藝術(shù)家繪制的對火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的想象圖。像地球一樣，火星最外層的結(jié)構(gòu)是地殼，地殼下是地幔，最中間是內(nèi)核。
（圖源：NASA/JPL-加州理工）
明年，NASA將第一次發(fā)射旨在研究火星地下層的機械著陸器，這將使科學(xué)家們第一次得以探測火星地表以下的秘密。探測器被命名為“洞察號”（InSight，代表“Interior Exploration using Seismic Investigations”，即“基于地震學(xué)手段的內(nèi)部結(jié)構(gòu)探查”），它將通過觀測火星地震來研究火星的地殼、地幔和地核結(jié)構(gòu)。
這項研究將有助于解決一個重大問題：行星是如何誕生的？
Bruce Banerdt是“洞察號”的首席研究員，來自加利福尼亞州帕薩迪納市的NASA噴氣推進實驗室。他告訴我們，地震學(xué)作為研究震動的學(xué)科，已經(jīng)解決了關(guān)于地球誕生的些許謎題。但數(shù)十億年間，地球環(huán)境對地質(zhì)記錄的擾動已經(jīng)掩藏了其大部分古老的歷史信息?；鹦堑拇笮〖s為地球的一半，火星上地質(zhì)信息被擾動的程度則比地球小得多：這顆“化石星球”保留了自其誕生以來的歷史信息。
“行星誕生過程中，平凡的球狀巖石經(jīng)由變質(zhì)作用形成一顆異彩紛呈的星球，這種變化簡直如同毛毛蟲羽化為蝴蝶一般?！?Banerdt說，“我們希望通過地震學(xué)的手段研究火星為何成為了現(xiàn)在的樣子，以及早期行星成型的普遍規(guī)律。”
為行星做CT掃描
說起CT掃描，人們首先想起的可能是醫(yī)院里的CT機，探測器圍著你全身轉(zhuǎn)幾圈，就可以構(gòu)建出你的內(nèi)部立體影像信息。“洞察號”的探測過程就和這個有些類似。
巖石開裂或發(fā)生相對移動時，產(chǎn)生的地震波就會在整個星球內(nèi)回蕩。這些地震波的傳播速度取決于它們的傳播過程中通過的介質(zhì)性質(zhì)，因此速度會產(chǎn)生差異。
地震檢波器可以檢測這些地震波的強度、頻率和傳播速度。在“洞察號”上，就配備了這樣的地震檢波器（SEIS）。如同拍快照一般，科學(xué)家們通過這種探測獲知地震波所穿過的地質(zhì)介質(zhì)的信息。
“地震檢波器就像照相機一樣，拍下星球內(nèi)部的影像?！?Banerdt說，“這就像給行星做CT掃描一樣?！?/p>
火星的表層由密度較小的巖石和礦物組成——它們在火星形成時從火星內(nèi)部上浮至表面，從而形成了如今火星的外殼。火星的地幔和內(nèi)核則由密度高的巖石和礦物質(zhì)構(gòu)成。通過研究這些物質(zhì)的分層情況，科學(xué)家們得以解釋為何有些巖石行星類似于我們的地球，而不類似于金星或火星——這對于我們理解宇宙中何處可能存在生命至關(guān)重要。
模糊的圖景
火星上每發(fā)生一次地震，“洞察號”就可以對火星內(nèi)部拍一張快照。“洞察號”團隊認為，在“洞察號”執(zhí)行任務(wù)期間，它可以記錄數(shù)十至數(shù)百次地震?；鹦堑拇髿鈱酉”。瑫r常有小隕石穿過火星大氣落在火星地表上，帶來震動，這也會被地震檢波器記錄。
火星也有著全球性的大氣層，但相比地球要稀薄些。
圖源：SpaceEngine/徐鵬暉
“最開始，圖景會很不清晰，但隨著記錄下的地震增多，我們將獲得更為清晰的對火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認知。” Banerdt說。
團隊面臨的一個挑戰(zhàn)是，如何通過一個地點的地震波記錄復(fù)原火星地質(zhì)全貌。地球上絕大多數(shù)的地震監(jiān)測都使用來自多個位點的綜合信息?！岸床焯枴睂y帶登陸火星的唯一一臺地震檢波器，因此科學(xué)家們在處理數(shù)據(jù)時要采用更具創(chuàng)新性的方法。
“我們要更靈活一些?！?Banerdt說，“比如，同一次地震中的不同地震波在多次反彈后，會在不同時間被檢波器觀測到，我們可以對他們進行測量?！?/p>
“月震”和“火震”
“洞察號”的地震學(xué)檢測任務(wù)并不是NASA歷史上的第一次。
早在“阿波羅”系列項目時期，人們就在月球上放置了四臺地震檢波器。宇航員們在月球上發(fā)射迫擊炮彈以制造振動，由此得以一瞥月面一下100米左右的樣貌。他們還將火箭上面級撞向月面，制造震波，從而研究月殼結(jié)構(gòu)。在項目進行過程中，他們還探測到了數(shù)千次天然“月震”和隕石墜落造成的振動。
“海盜”號（又音譯為“維京”號）火星探測器的相關(guān)載荷
上世紀70年代末，“維京號”著陸器曾試圖向火星表面運送地震檢波器。但是，這些檢波器被安裝在著陸器的頂部，沒有直接接觸火星地表。而且，它們底部帶有減震器。這些檢波器在火星上隨風(fēng)搖擺，未能有效記錄震動信號。
“這是一次失敗的嘗試?！?Banerdt說，“我現(xiàn)在仍然喜歡開玩笑說我們沒有在火星‘上’的地震檢波器——我們只有距離火星表面三英尺的檢波器?！?/p>
“洞察號”除了測量地震波還有許多其他任務(wù)。著陸器攜帶有一個無線電波段的多普勒頻移檢測器，它可以獲知火星的內(nèi)核是否尚未凝固。著陸器還攜帶有一個自動挖掘探針，它可以檢測來自火星內(nèi)部的熱量。風(fēng)度傳感器、壓力傳感器和溫度傳感器有助于科學(xué)家們排除火星天氣環(huán)境對測量帶來的擾動。結(jié)合上述各種來源的信息，我們有望獲得迄今最完整的火星全貌。
翻譯：艾宇熙
校對：徐鵬暉
責(zé)任編輯：解仁江
牧夫新媒體編輯部
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