成冰川狀地貌（Glacier-like features），這暗示火星中緯度地區(qū)過(guò)去可能存在冰層堆積。圖片來(lái)源：美國(guó)國(guó)家航空航天局 /噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室-加州理工/亞利桑那大學(xué)
那么今天的火星上還剩多少水？
如今，火星上的水主要以冰的形式存在。在火星的兩極，軌道探測(cè)器觀測(cè)到幾公里厚的冰層。通過(guò)光譜儀可以確認(rèn)這是水結(jié)成的冰，雷達(dá)也能觀察到其結(jié)構(gòu)。如果把這些冰均勻地鋪滿整個(gè)火星，可形成20至30米厚的冰層。此外，中緯度地區(qū)也發(fā)現(xiàn)少量冰。
火星大氣中還有微量水蒸氣，其含量比地球上的水蒸氣低數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。但這些水蒸氣可以形成云層，影響溫度和氣候。火星上有一個(gè)完整的水循環(huán)系統(tǒng)：可以降雪，但溫度過(guò)低，無(wú)法形成降雨。
最大的未解之謎是：火星地殼深處是否存在水。我們認(rèn)為水應(yīng)該存在，因?yàn)檫@些水可能從早期濕潤(rùn)環(huán)境中滲入地殼（類似于地球上的情況）。我們可以估算其潛在儲(chǔ)量——可能占火星總水量的半數(shù)，但尚未確認(rèn)。
火星上的水都去哪了？
從那些大型洪流通道中流出的水最終匯聚到北半球低地，本可形成巨型湖泊。但其結(jié)局尚不清楚。是蒸發(fā)殆盡，還是凍結(jié)后被塵土掩埋？我們不得而知。
數(shù)十億年前就存在于火星表面的大量的水已經(jīng)被礦物吸收。通過(guò)計(jì)算得出，至少相當(dāng)于110米厚的全球水層（若均勻鋪開(kāi)）已流失到太空。
火星南極的特寫圖像顯示了厚厚的冰蓋，推測(cè)由凍結(jié)的水和凝固的二氧化碳構(gòu)成。圖片來(lái)源：歐空局（ESA）/德國(guó)航天中心（DLR）/柏林自由大學(xué)（FU BERLIN）/比爾·鄧福德（BILL DUNFORD）
為什么火星上有大量的水流失到太空中？
我們?cè)J(rèn)為，主要原因是火星失去了磁場(chǎng)，導(dǎo)致大氣層流失，從而使水被剝離到了太空中。但是現(xiàn)在我們知道，該機(jī)制遠(yuǎn)比想象中更復(fù)雜。目前，我們?nèi)栽谠噲D弄清水流失的細(xì)節(jié)。
當(dāng)今火星上還有液態(tài)水存在嗎？
這正是關(guān)鍵問(wèn)題。在中低緯度地區(qū)，我們認(rèn)為土壤中可能存在微量的液態(tài)水。這些水可能由礦物固定。在20世紀(jì)90年代，“鳳凰號(hào)”探測(cè)器著陸火星時(shí)，曾在著陸過(guò)程中揚(yáng)起的塵土中探測(cè)了水滴。但這些水的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于地球生命所需的水平。
火星地下可能存在鹵水。但低溫環(huán)境下，需要高濃度的鹽分，以及特定的鹽類成分組合，才能讓液態(tài)水在表面保持穩(wěn)定。由于我們尚未檢測(cè)到這些鹵水的存在，因此無(wú)法確定其具體性質(zhì)。
關(guān)于火星南極冰蓋下是否存在液態(tài)水層的爭(zhēng)議已持續(xù)數(shù)年。歐洲雷達(dá)儀器數(shù)據(jù)顯示，冰蓋下1公里處可能存在液態(tài)水層。但該結(jié)論頗具爭(zhēng)議，目前暫不采信。
我們還觀測(cè)到被稱為“季節(jié)性斜坡紋線”的地貌，其特征像是沿著斜坡向下延伸的黑色條紋。這些深色條紋會(huì)隨季節(jié)生長(zhǎng)延伸。軌道探測(cè)器拍攝過(guò)其生長(zhǎng)前后的變化影像。有一種假設(shè)認(rèn)為，這可能是由快速上升的地下水補(bǔ)給造成的，或者是夏季少量冰融化后潤(rùn)滑了坡面。但其水源成因尚未可知，也可能是干雪崩（dry avalanche）造成的。畢竟火星和其他行星上存在許多地球沒(méi)有的地質(zhì)現(xiàn)象。
在一些隕石坑的坡面上，延伸著被稱為“季節(jié)性斜坡紋線”的暗色條紋。一開(kāi)始，人們認(rèn)為這些條紋是由含鹽液態(tài)水流形成的。但最近的研究表明，它們可能是干旱滑坡的結(jié)果。圖片來(lái)源：美國(guó)國(guó)家航空航天局 / 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室-加州理工/ 亞利桑那大學(xué)
如果想尋找液態(tài)水，該去哪里找？怎么找？
如果想在火星表面附近尋找大量的液態(tài)水，我會(huì)關(guān)注最近的火山活動(dòng)區(qū)域。在那里，我們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)類似地球上的熱液噴口。已有證據(jù)顯示，火星地質(zhì)近期（數(shù)百萬(wàn)年內(nèi)）仍有火山活動(dòng)。雖然我們還沒(méi)有直接觀測(cè)到活躍的火山活動(dòng)，但這并不意味著它不存在。
在火星地殼2至3公里深處，地?zé)峒訜釙?huì)使溫度升至冰點(diǎn)以上。液態(tài)水可能存在于微米到毫米大小的孔隙之中。雖然單個(gè)孔隙的水量不多，但總體加起來(lái)可能會(huì)形成可觀的水儲(chǔ)量。
要探測(cè)這些深層液態(tài)水，可采用在地球上探測(cè)液態(tài)水時(shí)所采用的電磁探測(cè)法，即“電磁探測(cè)技術(shù)”。例如，讓火星車鋪設(shè)千米級(jí)的電纜進(jìn)行環(huán)形探測(cè)，或許能發(fā)現(xiàn)深層液態(tài)水。雖有構(gòu)想，但還沒(méi)有機(jī)會(huì)提出類似的火星任務(wù)。
地球生命存在的證據(jù)可追溯至40億年前。那么火星上曾經(jīng)存在生命的可能性有多高？
這是一個(gè)核心的問(wèn)題。古代火星具備生命所需的環(huán)境條件：液態(tài)水；碳、氫、氧、氮等生命元素（這些元素至今仍然存在）；以及化學(xué)反應(yīng)提供的能量?；鹦窃?jīng)具備以上所有條件。
我的判斷？非有即無(wú)，非無(wú)即有，所以概率各占一半（笑）。我不作猜測(cè)?；鹦菨M足生命存在的條件，但是否真的有生命存在，只有通過(guò)實(shí)地探測(cè)才能找到答案。
目前火星生命探測(cè)有何發(fā)現(xiàn)？
70年代，海盜號(hào)曾兩次嘗試尋找火星生命。如今看來(lái)，當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在缺陷。那時(shí)的實(shí)驗(yàn)的基本思路是：取一份火星土壤，加入液態(tài)水和有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，觀察是否發(fā)生與生命相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)。
“我們?cè)诨鹦呛推渌行巧希^測(cè)到許多地球上沒(méi)有的現(xiàn)象?！?/p>
——布魯斯·賈各斯基
當(dāng)時(shí)的觀測(cè)結(jié)果中存在一些積極的跡象，但情況很復(fù)雜。最終的主流意見(jiàn)是：“海盜號(hào)”并未檢測(cè)到生命。不過(guò)，今天我們知道，在地球上，99.99%的微生物無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)，因?yàn)槊撾x原生環(huán)境后，缺失了某些支持微生物生存的關(guān)鍵條件。由此可見(jiàn)，想隨機(jī)采集火星上的有機(jī)物樣本并培養(yǎng)出生命，幾乎沒(méi)有可能。
九十年代，科學(xué)家在南極洲發(fā)現(xiàn)了一塊來(lái)自火星的隕石（艾倫丘陵隕石）。約翰遜航天中心的研究團(tuán)隊(duì)提出，這塊隕石中可能存在生命的證據(jù)。但該結(jié)論缺乏說(shuō)服力。盡管如此，該研究教會(huì)了我們?nèi)绾螌ふ疑暮圹E。
什么樣的證據(jù)能證明火星上存在生命？
要證明生命存在，需要多種測(cè)量結(jié)果相互印證。例如，針對(duì)古代生命，如果發(fā)現(xiàn)化石形態(tài)、有機(jī)分子和同位素證據(jù)都指向生命存在，則極具說(shuō)服力。對(duì)于現(xiàn)今的生命，若能識(shí)別出與地球生物截然不同的有機(jī)體，就能排除地球污染的可能性，證明它是火星本土的生命。
人類已帶回月球樣本，但尚未將火星樣本帶回地球。未來(lái)計(jì)劃如何？
“毅力號(hào)”探測(cè)器目前正在收集樣本并計(jì)劃送回地球。取樣地點(diǎn)選在已知曾經(jīng)存在液態(tài)水的區(qū)域。這是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)?！耙懔μ?hào)”將樣本存放在約一厘米寬、香煙長(zhǎng)度的管子中，并將其放置在地表的明確標(biāo)記點(diǎn)。未來(lái)將有一艘航天器負(fù)責(zé)收集這些樣本，裝入排球大小的容器，由火星上升器送入軌道，再由另一航天器帶回地球。但這一切要等到2030年之后才能實(shí)現(xiàn)。
中國(guó)也計(jì)劃開(kāi)展 “抓取式”采樣的任務(wù)。探測(cè)器會(huì)著陸火星，采集一些土壤或巖石樣本，裝入火箭送回地球。
自1965年起，各國(guó)已成功執(zhí)行20余次火星任務(wù)，包括飛掠、軌道環(huán)繞和著陸探測(cè)。您是NASA“火星大氣與揮發(fā)性演化（MAVEN）”任務(wù)的首席研究員。該探測(cè)器自2014年起環(huán)繞火星運(yùn)行。它的主要成就是什么？
MAVEN是唯一專注于研究火星高層大氣及氣體逃逸到太空的探測(cè)器。它取得了很大的成功，但我們?nèi)匀粵](méi)有完全了解火星的歷史。想象一下，僅靠少數(shù)幾次任務(wù)，就試圖理解一個(gè)星球的歷史，就像試圖用少量研究來(lái)了解數(shù)百年地球歷史一樣，其難度可想而知。
在即將開(kāi)展的火星任務(wù)中，哪些最令人期待？
據(jù)我所知，接下來(lái)只有兩次任務(wù)。美國(guó)國(guó)家航空航天局的“逃逸（Escapade）”任務(wù)——這是一次小型軌道環(huán)繞探測(cè)任務(wù)——可能會(huì)在今年晚些時(shí)候發(fā)射。它將研究火星高層大氣，與“火星大氣與揮發(fā)物演化（MAVEN）” 的研究相互補(bǔ)充。
第二次任務(wù)是“羅莎琳德·富蘭克林（Rosalind Franklin）”任務(wù)。這原本是歐洲航天局與俄羅斯的一項(xiàng)合作任務(wù)，原計(jì)劃于2020年發(fā)射，但后來(lái)推遲到2022年底。然而，2022年俄烏沖突后，歐洲航天局退出了這一合作。他們把航天器上的所有俄羅斯硬件都拆了下來(lái)，因此發(fā)射日期不得不推遲到最早2028年。
這是一項(xiàng)著陸器和漫游車任務(wù)。它將要完成一件前所未有的大事，即首次鉆探火星表面以下2米深處。在這個(gè)深度，有機(jī)分子可以免受銀河宇宙射線和太陽(yáng)粒子的破壞。
我們是否應(yīng)該將人類送往火星？
我認(rèn)為，從科學(xué)角度來(lái)看，這是勢(shì)在必行的。人類可以比機(jī)器人探測(cè)器完成更多任務(wù)，而且效率更高。
另一個(gè)原因是國(guó)家威望。第三個(gè)原因是激發(fā)人們對(duì)投身科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)（STEM）領(lǐng)域職業(yè)的興趣。
這項(xiàng)任務(wù)是可行的，但非常困難，而且成本高昂，代價(jià)不菲。要想完成這項(xiàng)任務(wù)，可信的最低成本預(yù)算是1000億美元。埃隆·馬斯克（Elon Musk）曾表示，可以在四年內(nèi)實(shí)現(xiàn)載人火星任務(wù)。但我認(rèn)為，這忽略了許多問(wèn)題，比如生命維持系統(tǒng)、如何讓人類在為期三年的往返任務(wù)中生存下來(lái)，以及如何制造足夠的燃料返回地球。我預(yù)測(cè)，距離載人火星任務(wù)的達(dá)成，還需要10到15年的時(shí)間。
作者：Nicola Jones
翻譯：邊穎
審校：7號(hào)機(jī)
編輯：7號(hào)機(jī)
本文轉(zhuǎn)載自《中科院物理所》微信公眾號(hào)
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