洞察号将要出发,将探测月孛星内部热流

作者: 必德电竞  发布:2019-05-22

有一只老鼠在火星上打洞。

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图片 2 NASA的洞察号火星着陆器,将测量火星上的地震波,并深入火星土壤测量内部的温度。图片来源:NASA/JPL-CALTECH

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2月13日,洞察号在火星表面拍摄到其热探测器的照片。来源:NASA/JPL-Caltech/DLR

(艾麦乐 编译)NASA即将向火星表面派出一艘航天器,自2011年好奇号登陆火星以来,这还是头一次。着陆任务总是让人兴奋:人人都爱火星车,着迷于来自其他星球的全景图像。然而,NASA最新的这位行星际使者不会在火星表面作任何旅行(这是一台着陆器,而不是火星车)。尽管它有可能会拍摄一些照片,展现梦幻般的火星景观,但火星地表并不是它的目标。

被部署在火星表面的“鼹鼠”组件。NASA

根据洞察号任务合作方德国航天局(German space agency)的一份声明,“鼹鼠”仪器的部署由于命令未能及时传达到洞察号而被推迟了两天。

名为洞察号(InSight)的这台火星着陆器,将执行首个深入到火星内部的探测任务。它将对火星进行全面的地球物理调查,帮助科学家回答一系列相关的问题,涉及到这颗红色行星和太阳系内其他岩石星球的形成、演化及物质构成。

洞察号把一只“鼹鼠”带上了火星。从今天开始,这只“鼹鼠”要在火星上打洞。

第一只星际“鼹鼠”即将在火星表面挖洞,但这只“鼹鼠”完全是机械的,而且在其他任何星球上都一样能折腾。

在火星上玩抓娃娃机

洞察号定于本月发射升空,发射窗口将从5月5日开启。它将于今年11月26日抵达火星,并在火星赤道以北几度的一大片低洼平地上着陆。对于靠太阳能驱动的洞察号来说,这片名为埃律西昂平原(Elysium Planitia)的着陆地点将提供两大主要的好处:充足的阳光照射,以及平坦并且容易穿透的地形。在这里,洞察号将展开它的两块太阳能电池板,部署用于探测的硬件设备,安顿下来展开长达两年的工作。

使用长达2.4米的机械臂末端的五指抓斗,洞察号将从背板上抓取研究设备,将它们提到空中,再小心翼翼地放置到火星表面。安装在机械臂上的摄像头,和第二个更贴近地面的摄像头,将帮助洞察号的工程师了解着陆器周边的环境,规划如何部署它携带的研究设备。

“你在电子游戏厅里玩过抓娃娃机吗?”载荷系统工程师法拉‧阿力拜(Farah Alibay)问道,“基本上这就是我们要做的事情,只不过远在上千万公里以外。”这个过程需要数周的时间来准备、计划和实施。在喷气推进实验室的In-Situ Instrument实验室,任务规划人员可以在向火星发送指令前,先好好练习如何操纵着陆器。一旦洞察号团队实现了这一目标,那就将是第一次,人类使用机械臂在另一颗行星上安装硬件。

图片 4研究人员在实验室中测试洞察号部署设备的能力。这实际上类似于抓娃娃机,只不过要在上千万公里以外的火星上完成。图片来源:NASA

这只“鼹鼠”是洞察号的一个重要探测仪,是人类历史上首个用来探测另一个行星内部热量流动方式的自动化设备。

“鼹鼠”仪器是美国宇航局“洞察号”任务的关键设备之一,该任务于今年11月登陆火星,并将于昨晚正式启动。这将是第一个测量热量如何在另一颗行星流动的仪器,这一关键的测量将帮助科学家了解火星是如何演变成现在这个样子的。

地震仪超灵敏,还必须很耐操

洞察号主要携带了两大设备,内部结构地震仪(SEIS)便是其中之一。这是一套极其灵敏的地震仪,设计用来检测地震波的大小、速度和频率。这些地震波由火星内部的错位和开裂产生,可以称之为火星地震。

“它不输给地球上我们拥有的任何一台地震仪。”洞察号项目主管汤姆‧霍夫曼(Tom Hoffman)如是说。它能测量出幅度小于一个氢原子宽度的地面位移。霍夫曼说,“如果火星上刚好有只蝴蝶,而且它极其轻微地落在了这台地震仪上,我们实际上有能力检测到这一点。”除了火星地震以外,它还能检测到其他的东西,包括液态水的流动,陨石的撞击,以及活火山喷出的烟流。

相对于它的灵敏度来说,SEIS算得上是相当耐操了。载荷系统首席工程师乔纳森‧格林布拉特(Johnathan Grinblat)说,“地球上设计的地震仪必须小心翼翼地处理和安放,然后再也不去触碰它。”而火星之旅注定会让SEIS遇到一些磕磕碰碰,特别是在火箭发射、进入大气、降落和着陆的过程中。格林布拉特说,“它将会振动,并经历很多的冲击,所以它必须耐操才行。”

它还必须承受剧烈的温度变化。在晴朗的夏日,火星赤道地区的气温可能达到20℃,而夜间又会回落到-70℃。正是看到了这一点,洞察号的工程师给设备套了一层又一层保护,就像俄罗斯套娃一样。第一层是真空密封的钛球,第二层是绝热的蜂窝状结构,第三层则是防风隔热穹顶,像一个高科技大锅盖一样罩在传感器外面。

图片 5洞察号携带的SEIS正在地球上的实验室里接受检测。很快,它将前往火星监测那里的地震。图片来源: CNES

这只“鼹鼠”的大名叫做“热量流动和物理特性探测仪”。两个星期之前,它被洞察号用机械臂部署在了火星表面。它计划在火星上工作至少10年。

美国宇航局喷气推进实验室的仪器系统工程师特洛伊·哈德森(Troy Hudson)说:“不像照相机之类的其他东西,那些东西我们已经在不同的任务中搭载过数百次了,但我们以前从来没有过像‘鼹鼠’仪器这样的东西。”

钻入火星土壤,测量内部热量

一旦这些系统安装到位,洞察号就会用机械臂去够第二件设备——热流及物理特性探头,也被称为HP3。这个探头长达46厘米,实际上是一个自动钻探的巨型钉子。它将把自己钻入大约5米深的火星土壤深处,足以让它免受火星表面温度波动的影响。“科学家在地球上研究温度流动时,必须得钻得更深才行,”洞察号的副首席研究员苏姗妮‧斯姆雷卡尔(Suzanne Smrekar)说,因为潮湿的土壤会在地下深处传导热量。“所以相对而言,在火星上其实很容易。”

这话还是留着对探头去说吧。它需要花上几周的时间才能钻入火星的地下。在钻洞的过程中,它会定期暂停,测量周围土壤的热量传导效率。温度传感器将在系绳上追踪探头,就像把温度计串成一串项链。结合温度计的读数以及对热量传导率的测量,洞察号的科学家将了解到,有多少热量源自于火星的内部。不管有还是没有,这些热量将向研究人员透露,这颗行星由什么构成,它的成份与地球相比又有哪些差别。

图片 6源自于火星内部的热量,将透露这颗行星的内部构造及物质构成。图片来源:NASA

人们之所以叫它“鼹鼠”,是因为它会一边在火星表面打一个垂直的深洞,一边钻进这个深洞。如果一切顺利,这个洞可以深达5米。

两周前,洞察号将这颗正式名字为热流和物理特性探测器的“鼹鼠”仪器放置在了火星表面。但是这个仪器的研发已经花费了大约十年,所以科学家们急切地想知道它能收集到什么数据。

前往火星危机重重

不过,在洞察号测量火星上的温度并探测那里的地震之前,它必须先过发射这一关,勇敢地直面行星际空间的一片荒芜。让人兴奋?毫无疑问。但同时,“关于去火星,一切都很可怕。”阿力拜说,“我们要乘坐火箭发射升空,而火箭基本上就是受控的炸弹。接下来,我们要在真空中航行6个月,持续遭受来自太阳的高能带电粒子的轰击。我们要前往一颗我们必须要瞄准的行星,因为一旦错过,就回不了头了。我们还必须要着陆。而且就算到了火星表面,部署设备时,任何事情也都有可能出错。”

阿力拜不是悲观主义者。她是一位工程师,对她来说,预测失误和失算只是工作描述的一部分。此外,她也知道历史,火星任务的成功率还不到50%。她说,“这不是因为我们不知道自己要做什么,而是因为这确实很难。”

不过,这不会阻止NASA去尝试。毕竟,我们选择前往太空,并不是因为这很容易。(编辑:Steed)

打洞的过程也不能白白消耗能源。在此过程中,“鼹鼠”能够感知自身的热量脉冲在周围消散的速度,了解其所在区域火星土壤物质的特点。

“从工程和科学的角度来看,让‘鼹鼠’仪器进入火星风化层还有观察仪器在火星的行为都将会非常激动人心,”InSight任务的副首席研究员、喷气推进实验室的地球物理学家苏·斯姆雷卡尔(Sue Smrekar)说,“能真正潜入火星地下将是一件非常令人兴奋的事情。”

打洞结束后,这只“鼹鼠”将会潜伏在火星土壤深处,监测火星内部温度的长期变化。通过它,科学家能够了解热量—— 这种地质活动的原力——在火星上的流动方式。

“鼹鼠”之所以得其名,是因为它会用锤子砸穿火星表面的风化层,推开泥土和岩石,把自己置于火星地下,如果一切顺利的话,它最终将能到达16英尺深的地方。悬挂在“鼹鼠”仪器后面的是一根装满传感器的绳子。

行星的地热通常有两种来源。一种是初始的积吸热量,是从行星形成期继承下来的热量储备。另一种是行星壳层中各种放射性元素衰变产生的热量。而对于火星来说,放射性元素衰变是主要地热来源。

当鼹鼠自己挖洞时,它会向周围的岩石发送热脉冲,然后测量热消散的速度。这将告诉科学家们在火星的这个特定区域中岩石与空气的比例是多少,这非常有趣,因为洞察号位于一个巨大的陨石坑内。“这将帮助我们理解这些物质主要是被吹进陨石坑的沙子,还是你所期望的那种会在陨石坑内出现的某些喷出物混合物?”斯姆雷卡尔说。

通过洞察号释放出的这只“鼹鼠”,研究人员可以了解火星内部热量的流动方式,确定火星地层中放射性元素的丰度,并在整体上估算火星自其火山活动全部停止后,是否还有存在地下液态水的可能。

一旦鼹鼠钻到其深度极限,它就会停在地下测量火星全年的温度变化。这将使科学家能够追踪热量是如何在不受火星表面天气影响的情况下在火星内流动的,而这种热量的流动对于理解火星是如何演变成现在的样子有着重要的意义。“热量是地质学的引擎,”哈德森说。

洞察号以及这只“鼹鼠”将在没有人类协助的情况下完成打洞任务,这很不容易。工程师事先必须充分考虑火星土壤的特点,并设计出尽可能合适的打洞工具和方式。

在像火星这样的星球上有两种主要的热源,它们都告诉了科学家这个星球是如何形成的。斯姆雷卡尔说:“一个是来自吸积的初始热量,所有初始岩石以巨大的速度相互碰撞,所以就有了初始热量。”(科学家们预计不会在火星上找到太多这种热源。)

打洞的过程也充满着风险和未知。这只“鼹鼠”必须钻得足够深,才能避免收集数据时受干扰。假如其正下方恰好存在大块岩石那麻烦就大了。

第二个来源是一种时间释放现象,科学家认为这种现象在地壳中最为强烈:放射性元素,铀、钍和钾之类的放射性元素会衰变并释放热量。斯姆雷卡尔说:“我们最希望了解的就是这些放射性元素在火星的浓度。”

不过打洞的过程本身就充满了极大的魅力,谁知道钻进火星地底后会遇上什么呢?

一旦研究人员确定了这些浓度,以及洞察号设计用来测量的其他火星特征,比如地壳厚度等,他们就可以把这些值输入电脑模型,评估那些描述火星如何变成现在这个样子的不同场景。如果这一切看起来有点深奥的话,简单点说就是火星上的热流会对火星火山活动停止时间产生的影响,以及火星是否有液态水隐藏在它地表下面。

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哈德森说,所有这些科学都依赖于一种在实际应用中并不是特别令人印象深刻的仪器,这是基于他观察地球原型的经验所得出的结论:“老实说,就算你真的能看到这种仪器运作,看着它也会有点无聊。”

“鼹鼠”必须钻得足够深,才能避免受到过多的外界干扰。NASA

但这个“鼹鼠”仪器谦逊的外表掩盖了研究小组为行星科学开发新工具所做的大量工程工作。哈德森说:“我们正在进行一种新型的调查。”科学家们已经对月球进行过热流测量,但那些数据是在阿波罗计划期间通过宇航员的工作收集的。“他们用复杂的设备和大量的体力完成了那些测量。”

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但洞察号则不能依赖任何这样的人类帮助。相反,哈德逊和他的同事们必须根据“鼹鼠”所在的环境及其需要完成的特定目标来完美地订制这个仪器。

“如果是在月球上的话,它可能无法完成它的工作,至少按照这种特殊的设计来说,”哈德森说,这是因为月球和火星的风化层非常不同:前者受到了非常多的撞击,以至于“鼹鼠”根本没办法将泥土和岩石推到一边往地下钻。“就像混凝土,如果你想把什么东西塞进去的话,你就会发现根本没有孔隙空间。”

科学家们无法事先知道“鼹鼠”仪器成功的几率,因为主要的担心是它可能会撞上一块太大的大石头而导致无法工作。“鼹鼠”挖得越深,研究小组就能在不受地表天气干扰的情况下,更准确地读出行星内部的温度流。

一旦掌握了“鼹鼠”的数据,科学家们将会了解它可以告诉我们关于火星的什么信息。斯姆雷卡尔说:“也许火星会给我们带来惊喜,科学实验中总是会有最有趣的结果——当你得到了意想不到的东西的时候。”

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