haibaraemily ：這一次，我們在火星找到了液態湖？
近日，意大利天體物理研究所的羅伯特·奧羅塞（Roberto Orosei）團隊宣佈他們可能在火星南極的冰蓋之下發現了液態水湖[1]，這一結果發表於2018年7月25日的《科學》雜誌。
驚不驚喜？意不意外？是不是馬上可以去火星鑽冰撈魚了？
別急。雖然可能性很大，但還是不一定。
不過，這至少已經是我們距離發現火星穩定的液態水儲備最近的一次，也將長達三十多年的火星冰下“尋湖之旅”又推進一程。
水是生命之源，但火星真的缺水嗎？
種種證據顯示，曾經的火星很可能也是個宜居的“天堂”。那是30多億年以前火星，內核有活力，外層有大氣，既有磁場做“護身符”，還可能有過汪洋大海覆蓋表面。
只是如今，它們都消失了。
火星的內部漸漸冷卻，磁場慢慢消失，大氣層散逸，然後表面的液態水也不能倖免。
火星的表面，最終變成了如今我們看到的這樣：寒冷、乾燥，一片死寂。
不過，還是有大量固態形式的水（也就是水冰）保留在了火星上。
火星的南北極地區就有不少水冰暴露在表面。火星的自傳軸傾角和地球差不多（接近25°） ，因此也和地球一樣，火星也有鮮明的四季變化，也有冰封的南北極（不過不只有水冰）。
圖：火星的四季變化和南北極冰蓋。改編自：2003 Encyclopedia Britannica, Inc
火星的地下更是埋藏着大量的純淨水冰。
在天上飛的火星奧德賽號軌道器搭載的伽馬射線光譜儀GRS間接探測到過；
在地上刨土的鳳凰號着陸器更是直接在火星北極挖到了高純度水冰…
一些斷崖中暴露出來的信息顯示甚至中緯區域的地下也有大量純淨水冰（參見：《科學》雜誌||未來的火星移民：鑿冰飲水，指日可待？）。
圖：鳳凰號挖到的兩處水冰示例。來源：參考文獻[2]
火星不缺水，缺的是液態水。
火星表面確實也發現過一些年輕的、可能的流水侵蝕痕跡——例如沖溝和季節性斜坡紋線（RSL），但即使這真的代表如今的火星表面還有液態水，那也是少量季節性的、不穩定的液態水——總之，火星的地表上已經不可能還有大量液態水存在了。
圖：HiRISE相機在火星上牛頓隕石坑（41.6°S, 202.3°E）中不同時期的拍攝的照片顯示出明顯的流動痕跡，可能是液態水，但目前也有很大爭議。來源：維基
火星上有沒有大量、穩定的液態水存在於地表以下呢？科學家們已經孜孜以求了三十多年。
走，還去南北極！
如果火星的地下真的有穩定的液態水湖泊，那麼最可能在哪裏？早在1987年，一個叫做Stephen Clifford的行星科學家就預言[3]：
最可能在火星南北極。
火星南北極冰蓋的表層（既有水冰，也有乾冰）之下是下圖這樣的層狀堆積層，由混雜着塵埃的水冰組成。因為不同冰層中混合的塵埃百分比不同，所以不同時期形成的冰層顏色就會有差異，層層累積起來像千層蛋糕一樣。
圖：火星南極冰蓋和層狀堆積層。來源：NASA
Clifford相信，火星的穩定液態水最可能埋藏在南北極的冰蓋之下。
可是等等！這聽上去似乎不科學呀，照理説南北極不是最冷的地方嗎？所以才會有冰蓋不是嗎？這種地方為啥最可能出現液態水？
其實，正是因為南北極厚厚的冰蓋會產生巨大的壓強，使得冰的熔點會降低，到了一定的深度，冰便會被“壓化”。
地球上就有這樣的例子，比如南極冰蓋的沃斯托克冰下湖，就在零下幾十度的環境中還能保持液態。
圖：位於南極冰蓋4公里左右深處的沃斯托克冰下湖。後來科學家們在這裏打了鑽。來源：維基
問題是，冰層下的水，要怎麼找呢？
天上飛的軌道器很難探測到地下的結構，送個着陸器去挖似乎也沒有頭緒…火星南北極那麼大，上哪兒挖？那麼厚的冰層，怎麼挖？總之，對人類目前的科技水平來説，無異於大海撈針。
探地能手雷達來幫忙
有沒有什麼辦法可以對火星南北極冰面進行“透視”呢？別説，還真有！
那就是探地雷達。
探地雷達可以通過主動發射和接收電磁波信號來探測地下的淺表層結構。主要原理是不同物質的介電常數（可以簡單理解為讓電磁波衰減的能力）不同，因此探測器收到的從不同物質間的分界面反射回來的電磁波的時間和強度就會不同。
那麼反過來，通過測量到的雷達接收時間和反射強度，就可以反推這些雷達信號穿過了哪些不同的物質，每層物質有多厚。
圖：測地雷達探測淺表層結構的原理示意圖。來源：參考文獻[4]
而這次的新發現，最大的功臣當屬超長待機的火星快車號探測器（Mars Express）。
作為歐空局的第一個火星探測器，火星快車號可以説是首戰成名。它自2003年聖誕節進入火星軌道以來，一直…工作到現在…雖然釋放小獵犬2號着陸器失敗，但絲毫不妨礙火星快車號一路開掛的科學發現。
火星快車號最重要的發現之一，是其搭載的法國開發的可見光與紅外線礦物光譜儀OMEGA首次在火星表面多處檢測出了粘土礦物（也就是水合層狀硅酸鹽）。粘土的形成需要大量液態水的環境，這表明很久很久以前某個很長的時期有大量液態水流經火星表面[5] 。
而這次的地下異常，是由火星快車號攜帶的意大利開發的測地雷達MARSIS，通過對2012年5月到2015年12月曆時三年多的數據的收集整理得到的。
圖：火星快車號展開20米長的雷達天線進行探測時的假想圖。來源：維基
發現了什麼？
“預言家”Clifford當年認為，因為火星北極冰層更厚，所以北極冰蓋下更加可能有冰下湖。
BUT，這次的冰下湖卻是在火星南極冰蓋下發現的。原因可能也是一樣的，南極冰層更薄所以更容易被探測到冰下物質。
圖：本次探測區域位於南極層狀沉積層中（黑框區域）。來源：參考文獻[1]
雷達信號通過不同介質的分界面返回的信號強度不同，那麼如果地下有“異常”區域，這在雷達圖像中會表現為一條“亮線”。下圖中從上往下第一條亮線是真空和表面的分界層，中間千層蛋糕一樣的冰層是一層一層堆積而成的層狀堆積層，再往下第二條亮線，説明雷達信號在冰層之下又遇到了不同的物質。
圖：其中一軌雷達剖面圖的例子，可以看到，分界面對應着雷達反射強度較高的區域。雙程脈衝走時就是雷達信號從發出到接收的時間（往返）。來源：參考文獻[1]
這個異常區的深度大約在地表以下1.5公里處。多軌雷達數據可以圈定這個亮反射異常區域的範圍，下圖右圖箭頭處，寬度大約有20公里。
圖：本次研究中發現的亮反射異常區的範圍（對應着高反射強度，圖中藍色區域）。來源：ESA和參考文獻[1]
在計算出異常區域所在深度的同時，還可以計算出這個異常區域（也就是亮反射區）的介電常數。
統計結果顯示亮反射區之內的概率峯值對應的介電常數>15，而亮反射區之外的區域概率峯值對應的介電常數只有7左右。
這意味着：1）亮反射區和周圍的物質成分必然有很大差異，2）亮反射區中的介電常數特別高（>15）。
圖：基於雷達數據反推的亮反射區之內和之外兩個區域的介電常數可能值。來源：參考文獻[1]
以上就是這篇文章的計算結果了。
下面開始推理時間。
這個異常區域是什麼？
是液態水湖嗎？不一定。
以我們對地球的雷達觀測數據的分析經驗來説，要達到這麼大的介電常數，這在地球上基本只有液態物質這一種可能性。南極和北極的冰下湖都符合這樣的介電常數。
但這在火星上，就不那麼不絕對了。畢竟無法進行人工實地勘探，各種地下物理參數都是估計的，有很多不確定性。
而且即使是液態的，也未必就是液態水湖這樣的形式，文章作者給出的推論説的是液態湖或者富含水飽和沉積物層都有可能。
如果是液態水湖，會是什麼樣的？
這個區域的温度低達零下70攝氏度，然而這裏的冰蓋厚度只有1.5公里，遠遠低於之前認為的“壓化”水冰的厚度，那麼為什麼水還可以保持液態水的形式？
作者給出的解釋是，這些液態水中含有大量的鹽類（鎂、鈣、鈉、高氯酸鹽等），於是高壓含鹽的環境共同使得冰的熔點變低，於是水可以在不那麼高壓的環境下也得以保持液態。目前軌道器和着陸器火星車的探測結果也顯示，火星全球應當都遍佈高氯酸鹽（和其他一些物質），水裏有鹽類也不意外。
總之，這個異常區域是液態水湖，這是完全有可能的。但這也是基於間接觀測結果的其中一個推論而已。只不過，如果真的是液態水湖，那應該是一潭滷水湖。
而另一方面，由於探地雷達MARSIS的分辨率較低，我們有理由推測，如果這裏真的有冰下湖，那麼很可能不止這一小塊，只是其他地方尚未發現而已。
我們也有理由推測，冰層更厚的北極冰蓋之下，可能有更大更多的液態湖，只是目前的技術手段還探不了那麼深而已。
爭議尚存：為什麼之前雷達觀測沒有發現？
除了火星快車號攜帶了探地雷達MARSIS，火星勘測軌道飛行器(MRO)也攜帶過一個探地雷達SHARAD，而且…SHARAD也探測過這個區域。
然而，SHARAD什麼都沒看到！
圖：MARSIS和SHARAD兩個雷達在幾乎同一段航線下觀測的的雷達剖面。改編自：參考文獻[1]
因此，MRO項目組的科學家們對這個結果是持懷疑態度的[6]。儘管他們也承認，兩個雷達的探測頻段不同，出現這種差異也是可能的。
更準確地説，SHARAD的探測頻段是高頻，這意味着分辨率高但探測深度淺，而MARSIS是低頻，分辨率低但探測深度深，所以SHARAD沒有看到雷達圖中的亮線而MARSIS看到了是説的通的。
不過，MRO項目組的科學家們還是認為應該再次檢核SHARAD的雷達數據，以確認是不是真的看不到。
還有一個問題，是地球物理數據反演的多解性。雷達也好、地震波也好、重力也好，這類地球物理數據在反算一些參數的時候會有多種可能，也就是可以達到這樣的結果的原因不唯一。
舉個簡單的例子，如果我們發現地上濕了，會推測可能是因為下過雨了，也可能是因為有灑水車經過，還可能是其他原因。
通過增加限制條件可以減少多解性，例如通過查詢之前的天氣數據，或者查詢是不是有灑水車經過，但如果可能的原因太多，或者可以限制的條件有限，那多解性還是很難完全避免的。
魂牽夢縈，生命之水
二十多年前的人類，以為整個太陽系中除了地球之外都是沙漠（以沒有液態水為標準，南北極也是沙漠）。
然而，飛速發展的深空探測成果一次又一次地讓我們驚訝：
或許，火星有冰下湖，穀神星有冰下海，木衞二和木衞三、土衞二和土衞六，甚至冥王星…它們的冰層之下也都有區域性或者全球性的鹽水海洋。
雖然這些都還沒有真的鑽孔採樣挖出來讓我們親眼看到，但越來越多的觀測結果讓我們相信，太陽系並不是乾涸的沙漠，而是藴藏着數不清的生命之源。
至於人類最關心的：這些冰下湖海中是不是有生命存在？不能排除這種可能性，但也確實目前沒有發現過相關證據。
甚至，要不要趕緊送個探測器上去挖一挖？我建議你們還是冷靜一點…當年在沃斯托克冰下湖打冰芯已經很讓人捏一把汗了。以我們目前的技術水平，又如何能保證在火星打冰芯的時候不帶去任何來自地球的微生物或者其他物質的污染呢？
或許將來，這一天終究會來臨，但在那之前，我們要做好周全的計劃和準備。
謹慎，再謹慎。
（本文首發於微信公眾號“我是科學家iScientist”，作者為haibaraemily，觀察者網已獲作者授權轉載。）