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“洞察”号整装待发,火星有哪些未解之谜?

如果要在浩瀚的宇宙中寻找一颗与地球最相近的行星,恐怕人们首先想到的都会是火星。这兄弟俩长得太像了——同样有高山、峡谷,同样是四季分明,甚至连一天的时间都差不多。因此,人们对火星总是充满无限遐想,探测火星的脚步也从未停止。

目前,美国宇航局(NASA)的火星登陆探测器“洞察”号就在美国加州范登堡空军基地内做发射前的最后准备。此前预计“洞察号”的发射窗口在2018年5月5日开启,预计在2018年11月26日在火星北半球的埃律西昂平原(Elysium Planitia)着陆,在火星表面工作728天(708个火星日)。

类地行星如何形成?

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一直以来,我们都对火星探测抱有极大的兴趣。1965年水手4号火星探测器成功到达火星以来,世界各国相继发射了40多个火星探测器。

但是,在中科院国家天文台研究员郑永春看来,“洞察”号与以往的火星探测器不一样。“以往的火星探测器都是对火星表面进行探测,‘洞察’号将会探测火星内部,我们对火星表面的情况比较了解,对火星内部的了解是比较少的。”郑永春说,“火星表面,我们现在已经有非常好的数据了,整个火星表面的图像分辨率已经达到0.3米,气象、水流、地形、地貌、矿物等方面的信息已经都比较清楚了。如果我们能够知道它内部的情况,那么对于理解其表面的情况是非常有帮助的。”

然而,“洞察”号不仅仅要完成一个火星任务,科学家们更大的兴趣在于通过火星了解太阳系中包括地球在内的类地行星的起源与演化过程。在NASA眼中,火星就像一块他山之石,科学家希望通过对其内部深层结构的探测,来解决太阳系行星科学中的一个基本问题——40多亿年前,太阳系中包括地球在内的类地行星是如何形成的?

火星的“阴阳脸”是怎么回事

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不仅火星地表之下,这颗红色行星表面仍有很多谜吸引着科学家。

几十年来,科学家一直对火星南北半球间的巨大差异感到迷惑不解。火星的北半球地势低平,是太阳系最平坦的地方;南半球则是充满陨石坑和沟壑的高地,地表崎岖不平。火星北半球的平均高度约比南半球“矮”约3000米。

据估计,火星上直径大于30公里的深坑数超过3000个,其中约90%分布在南半球。北半球则存在巨型陨石坑伯勒里斯盆地。火星南北半球地貌差异巨大,构成独特的“阴阳脸”。郑永春认为,火星“阴阳脸”出现也可能与其内部有关。

美国科学家在《自然》杂志发表文章认为,小行星或彗星等外力猛烈撞击是造成火星南北差异的原因。他们认为,数十亿年前,小行星或彗星猛烈撞击年轻的火星,使火星变得南高北低。不过,也有一些科学家认为,最新研究成果虽然为撞击说提供了更多论据,但仍无法完全排除其他可能,如火星自身的地质运动。

超级大峡谷是如何形成的?

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鬼斧神工的美国科罗拉多大峡谷一直令人神往。火星上也有一个很出名的大峡谷,这个巨大的峡谷长约4000公里,宽约200公里,深10公里,它就是水手大峡谷,也是太阳系内最大的峡谷。相比之下,科罗拉多大峡谷就很“袖珍”,它的长度只有800公里,宽度只有约30公里,深度仅有1.8公里。

水手峡谷的起源至今是个谜。科学家认为水手大峡谷的形成很可能与其西面的塔尔西斯高原的演变存在密切的关系。这里出现过较为活跃的火山活动,在峡谷和周围的平原上存在连续性的熔岩流痕迹。在火星形成的第一个十亿年期间,随着塔尔西斯高原地区的隆起,以及岩浆的活动加剧,拉伸着周围的地壳活动,最终将该地区折叠形成巨型凹槽地貌。

有的假说认为,水手峡谷最早是几十亿年前的一道裂缝,随着星球的冷却而形成。在郑永春看来,大峡谷的形成与火星内部运动脱不了关系。“地球上有板块构造,板块的运动形成了峡谷与山脉。火星上这么大的大峡谷,如果在地球上,大多与地质构造有关,那么火星是否也会有板块构造,到底是什么样的地质构造作用,导致了这么大峡谷的形成,这很可能与火星内部有关系。”郑永春说。

火星怎么弄丢了大气层?

之前的火星探测任务已经证明,火星曾经有过大规模的液态水,这要求当时的火星有浓厚的二氧化碳大气层,以实现保存液态水所需要的温室效应。但现在的火星只有十分稀薄的大气层。火星到底怎么弄丢了它的大气层一直是个谜。

2015年11月,NASA举行发布会介绍“马文”号探测火星大气的重要发现。

借助火星探测器“马文”号的数据,科学家发现太阳风以每秒100克的速度在剥离火星大气。由于火星没有较强的全球内禀磁场,无法像地球一样形成保护自身的磁层,从而使太阳风能够直接与火星大气相互作用,将火星高层大气中的带电离子驱赶走。“马文”号首席科学家称:“我们已经看到,太阳风暴期间大气侵蚀显著增加,所以我们认为几十亿年前当太阳年轻和更加活跃时,火星大气的损失率更高。”

郑永春表示,火星数十亿年前曾经拥有大气层和液态水,曾经适合生命繁衍。但如今的火星却已生机不再,曾经浓厚的大气层现在已经变得十分稀薄。科学家推测,火星可能经历过重大变化。通过“马文”号的探测,人类首次直接测量火星大气层,回答了火星浓密大气层消失之谜。

火星磁场为啥消失了?

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对火星地壳被磁化的情况进行分析后,科学家们推测,在40亿年之前,刚形成不久的火星可能也曾拥有过全球性的内禀磁场,而且其强度还与地球磁场非常相似。不过,火星全球性内禀磁场存在了很短的时间后便神秘地消失了。

在解释火星内禀磁场消失的各种观点中,最主要的一种观点认为,随着火星核的冷却,其中液态金属的对流逐渐减弱,最终导致了磁场的消失。

然而,有学者并不认同这种观点。比如加拿大多伦多大学的贾法尔·阿尔卡尼-哈梅德认为,一颗曾在火星附近运行,后来又与之发生碰撞的较大小行星是导致火星磁场消失的真正原因。