NASA洞察号将首次探测火星内部
发布时间:2018-05-07
出品:科普中国
制作:haibaraemily
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  就在前晚,NASA的下一代火星着陆器洞察号(InSight),已于北京时间5月5日晚上7:05准点发射。一个多小时后,星箭分离成功,一切顺利,发射圆满成功。这是NASA第一次在加州范登堡空军基地发深空探测器,而之前都在佛罗里达州卡纳维拉尔角。

  搭载洞察号的宇宙神5号火箭点火。 来源:NASA TV

  洞察号是NASA的知名抠门项目 Discovery项目的成员之一,有多抠门呢?就是每项预算一般不超过4.5亿美元。什么概念呢?作为旗舰项目之一的好奇号花了25个亿,卡西尼花了39个亿,真•没有对比就没有伤害

  不过平心而论,NASA对洞察号实在不算抠门了,花了8.3亿美元,远远超过了Discovery项目的预算标准,即使在中档预算的新疆界项目里也能排得上号了(探测冥王星系统及柯伊伯带小天体的新视野号也就花了7个亿而已)。

  虽然成本低,但Discovery项目的每个任务都是短准狠:任务设计寿命短(一般不超过36个月,当然仪器状态良好的话会延长,有些会延长很久),探测目标精简明确,而且大多成果惊人。近些年例如探测小行星谷神星和灶神星的黎明号,探测月球全球高分辨率重力场的GRAIL,寻找系外行星的开普勒望远镜……这些探测器无一不在短短几年里就刷新了人类对它们所探测天体的认知,名副其实的“发现新世界”

  洞察号也不例外。

  目前为止,人类对火星的了解不可算是不多:探测火星表面地形、地貌特征和重力场的火星全球探勘者号(MGS)、火星勘测轨道飞行器(MRO),探测火星水冰和矿物分布的火星奥德赛号、火星快车号,探测火星大气层和空间粒子的MAVEN,甚至还有凤凰号、勇气号、机遇号和好奇号几辆着陆器和火星车实地考察火星的地质状况……但这些都还始终停留在火星表面和大气层,火星的内部是什么样的?我们几乎一无所知

  虽然重力场和一些粗略的地球物理数据(平均密度、惯量矩等)数据隐约向我们透露了一点火星内部的样子,我们知道火星像我们的地球和月球那样有壳幔核的分层结构,知道火星内部的热能已经不足以维持它的自发磁场和各种活跃地质活动,但更多的呢?一共分了多少层?壳幔核每一层有多深?每一层的固液状态是怎样的?火星内部的热能到底还剩多少?火星的热量是以什么样的形式和速率耗散的?火星的热演化历史是怎样的?为什么火星几乎没有板块活动?

  一个真正的地球物理探测器势在必行。

  千呼万唤始出来的洞察号,人类已经等待你很久了。

  洞察号会着陆在哪里?

  和之前这些火星着陆器不同,洞察号是一枚纯•地球物理探测器,因此,洞察号的选址比NASA之前几枚火星车和着陆器要纯粹得多,它几乎不需要考虑具体的科学目标(比如好奇号着陆在盖尔撞击坑是为了寻找水和生命、凤凰号着陆在北极是为了探测极区水冰,巡回车还需要考虑整个路径的安全性和可移动性……这些科学目标本身最先限制了选址范围),从这个角度来说,洞察号的选址更有代表性

  洞察号选址经过了长达四年的考察和探讨。首先是基于工程上考虑(着陆、安全、功能)的初步筛选,例如:考虑太阳能的供给,着陆区划定在赤道附近(北纬3-5°);考虑着陆过程中必须经过足够厚的大气层来保证降落伞的缓冲需要,着陆区地理位置要尽量低;地形要平坦(坡度小于15°)、石头不能太多、风化层较松软(方便着陆和热流探测器钻5米深的孔),等等等等……

  初步筛选之后,选定了埃律西昂平原西部的16个区域。然后才逐区域排除直到选定最终的着陆区域。

初步筛选后的16个备选着陆区 (Golombek et al., 2016)

  也就是说,不出意外的话,洞察号将于今年11月26日降落在火星这片平坦的赤道区域。这里距离好奇号的探测区也很近,每当火星勘测轨道飞行器(MRO)从天上飞过的时候,可以一次关照到俩,省心。

  背景图是火星地形图,红区代表高处,蓝区代表低处,来源:NASA Studying 4 Landing Site Options for 2016 Mars Mission,小图来源:Finalist Site for Next Landing on Mars

  洞察号要探测什么?

  洞察号(InSight),全名是利用地震、大地测量和热流的火星内部结构探测器Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport),这样一看它的探测目标可以说是一目了然了。

  工欲善其事,必先利其器。想要探测什么,当然要带好对应的装备。看看洞察号都带了些什么仪器吧。

  首先是整体上,洞察号机身的设计很大程度上直接继承了之前的凤凰号着陆器,这也是洞察号可以如此低成本的原因之一。

(左)凤凰号的俯视图和正面图;(右)洞察号的俯视图和正面图。两片黑色的大伞是探测器的太阳能板。(来源:NASA)

  再看局部载荷。洞察号此去一行的主要探测目标有两个:一个是火星内部结构,另一个是火星内部的热状态。针对这两个目标,洞察号配备了一台火震仪和一台热流和物理性质探测仪(HP3)

洞察号的火震仪和热流探测仪(来源:NASA)

  火震仪

  火震仪会在洞察号着陆之后被固定在火星表面上,然后用一个罩子罩起来减少外界风和热的干扰。

  洞察号火震仪安装演示图。来源:NASA,剪辑、压制:haibaraemily

  为什么探测火星的内部结构需要地震仪(划掉,在火星就叫火震仪了)呢?简单来说,就是当固态天体发生震动的时候,震动产生的波(地震波)在不同密度的地层中传播速度不同,那么通过测量不同地层传来的地震波之间的时间差,就可以反推内部每一层的厚度和密度了。

  火星地震一分钟速览。来源:NASA,听译、压制:haibaraemily

  火星几乎没有板块活动,而且和其他大多数火震形式一样,这些震动几乎无法准确判断震源位置,为此,洞察号想出了一个巧妙的办法:

  探测陨石撞击引起的火震。

  在火星勘测轨道飞行器(MRO)探测器高分辨率影像的配合之下,一旦发生陨石撞击引起的火震,洞察号将会迅速搜索到新产生的陨石坑的精确位置,也就确定了震源的坐标,进而测量地震波的行进时间。

  当然,单个地震仪观测会有很多局限性,因为地震仪数目越多,分布越广,才能探测到越深、越准确的内部结构。事实上,即使当年的阿波罗登月任务安装了四台月震仪,也还是没能克服这一问题,因为这些月震仪实在是靠得太近了,全部扎堆于月球近月面的低纬度区域,造成的后果是:我们很难探测到远月面的月震,也无法探测到深于1100-1300km的具体结构了,也就是说尽管我们知道内部的分层状况和各层状态,但对下月幔和月核的深度和密度还是有很大的不确定性。

(左上)阿波罗任务在月球上安置的几个月震仪,其中Apollo 11仅工作了三周就坏了,Apollo月震数据主要来自于12, 14, 15和16,Apollo 17处安置了一个重力仪(Kawamura et al.,2015)。(右上)四个月震仪观测到的月震情况,到1977年四台月震仪停止工作期间,共记录下了12558次月震(包括9次人工月震)(Nakamura et al., 1982)。(左下)目前认为的月球内部波速和密度随深度的(粗略)关系(Weber et al., 2011).(右下)月球内部结构(Wieczorek et al., 2006),近月面四个绿色点(A12/14,A15,A16)表示阿波罗号安装的四个月震仪的纬度。

  只不过,如今的洞察号,有更灵敏的地震仪,也有更高分辨率的MRO影像帮助定位震源位置,它希望能够单枪匹马,做的比阿波罗号更好。

  还有一个问题,虽然每多观测到一次撞击,我们就能多了解火星内部一点点,但洞察号的设计寿命只有1个火星年(约2个地球年),而陨石撞击毕竟是纯概率事件,这2年期间能观测到多少次强度足够大的陨石撞击引起的火震呢?说不好。

  只能说,或许我们需要一点耐心,还需要一点运气。

  热流探测仪

  至于热流和物理性质探测仪(Heat Flow and Physical Properties Probe,简称HP3)嘛,就简单粗暴多了。它会直接把一只“温度计”插进火星表面,这只温度计的钻头被称为“鼹鼠”,足足可以打5米深的洞,也就是说,可以测量火星表面到地下5米深的温度随深度的变化。这也将是有史以来人类在火星打的最深的洞了。

  洞察号热流探测仪工作示意图。来源:NASA,剪辑、压制:haibaraemily

  火星曾经也像地球一样有过地质非常活跃的时期,但随着内部热量的不断耗散,火星也就慢慢“沉寂”了。而通过测量火星浅表层温度随深度的变化,可以帮助我们重建火星的热演化历史,推算火星内部还有多少热,火星已经失去了多少热,火星这几十亿年来经历了怎样的热变化,火星为什么没有板块活动等等重要问题。

  哦对了,和火震仪一样,热流探测仪这事儿NASA也不是第一次干了,算是颇有经验。阿波罗13、15、16和17号登月任务也都携带了热流探测仪,不过只有15和17号安装成功(13号压根就没登月直接回去了),而且阿波罗15号的热流探测仪在钻孔的过程中发现这里的风化层比预想得硬,钻不动……结果探针并没有插到计划的深度。考虑到阿波罗15号的前车之鉴,这次洞察号选址的时候就充分考虑了测区的风化层厚度和岩石硬度(Warner et al., 2017),确保可以钻到5米那么深……

阿波罗15号安装的两个热流探针(probe 1和probe 2)(Langseth et al., 1972)

  除了火震仪和热流仪,洞察号还带了一台“自转和内部结构探测仪”(RISE)——它将通过多普勒频移测量火星的自转速度和自转轴变化。自转参数也是约束行星深层内部结构的重要依据之一。

  有了这些数据,我们就能更好地推测火星内部是啥样啦。

  而且——不止火星

  洞察号的探测结果可以帮助人类加深对整个内太阳系所有岩质天体(水星、金星、火星、地球、月球)演化的认识,追溯整个内太阳系早期的热演化历史和热分异过程。

  从这个角度来说,洞察号还将是人类追溯整个内太阳系历史的一台,时光机。

  结语

  如果说,好奇号是迄今为止最伟大的火星地球化学家和地质学家的话,那么洞察号将会是火星第一位伟大的火星地球物理学家

  人类火星探测的最后一块空白,将被洞察号探测器填上。

  PS:这次和洞察号同时发射的还有两颗微卫星,名字也很萌,叫“瓦力”和“伊娃”,它们也将是头两颗造访地球以外的其他行星的微卫星。

  参考文献

  Golombek, M., Kipp, D., Warner, N., Daubar, I. J., Fergason, R., Kirk, R. L., ... & Campbell, B. A. (2017). Selection of the InSight landing site. Space Science Reviews, 211(1-4), 5-95.

  Kawamura, T., N. Kobayashi, S. Tanaka, and P. Lognonné (2015), Lunar Surface Gravimeter as a lunar seismometer: Investigation of a new source of seismic information on the Moon. J. Geophys. Res. Planets, 120, 343–358. doi: 10.1002/2014JE004724.

  Nakamura, Y., Latham, G. V., & Dorman, H. J. (1982). Apollo lunar seismic experiment—Final summary. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 87(S01).

  Weber, R., C., Lin, P., Y., Garnero, E., J., Williams, Q., Lognonné, P., (2011) Seismic Detection of the Lunar Core. Science 331, 309. DOI: 10.1126/science.1199375

  Wieczorek, M.A., B.L. Jolliff, A. Khan, M.E. Pritchard, B.P. Weiss, J.G. Williams, L.L. Hood, K. Righter, C.R. Neal, C.K. Shearer, I.S. McCallum, S. Tompkins, C. Peterson, J.J. Gillis, B. Bussey (2006), The Constitution and Structure of the Lunar Interior. Reviews on Mineralogy and Geochemistry, , v. 60, p. 325

  Warner, N. H., Golombek, M. P., Sweeney, J., Fergason, R., Kirk, R., & Schwartz, C. (2017). Near surface stratigraphy and regolith production in southwestern Elysium Planitia, Mars: Implications for Hesperian-Amazonian terrains and the InSight lander mission. Space Science Reviews, 211(1-4), 147-190.

  Langseth, M. G., Clark, S. P., Chute, J. L., Keihm, S. J., & Wechsler, A. E. (1972). The Apollo 15 lunar heat-flow measurement. The Moon, 4(3-4), 390-410.

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