李會超：火星上發現了液態湖？這事還沒有板上釘釘

在人們的印象中，水是以液態存在的、可以流動的物質。雖然人們早就發現了水在火星的存在，卻鮮見能夠流動的液態水。火星表面的大氣壓強僅有地球海平面大氣壓的0.6%。在這種環境下，液態水不是被蒸發就是被迅速的凍結，很難以液態形式存在。最近，意大利的科學家利用歐空局“火星快車”探測器，在火星南極發現了液態水構成的地下湖泊存在的證據，首次在火星找到了大規模存在液態水的跡象，受到了全世界媒體的密集關注。然而，在為新發現興奮和喝彩的同時，我們仍應該注意一個關鍵問題：地下湖是否真的存在，目前還沒有徹底證實。

從格陵蘭島到火星南極

按照目前的探測，水在火星上主要以冰的形式存在，在南極和北極，都有大面積的冰蓋結構。其中北極冰蓋直接裸露在火星表面，而南極冰蓋則隱藏於固態二氧化碳構成的乾冰蓋之下。科學家們推測，在38億年前，火星的大氣層比現在要更濃密，温度也比現在更高，能夠允許大量的液態水存在於火星表面，甚至還形成了海洋。在火星表面，能夠找到不少可能由水的流動而形成的地貌特徵。然而，在現今的火星上，除了零星出現的液態水特徵外，很難見到像南北極冰蓋這樣大規模的液態水分佈。

（火星的南極冰蓋）

三十年前，行星物理學家史蒂夫·克利福德提出了火星可能存在地下湖泊的假説。在地球上，地質學家們已經在南極洲和格陵蘭島的冰層下發現了地下湖。來自地球內部的熱能融化了冰川的底部，從而形成了這些隱藏的湖泊。克利福德推測，在火星的南北極冰蓋下可能也存在類似的過程。

2003年，歐空局發射的火星快車探測器給了科學家們證實這個假説的機會。火星快車上搭載的MARSIS儀器，能夠發射0.8-6MHz的無線電波並接收火星表面和電離層的反射回波，利用合成孔徑雷達等技術探測火星表面的地形地貌和電離層性質。更有趣的是，MARSIS儀器裝備了兩個設置不同的回波接收天線。通過對兩個天線接收到的信號進行綜合處理，MARSIS可以去除火星表面的回波，“過濾”出表層以下的內部結構回波，從而使科學家們能夠貨值火星內部的秘密。

（火星快車探測器，探測器周圍伸出的桿狀天線即為MARSIS儀器接收回波信號的天線）

從2008年開始，科學家們開始從MARSIS儀器在火星南極的觀測數據中發現一些異常強烈的回波信號。在地球上，這種回波信號意味着冰層下方存在着液態水。然而，當時數據中的強回波區分佈的並不連續。在分析儀器工作流程後，科學家們發現問題可能出自MARSIS的數據處理機制上：為了減小數據傳輸量，MARSISI會對觀測數據做平均處理，可能導致了強回波區結構被抹平。為了進一步對強回波區進行研究，這些科學家在火星快車的存儲器中專門開闢了一塊區域，用以存儲南極地區的高分辨率探測數據。

（意大利科學家通過MARSIS儀器得到的回波增強數據）

在收集了3年共29軌的數據後，科學家們開始了另一場“戰鬥”。由於他們收集到的僅僅是雷達回波信號，而不是直接反映物質構成的信息，他們必須不斷排除如二氧化碳乾冰層等其他造成類似回波特徵的可能。最終，在對比了地球上的地下湖回波特徵後，科學家們推斷他們探測到的的確是液態水富集的火星地下湖。地下湖的直徑不超過20公里，隱藏在南極冰蓋表面以下約1.5公里的位置。地下湖水的温度處於零下數十度，但是其較高的含鹽量量使其保持液態而沒有凍結。

火星上的另一雙“眼睛”沒有看到這個地下湖

由於地下湖的發現是由間接證據得到的，不少科學家也對這個發現的可靠性表示了質疑。例如，提出火星地下湖假設的行星物理學家克利福德就對本次發現的科學意義表示了冷靜。他認為，雖然目前的探測數據“很有説服性”，但並不是“絕對的、確切的”證據，因為一些其他我們尚未了結的物質和結構也可能引起這樣的回波。 本次利用MARSIS數據發現地下湖的意大利科研團隊也承認，冰蓋下淤積的污泥也可能產生類似的回波，MARSIS的數據並不能排除這種可能性。

在火星上工作的另一台探測器發回的數據也為地下湖的存在增加了疑點。除了火星快車外，NASA的火星勘測軌道飛行器（Mars Reconnaissance Orbiter）也正在火星工作。與好奇號、機遇號等活動範圍有限的火星車不同的是，火星快車、火星勘測軌道飛行器等探測器都是在環繞火星的軌道上飛行的探測器，能夠通過累積的探測獲得火星的全球特徵。

火星勘測軌道飛行器上搭載的SHARAD探測器與MARSIS同為意大利空間局設計製造，工作原理基本相同，也同樣具有穿透火星冰蓋、探測火星表面以下結構的能力。2016年，NASA的科學家曾利用SHARAD探測器，在火星的烏託皮亞平原表面之下發現了巨大的隱藏冰川，其面積足以與美國新墨西哥州相比。相比於火星南北極的冰蓋，烏託皮亞平原下的冰川地理緯度較低，且該地區地勢平坦，特別適合航天器着陸進行科學探測，或建立用水和二氧化碳產生甲烷的火星燃料工廠，為往返地球和火星間的飛行器“加油”。

（火星勘測軌道飛行器上搭載的SHARAD探測器）

SHARAD同樣對本次可能發現地下湖的地區進行過探測，但在SHARAD的探測數據中卻並不存在如此強烈的回波。一些科學家認為，雖然SHARAD發射的探測信號頻率比MARSIS發射的信號頻率高，其能夠探測的深度也不及MARSIS，但如果地下湖真的存在，那麼像鏡子一樣光滑的湖面應該為信號的反射提供了絕佳的條件，SHARAD數據中應該能出現回波增強。而如果MARSIS探測到的是淤泥而不是地下湖，信號的反射條件將沒有地下湖那麼好，也就可以解釋為什麼強回波信號沒有在SHARAD中出現。當然，這種推斷同樣也是一個可能的疑點，而無法徹底否定地下湖的存在。

探索未知的不確定性

顛覆性的科學發現面對的都是前人從未探索或涉足過的領域，沒有既有的檢驗可以參考。科學家是人不是神，我們的科學探測儀器的性能指標也存在着這樣或那樣的侷限，因此科學發現總是伴隨着不確定性。在公佈對火星地下湖的發現之前，意大利的科研團隊花了兩年的時間分析原始觀測數據，盡力排除其他可能性。有關這次發現的論文在去年12月13日就已經投稿給了國際頂級學術期刊《Science》，經過半年多的同行評議才得以在7月25日接收發表，説明雖然結果仍然具有不確定性，但其分析過程和科學價值已經得到了學術界的認可。我們還需要新的飛船、性能更好的探測儀器乃至宇航員在火星的登陸，才能徹底搞清液態水在火星表面是否存在的問題。

掃碼關注微信公眾號“科工力量”