分析儀器在火星科學(xué)探測中發(fā)揮重要作用

*zui令人興奮的科學(xué)新聞無疑屬于火星。2008年7月31日，美國宇航局（NASA）科學(xué)家宣布：“鳳凰”號火星探測器在火星上加熱土壤樣本時鑒別出有水蒸氣產(chǎn)生，從而確認(rèn)火星上有水存在。
 
    從19世紀(jì)70年代起，火星和它上面的水持續(xù)不斷地挑逗著公眾和科學(xué)家們的好奇心。隨著“鳳凰”號2008年5月25日成功登陸火星北極區(qū)之后，答案逐漸顯現(xiàn)。一個火星與水的故事由此變得完整。
 
    但是，8月5日，“鳳凰”號發(fā)現(xiàn)的一種高氯酸根，又讓這個故事頓生波瀾，一時間在*引起廣泛關(guān)注。
 
    日前，多次參與NASA及歐空局火星探測研究的圣路易斯華盛頓大學(xué)地球與行星科學(xué)系華裔科學(xué)家王阿蓮接受《科學(xué)時報》采訪，解密“鳳凰”號火星探測任務(wù)，帶來這一神奇太空故事的完整版本。
 
火星發(fā)現(xiàn)水意味著什么
 
    對火星上生命的探索是人類zui核心的追求，這也是持續(xù)數(shù)十年水與火星纏綿故事的主題。無疑，火星發(fā)現(xiàn)水的消息是迄今這一故事zui令人興奮的高潮。
 
  “‘鳳凰’號此次發(fā)現(xiàn)的水實際是以冰的形態(tài)存在的。這的確是非常令人興奮的發(fā)現(xiàn)，但事情都是一步一步做過來的。‘鳳凰’號的發(fā)現(xiàn)只是火星探測一系列發(fā)現(xiàn)中zui近的一次。”王阿蓮十分理解公眾的關(guān)切，但她更強調(diào)火星上水的發(fā)現(xiàn)是一個長期探索的自然結(jié)果，并非由“鳳凰”號一蹴而就。
 
    如何評價這一發(fā)現(xiàn)在人類火星探測歷*的地位？王阿蓮表示，科學(xué)家們一直相信火星上有水的存在，并不斷通過發(fā)射火星軌道衛(wèi)星和登陸探測器進(jìn)行求證。從“奧德賽”火星軌道衛(wèi)星在火星赤道地區(qū)發(fā)現(xiàn)大量的氫，到此后火星登陸車“勇氣”號和“機遇”號發(fā)現(xiàn)含水礦物，再到這次“鳳凰”號在北極地區(qū)找到大量水冰存在的直接證據(jù)，科學(xué)家們對于火星水的探測是一步一步走到今天的。“毋庸諱言這一發(fā)現(xiàn)的重大意義，但這是一個歷史延續(xù)的結(jié)果。”
 
    實際上，美國在1999年曾發(fā)射過一臺“火星極地著陸器”，但在著陸時失蹤了。兩臺火星登陸車“勇氣”號和“機遇”號的成功著陸和在近4年的探測中發(fā)現(xiàn)的大量含水礦物，既錘煉了隊伍也鼓舞了精神。此次“鳳凰”探測器利用了原來的“火星極地著陸器”的部分探測儀器，將其命名為“鳳凰”號，是取鳳凰涅槃重生的意思。因此，也可以說，“鳳凰”號對火星水的突破性發(fā)現(xiàn)是集大成的結(jié)果。
 
神秘的高氯酸根
 
    在7月31日NASA的正式消息公布的同時，有美國媒體援引NASA和科學(xué)界消息人士的話說，在火星上不但發(fā)現(xiàn)了水，而且在數(shù)星期后還將公布一項在研究火星土壤過程中獲得的“更為實質(zhì)性”的發(fā)現(xiàn)。該報道宣稱，這項所謂的“更為實質(zhì)性”的發(fā)現(xiàn)涉及到了在火星上“可能有生命存在”的問題。
 
    報道確有其事，不過據(jù)王阿蓮?fù)嘎?，?dāng)時獲得發(fā)現(xiàn)的科學(xué)家非常激動，一不小心走露了消息，“耳朵很尖”的美國媒體趕緊報道，反而顯得十分神秘。“NASA歷來的外空探測項目都是由科學(xué)團(tuán)隊發(fā)布結(jié)果，一點沒有要隱瞞的地方。”
 
    很快謎底揭曉。8月5日，美國國家宇航局在其公布的消息中作出澄清，“鳳凰”號探測器在火星土壤中檢測到了高氯酸根。高氯酸鹽是一種強氧化物質(zhì)，通常認(rèn)為其對微生物在火星上的存活不利，但在地球上的自然環(huán)境中又多有發(fā)現(xiàn)，例如其在智利干旱的阿塔卡瑪沙漠土壤中自然存在。一些地球上微生物的食物也含有高氯酸根，并且某些植物能夠濃縮這類物質(zhì)。人工合成的高氯酸鹽多被用來慶典時使用的煙火和火箭燃料。
 
    對于生命存在具有重要意義的水在火星上被證實，本來是一個好消息，但被視為“生命的毒藥”的高氯酸根的出現(xiàn)，似乎給那些希望找到火星生命的公眾當(dāng)頭潑了一盆冷水。但科學(xué)家們卻并不這樣看。NASA上的消息公布了發(fā)現(xiàn)高氯酸根的全部過程。“發(fā)現(xiàn)高氯酸鹽對于生命而言既不是好事也不是壞事，但它使我們重新評估對于火星生命的認(rèn)識。”NASA噴氣推進(jìn)實驗室的MECA（顯微、電子化學(xué)及傳導(dǎo)分析儀）科學(xué)家Michael Hecht表示。
 
  “這是NASA一貫的政策。”王阿蓮在接受《科學(xué)時報》采訪時表示：“自NASA成立之日起，它就要面對公眾，因為它花的是納稅人的錢，就要不斷地發(fā)布消息，讓公眾知道它做了哪些事情，借此吸引公眾的注意，同時激勵年輕孩子們，他們將會成為下一代NASA的科學(xué)和工程團(tuán)隊。”
 
    據(jù)王阿蓮介紹，這次“鳳凰”號上裝備了兩臺重要的儀器，一個是MECA，是一種濕化學(xué)儀器，它有4個類似化學(xué)實驗室中用的“小燒杯”。“鳳凰”號機械臂把挖掘到的土壤放入其中，進(jìn)行濕化學(xué)分析。MECA帶有一些探測器，可以探測各種陰陽離子。“這次就發(fā)現(xiàn)了高氯酸根的信號，但不能肯定是哪一類高氯酸鹽，因為樣品已經(jīng)溶化掉了。”另一個重要儀器是TEGA（熱萃取氣相質(zhì)譜儀），它有8個“小爐子”，加熱樣品時會有氣體逸出，其后有探測精度很高的質(zhì)譜儀可以探測這些氣體中到底含有什么成分。
 
  “這次兩個儀器獲取的結(jié)果不*一致，MECA檢測到了高氯酸根，但是TEGA并沒有捕捉到科學(xué)家們預(yù)期中的氯氣逸出。”王阿蓮說：“雖然不確定到底是哪種高氯酸鹽，但是NASA還是要發(fā)布結(jié)果，這是為了更好地吸引公眾。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)結(jié)論將zui終發(fā)表在《自然》、《科學(xué)》和《地球物理雜志—行星科學(xué)》等學(xué)術(shù)期刊上。”
 
    公眾擔(dān)心高氯酸根會對火星生命不利，對此王阿蓮認(rèn)為，高氯酸根并非是一種從根本上會抑制生命出現(xiàn)的有毒物質(zhì)，生命物質(zhì)中也發(fā)現(xiàn)有高氯酸根。“目前尚不確定‘鳳凰’號發(fā)現(xiàn)的是哪一種高氯酸鹽。不同的高氯酸鹽有不同的性質(zhì)，哪種陽離子與高氯酸根結(jié)合會對生命產(chǎn)生根本威脅尚待確定。”
 
    此外，這些高氯酸根是否是“鳳凰”號運載火箭帶上火星的殘留燃料也有待確認(rèn)。王阿蓮表示，在科學(xué)研究中進(jìn)行認(rèn)真的誤差分析十分必要——“鳳凰”號在火星極地的土壤中掘冰十分艱難，再將樣品準(zhǔn)確地放入“小燒杯”也需要作很多努力。這些操作和分析過程中都會產(chǎn)生一些誤差，需要作出詳盡的分析。NASA“鳳凰”號的科學(xué)團(tuán)隊目前正處于非常忙碌的探測器操控階段，后續(xù)還會有一些作基礎(chǔ)研究的科學(xué)家加入進(jìn)來，zui終的結(jié)果將通過科學(xué)論文作出報告。
 
探尋火星生命：未竟的旅程
 
    火星大氣稀薄、氣壓很低，受到太陽輻射將快速增加動能，帶動火星表土形成與地球上類似的塵暴，有時甚至發(fā)展成性的火星塵暴。塵暴也會對火星生命遺跡的存留構(gòu)成威脅。加州大學(xué)教授喬治·德羅利曾指出，火星塵暴產(chǎn)生的電場，會將火星稀薄大氣里的水和二氧化碳分子割裂開來。那些分子能夠自由地形成過氧化氫或者其他強氧化劑，這些物質(zhì)將掃除火星表面對形成生命具有關(guān)鍵性作用的任何有機分子。
 
    然而這并不能排除火星環(huán)境下可能的生命形態(tài)與地球不盡相同。“這個想法在所有作火星探測的科學(xué)家的腦海里都存在。”王阿蓮表示。雖然不在天外生命探測的領(lǐng)域中工作，但是她通過學(xué)術(shù)會議大致了解其中的基本觀點。“會有一些共同點，如需要有長時間的液態(tài)水存在，基本的氮、磷、氧、碳等可能還是基本的生命組成元素，但到底以什么樣的化學(xué)鍵相結(jié)合還有待探索。”
 
    在火星上尋找生命無異于大海撈針，現(xiàn)在人類僅僅走完*步，找到了水，但接下來水的酸堿度是否適合還需要研究確證。此外，王阿蓮認(rèn)為，什么樣的儀器能夠真正探測火星生命還有待研究設(shè)計及證實。“這樣的探測技術(shù)如果不成熟也不能馬上飛，畢竟一個螺絲釘沒有擰緊就可能前功盡棄，必須一步一步做嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鳌?rdquo;
 
    眼下，由于“鳳凰”號找水的巨大成功，NASA決定將它的任務(wù)再延長至9月底。“從NASA的角度講，送一套很貴的儀器上火星，只要能夠工作就會繼續(xù)盡量爭取多出成果。”王阿蓮說。據(jù)了解，發(fā)現(xiàn)高氯酸根有功的MECA的4個燒杯已經(jīng)用了2個，余下的2個將繼續(xù)用于分析火星土壤以重證高氯酸根的存在。“鳳凰”號將繼續(xù)在其周圍進(jìn)行挖掘，進(jìn)一步提高冰在土樣中的比率，不斷摸索提高樣品輸入的準(zhǔn)確性，并使用熱萃取氣相質(zhì)譜儀作進(jìn)一步分析。
 
    除了尋找水和含有生命特征的物質(zhì)之外，“鳳凰”號還承載了一臺由加拿大研制的極地低溫“氣象站”儀器，用來研究火星氣候的變化。但目前，對“鳳凰”號壽命zui大的威脅是天氣，因為它很接近火星北極，日照將越來越短，它的太陽能電池板將面臨考驗。
 
    新的火星探測計劃正在路上。NASA將于2009年發(fā)射“火星實驗室”登陸車。歐空局的“地外火星”登陸車將于2013年發(fā)射，繼續(xù)探索火星生命。執(zhí)行這一計劃的團(tuán)隊以歐空局科學(xué)家為主，美國派科學(xué)家參加。王阿蓮2007年獲得NASA資助，參與這項新的研究計劃。

分析儀器在火星科學(xué)探測中發(fā)揮重要作用