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NASA 好奇号探测器是如何给火星上一座山“称重”的?

Kenneth Chang2019-02-02 13:37:56

这些发现源于一项巧妙的技术创新,利用的是为工程师提供好奇号状态信息的传感器。

本文只能在《好奇心日报》发布,即使我们允许了也不许转载*

科学家在当地时间周四(1 月 31 日)公布的报告中指出,火星上有一座几乎和迪纳利山(Denali)一样高的山(迪纳利山高 6194 米,位于阿拉斯加,是美国及北美洲最高峰,译注),但它的重量却轻巧得出奇。

四年多来,美国宇航局(NASA)的好奇号探测器一直在探索夏普山(Mount Sharp),它位于一个名叫盖尔(Gale)的古老陨石撞击坑中,海拔超过 3 英里(约 4800 米)。通过测量月球车爬升时重力的微小变化,我们可以知道这座山是如何形成的。

夏普山的官方名称是 Aeolis Mons,但执行该任务的科学家们以 2004 年去世的火星专家罗伯特·夏普(Robert P. Sharp)的名字给它起了这个昵称。它由一层沉积岩组成,因此相当于一本简单易读的火星地质历史书。这也是为什么 NASA 会选中这里作为好奇号 2012 年登陆火星的目的地。

不过,沉积岩通常形成于湖泊和海洋的底部,而不是山顶。

因此一些科学家推测,这座 154 公里宽的盖尔陨石坑曾经是一个湖泊。后来,湖泊慢慢地充满了沉积物,最终因为水体被风吹走才露出了夏普山。其他人则认为,是微粒从火星其他地方飘过来,堆积在陨石坑中心,才形成了一座山。

发表在《科学》杂志上的这份最新研究报告指出,根据重力测量的结果,好奇号下方的岩石不是完全实心的,而是多孔状态,因此密度较低。这一发现表明,陨石坑从来没有被沉积物完全充满过,因为在不被压实的情况下,这些多孔岩石不可能承受一座山的重量。

主持这项研究的科学家、《科学》杂志论文的作者阿什温·瓦萨瓦达(Ashwin R. Vasavada)说,这一发现部分印证了夏普山形成的两种假设。山的底部可能由挖出的湖泊沉积物组成,而顶部则可能是由风吹来的微粒形成的。

瓦萨瓦达说:“人们越来越认同这个想法了。”

这些发现源于一项巧妙的技术创新,利用的是为工程师提供好奇号状态信息的传感器。这样一来,已经登陆火星数年的好奇号上又多了一台新的科学仪器。

这个点子来自约翰·霍普金斯大学地球和行星科学教授、任务团队成员凯文·刘易斯(Kevin W. Lewis)。他意识到,智能手机等现代设备都拥有测量加速度的芯片。因此 iPhone 才能根据人垂直或者水平握手机的姿势,相应地旋转屏幕。

这种被称为加速度计的传感器可以测量重力的变化。在地球上,地质学家利用重力变化来探测地下特征,如地震断层和矿床。“如果我们在火星上也这么做,那不是很棒吗?”刘易斯说。

然后他意识到,火星上确实有加速度计,因为好奇号恰恰就是在用加速度计来跟踪自己在火星上移动时的倾斜情况。

这些测量数据同时也记录了火星上的重力变化。他说:“幸运的是,工程师们得到了一个完美的数据集,从登陆第一天到现在的数据都有。”

他说,由于传感器本来不是用来完成测量重力的任务,所以这些数据“相当嘈杂”。“每天得到的数据都有相当程度的波动。”

在校准测量值并将变化平均之后,研究人员发现,当好奇号上升到大约 300 米的高度时,火星重力确实略有下降。但是,如果好奇号被吊到 300 米的高空,它所测得的数值就会小得多。因为山的质量对它产生了额外的重力。

但这种重力的变化很小。对于一个在地球上体重 68 公斤的人(由于重力较弱,他在火星上只有 25.8 公斤重),在夏普山上往上爬 300 米会让他的体重减少大约 1/10 盎司(约合 2.835 克)。

研究人员计算得出,好奇号下的基岩密度约为每立方英尺 45.4 千克。然而,构成岩石的矿物的密度比整块岩石的密度高了 70%。这让刘易斯和他的同事们得出结论:山上的岩石一定是多孔的。

加州理工学院(California Institute Of Technology)地质学教授约翰·格洛辛格(John P. Grotzinger)曾在好奇号前三年的火星任务中担任项目科学家。他说,刘易斯利用工程数据的想法“体现出了真正的科学创造力”。

但他对这些结论还不太确定。

好奇号对火星表面岩石的检测表明,沉积物颗粒紧密地结合在一起,并不是多孔状态。格洛辛格还注意到了重力测量数据的巨大波动,即使好奇号在大致水平的地面上移动时,数据波动也很大。这意味着,夏普山下方的物质可能不像刘易斯和他的同事们在计算中所设想的那样均匀。重力数据可能反映的是地下深处的低密度地质构造,而不是夏普山岩石的性质。

格洛辛格说:“大家只是在设想一种从地质角度而言称得上合理的说法。在我看来,事实可能还会是别的样子。”


翻译:熊猫译社 葛仲君

题图版权:NASA/JPL-Caltech/MSSS

© 2019 THE NEW YORK TIMES

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