分析儀器在火星科學探測中發揮重要作用

整個8月份，全世界最令人興奮的科學新聞無疑屬于火星。2008年7月31日，美國宇航局(NASA)科學家宣布：“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生，從而確認火星上有水存在。

從19世紀70年代起，火星和它上面的水持續不斷地挑逗著公眾和科學家們的好奇心。隨著“鳳凰”號2008年5月25日成功登陸火星北極區之后，答案逐漸顯現。一個火星與水的故事由此變得完整。

但是，8月5日，“鳳凰”號發現的一種高氯酸根，又讓這個故事頓生波瀾，一時間在全世界引起廣泛關注。

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地球與行星科學系華裔科學家王阿蓮接受《科學時報》采訪，解密“鳳凰”號火星探測任務，帶來這一神奇太空故事的完整版本。

火星發現水意味著什么

對火星上生命的探索是人類最核心的追求，這也是持續數十年水與火星纏綿故事的主題。無疑，火星發現水的消息是迄今這一故事最令人興奮的高潮。

“‘鳳凰’號此次發現的水實際是以冰的形態存在的。這的確是非常令人興奮的發現，但事情都是一步一步做過來的。‘鳳凰’號的發現只是火星探測一系列發現中最近的一次。”王阿蓮十分理解公眾的關切，但她更強調火星上水的發現是一個長期探索的自然結果，并非由“鳳凰”號一蹴而就。

如何評價這一發現在人類火星探測歷史上的地位?王阿蓮表示，科學家們一直相信火星上有水的存在，并不斷通過發射火星軌道衛星和登陸探測器進行求證。從“奧德賽”火星軌道衛星在火星赤道地區發現大量的氫，到此后火星登陸車“勇氣”號和“機遇” 號發現含水礦物，再到這次“鳳凰”號在北極地區找到大量水冰存在的直接證據，科學家們對于火星水的探測是一步一步走到今天的。“毋庸諱言這一發現的重大意義，但這是一個歷史延續的結果。”

實際上，美國在1999年曾發射過一臺“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年的探測中發現的大量含水礦物，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現是集大成的結果。

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和科學界消息人士的話說，在火星上不但發現了水，而且在數星期后還將公布一項在研究火星土壤過程中獲得的“更為實質性”的發現。該報道宣稱，這項所謂的“更為實質性”的發現涉及到了在火星上“可能有生命存在”的問題。

報道確有其事，不過據王阿蓮透露，當時獲得發現的科學家非常激動，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團隊發布結果，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網站公布的最新消息中作出澄清，“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，通常認為其對微生物在火星上的存活不利，但在地球上的自然環境中又多有發現，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。人工合成的高氯酸鹽多被用來制造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，似乎給那些希望找到火星生命的公眾當頭潑了一盆冷水。但科學家們卻并不這樣看。NASA網站上的消息公布了發現高氯酸根的全部過程。“發現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識。”NASA噴氣推進實驗室的MECA(顯微、電子化學及傳導分析儀)首席科學家Michael Hecht表示。

“這是NASA一貫的政策。”王阿蓮在接受《科學時報》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的科學和工程團隊。”

據王阿蓮介紹，這次“鳳凰”號上裝備了兩臺重要的儀器，一個是MECA，是一種濕化學儀器，它有4個類似化學實驗室中用的“小燒杯”。“鳳凰”號機械臂把挖掘到的土壤放入其中，進行濕化學分析。MECA帶有一些探測器，可以探測各種陰陽離子。“這次就發現了高氯酸根的信號，但不能肯定是哪一類高氯酸鹽，因為樣品已經溶化掉了。”另一個重要儀器是TEGA(熱萃取氣相質譜儀)，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果不完全一致，MECA檢測到了高氯酸根，但是TEGA并沒有捕捉到科學家們預期中的氯氣逸出。”王阿蓮說：“雖然不確定到底是哪種高氯酸鹽，但是NASA還是要發布結果，這是為了更好地吸引公眾。嚴謹的科學結論將最終發表在《自然》、《科學》和《地球物理雜志—行星科學》等學術期刊上。”

公眾擔心高氯酸根會對火星生命不利，對此王阿蓮認為，高氯酸根并非是一種從根本上會抑制生命出現的有毒物質，生命物質中也發現有高氯酸根。“目前尚不確定‘鳳凰’號發現的是哪一種高氯酸鹽。不同的高氯酸鹽有不同的性質，哪種陽離子與高氯酸根結合會對生命產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。王阿蓮表示，在科學研究中進行認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生一些誤差，需要作出詳盡的分析。NASA“鳳凰”號的科學團隊目前正處于非常忙碌的探測器操控階段，后續還會有一些作基礎研究的科學家加入進來，最終的結果將通過科學論文作出報告。

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，有時甚至發展成全球性的火星塵暴。塵暴也會對火星生命遺跡的存留構成威脅。加州大學教授喬治·德羅利曾指出，火星塵暴產生的電場，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，這些物質將掃除火星表面對形成生命具有關鍵性作用的任何有機分子。

然而這并不能排除火星環境下可能的生命形態與地球不盡相同。“這個想法在所有作火星探測的科學家的腦海里都存在。”王阿蓮表示。雖然不在天外生命探測的領域中工作，但是她通過學術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鍵相結合還有待探索。”

在火星上尋找生命無異于大海撈針，現在人類僅僅走完第一步，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，王阿蓮認為，什么樣的儀器能夠真正探測火星生命還有待研究設計及證實。“這樣的探測技術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，必須一步一步做嚴謹的工作。”

眼下，由于“鳳凰”號找水的巨大成功，NASA決定將它的任務再延長至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盡量爭取多出成果。”王阿蓮說。據了解，發現高氯酸根有功的MECA的4個燒杯已經用了 2個，余下的2個將繼續用于分析火星土壤以重證高氯酸根的存在。“鳳凰”號將繼續在其周圍進行挖掘，進一步提高冰在土樣中的比率，不斷摸索提高樣品輸入的準確性，并使用熱萃取氣相質譜儀作進一步分析。

除了尋找水和含有生命特征的物質之外，“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”號壽命最大的威脅是天氣，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年發射，繼續探索火星生命。執行這一計劃的團隊以歐空局科學家為主，美國派科學家參加。王阿蓮2007年獲得NASA資助，參與這項新的研究計劃。