2021 年春天,科學家們在 NASA 毅力號火星漫遊者開始檢查耶澤羅撞擊坑( Jezero Crater )底部的岩石時感到十分驚訝:因為這個隕石坑在數十億年前有一個湖泊,他們原本預計會發現沈積岩,這是沙子和泥土在曾經是水的環境中沈澱時形成的。但與此相反,他們發現海底是由兩種火成岩組成的——一種是由地下深處的岩漿形成的,另一種是由地表的火山活動形成的。

8 月 25 日發表的四篇新論文描述了這些發現。在《科學》雜誌上,一篇文章概述了毅力號在 2022 年 4 月抵達耶澤羅的古老河流三角洲之前對隕石坑底部的探索,同一雜誌上的另一項研究詳細描述了看起來像是由厚岩漿體形成的獨特岩石。另外兩篇發表在《科學進展》( Science Advances )上的論文詳細介紹了毅力號的岩石蒸發激光和探地雷達確定火成岩覆蓋隕石坑底部的獨特方法。

時代之石

火成岩是優秀的計時器:它們內部的晶體記錄了它們形成的精確時刻的細節。

「我們收集到的火成岩的一個重要價值是,它們會告訴我們這個湖何時出現在耶澤羅。我們知道它在那裡的時間比火成岩坑底部岩石形成的時間更晚,」加州理工學院的肯·法利說,他是毅力號項目的科學家,也是《科學》雜誌第一篇新論文的第一作者。「這將解決一些主要問題:什麼時候火星的氣候有利於在火星表面形成湖泊和河流,什麼時候它變成了我們今天看到的非常寒冷和乾燥的樣子?」

毅力號用它的沃森相機拍攝了這個外號為「福克斯」的岩石目標的特寫,它是探測器機械臂末端的 SHERLOC 儀器的一部分。這張照片拍攝於 2021 年 7 月 11 日,這是該任務的第 139 個火星日。

毅力號用它的沃森相機拍攝了這個外號為「福克斯」的岩石目標的特寫,它是探測器機械臂末端的 SHERLOC 儀器的一部分。這張照片拍攝於 2021 年 7 月 11 日,這是該任務的第 139 個火星日。

然而,由於它的形成方式,火成岩並不是毅力號一直在尋找的保存古老微觀生命跡象的理想物質。相比之下,確定沈積岩的年齡可能具有挑戰性,特別是當它包含在岩石沈積物沈積前不同時期形成的岩石碎片時。但沈積岩往往形成於適合生命生存的水環境中,更能保存古老的生命跡象。

這就是毅力號自 2022 年 4 月以來一直在探索的富含沈積物的河流三角洲為什麼對科學家來說如此誘人的原因。火星探測漫遊者( Mars Exploration Rover, MER )已經開始在火星上鑽探和收集沈積岩的岩芯樣本,以便「火星樣本返回」計劃( Mars Sample Return )將這些樣本帶回地球,利用強大的實驗室設備進行研究,這些設備過於龐大,無法帶到火星上。

神秘的岩石

發表在《科學》雜誌上的第二篇論文解開了一個關於火星的長期謎團。多年前,火星軌道飛行器發現了一個充滿礦物橄欖石的岩層,約 27000 平方英里( 70000 平方公里)——幾乎是南卡羅來納州的大小——這個岩層從耶澤羅隕石坑的內部邊緣延伸到周圍地區。科學家們提出了各種各樣的理論來解釋為什麼在如此大的表面區域會有如此多的橄欖石,包括隕石撞擊、火山爆發和沈積過程。另一種理論是,橄欖石是在地下深處慢慢冷卻的岩漿——熔融的岩石——在暴露出地表之前隨著時間的推移慢慢侵蝕而成的。

2022 年 2 月 16 日,也就是該任務的第 353 個火星日,「毅力號」在耶澤羅撞擊坑的地面上看到了一大片巨石。

2022 年 2 月 16 日,也就是該任務的第 353 個火星日,「毅力號」在耶澤羅撞擊坑的地面上看到了一大片巨石。

位於南加州的 NASA 噴射推進實驗室的 Yang Liu 和她的合著者已經確定最後一種解釋是最有可能的。毅力號磨礪岩石,露出岩石的成分;在研究這片暴露的區域時,科學家們把重點放在了橄欖石的大顆粒尺寸上,以及岩石的化學成分和結構上。他們使用毅力號的X射線岩石化學行星儀( PIXL ),測定了該地區 1 到 3 毫米的橄欖石顆粒—遠遠大於地球表面迅速冷卻的熔岩中形成的橄欖石的尺寸。「這種大的晶體尺寸和在特定岩石紋理中的均勻組成需要一個非常緩慢的冷卻環境,」 Yang Liu 說。「所以,很有可能,耶澤羅的岩漿並沒有在地表噴發。」

更先進的工具

《科學進展》的兩篇論文詳細介紹了科學儀器的發現,這些儀器幫助確定火成岩覆蓋在火山口底部。這些儀器包括毅力號的超級相機( SuperCam )和火星地下實驗雷達成像儀( RIMFAX ,一種探地雷達)。SuperCam 配備了岩石蒸發激光器,可以從 20 英尺( 7 米)遠的地方擊中鉛筆尖那麼小的目標。它利用可見光光譜儀來研究產生的蒸汽,以確定岩石的化學成分。在毅力號在火星上的頭 10 個月里,超級攝像機記錄了 1450 個點,幫助科學家得出了關於隕石坑底部火成岩的結論。

此外,超級攝像機使用近紅外線光,這是火星上第一個有這種能力的儀器,它發現水改變了隕石坑底部岩石中的礦物質。然而,根據激光和紅外線觀測結果,這種變化並不是在隕石坑底部普遍存在的。「超級攝像機的數據表明,要麼這些岩層是從耶澤羅的湖水中分離出來的,要麼這個湖只存在了有限的時間,」 Roger Wiens 說,他是超級攝像機在普渡大學和洛斯阿拉莫斯國家實驗室的首席研究員。

RIMFAX 標誌著另一個首次:火星軌道飛行器攜帶探地雷達,但在「毅力號」之前,火星表面還沒有航天器。在地面上, RIMFAX 可以提供無與倫比的細節,並測量了深達 50 英尺( 15 米)的隕石坑底部。它的高分辨率雷達圖顯示,岩層出人意料地向地下傾斜了 15 度。瞭解這些岩層是如何排列的,可以幫助科學家建立耶澤羅隕石坑形成的時間表。

「作為首個在火星表面運行的儀器, RIMFAX 已經證明瞭探地雷達作為地下探測工具的潛在價值,」挪威奧斯陸大學的首席研究員 Svein-Erik Hamran 說。這支科學團隊對他們目前的發現感到興奮,但最讓他們感到興奮的是未來。


參考文獻:

[1]NASA’s Perseverance Makes New Discoveries in Mars’ Jezero Crater | NASA

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