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"好奇"号首次测定火星地表岩石年龄 约40亿岁

http://www.kexue.com 2013-12-20 10:02:18 新浪科技  发表评论


这张合成图像由好奇号桅杆相机拍摄,可以看到大量的沉积岩层,这里的视野方向是从黄刀湾地区朝向西-北西方向

这张示意图展示的是理论上认为古代盖尔陨坑内部曾经存在的一个湖泊的形态

  近日好奇号项目组接连在《科学》杂志上发表文章,报告了一系列重要的进展。好奇号在火星的工作正为科学家们提供窥视火星过去与现在环境的重要窗口,也将为未来载人登陆火星奠定基础。

  自从去年8月6日登陆火星以来,好奇号已经在这颗红色星球上度过了将近一年半的时间。在此期间好奇号测定了火星地表岩石的年龄,找到了火星曾经拥有可让微生物存活环境的证据,还首次测定了火星地表环境的辐射水平。

  测定火星岩石年龄

  “Cumberland”是好奇号在火星上钻探取样的第二块岩石,也是第一块被在原地进行就地年龄分析的岩石样品。美国加州理工学院的肯尼斯-法雷(Kenneth Farley)教授发表的一篇论文详细报告了对这块岩石的分析过程。该团队测量数据显示这块火星岩石的年龄大致在38.6~45.6亿年之间。这也符合此前科学家们对盖尔陨坑的年龄估算。

  法雷教授表示:“这一年龄值并不令人意外,令人感到惊奇的是,这是我们首次直接在火星上进行这样的测量分析。”他说:“你知道,当你首次应用某种方法进行测试时,你可不会希望得到一个完全出乎意料的结果。而现在,看起来我们此前对于火星地表年龄的估算还是靠谱的。”

  这一成就即便在去年好奇号刚刚着陆的那段时间都还被认为是不可能做到的。但法雷教授和他的团队将地球上一种已经被应用超过60年的成熟放射性测年技术应用到了火星上。这种定年方法就是所谓“钾-氩定年法”。当岩石处于熔融状态时,氩作为一种气体会从液体中析出逃逸。而这种技术便是测定当岩石凝结之后岩石中的氩含量有多高。

  在科学家们能够直接测定火星地表岩石样品的年龄之前,他们只能通过火星地表被陨星撞击形成的陨石坑的密度和大小分布并将其与其他星球上的情况进行对比来判断其古老程度。这些计数结果经过与阿波罗时代月岩返回样品的测年分析结果进行比对和校正。

  法雷教授的小组还通过分析测定了这块岩石暴露于火星地表或是接近地表的浅地下的时间长短。由于当岩石位于地表或浅地下时,宇宙射线会直接轰击其矿物成分中的原子并产生特征气体产物,而好奇号携带的仪器可以测定岩石中这些特征气体的含量。

  测量的结果是,通过对3种不同气体的测量,这块岩石的暴露年龄大约是6000万~1亿年之间。这一结果意味着这块岩石是在相对近期才被从地下深处剥蚀暴露出来的。考虑到好奇号观察到的火星近地表风沙的侵蚀作用强度,这一分析结果很有可能证明了火星地表风沙可以侵蚀掉较厚岩层的事实。随后在不断的风沙侵蚀中不断后退的岩层形成陡直的岩壁。

  法雷教授表示:“这一暴露速率快的惊人,那些暴露年龄最年轻的岩石应当就位于被风沙侵蚀的岩壁附近。”

  从岩石到构成生命的元素

  寻找暴露年龄最小的岩石对于好奇号项目组探究火星早期环境中是否拥有有机化合物的工作非常重要。有机化合物是构成生命的基本元素,尽管它们有时也可以通过非生物的方式在自然界中合成出来。

  美国宇航局约翰逊航天中心的道格-明(Doug Ming)表示:“我们正逐渐接近回答这样一个问题,即火星上是否曾经存在过有机物质。”他说:“实际上我们已经探测到有机物,但我们目前还不能排除这些有机物是地球上带过去的污染物的可能性。”好奇号在对岩石“Cumberland”样品进行分析时得到的结果要比此前使用火星土壤或者不放入任何样品进行空测时得到的结果更高,并且当增加放入分析设备的岩石粉末样品时检测到的有机成分含量也越多。

  宜居环境

  道格-明是近日发表的一系列文章中有关“黄刀湾”地区的论文的第一作者。好奇号项目组在大约10个月前报告称好奇号在黄刀湾地区进行了首次岩石钻探,当时那块岩石名为“John Klein”,分析的结果证明火星在古代应当曾经拥有适合微生物生存的宜居环境。黄刀湾地区的干涸河床富含粘土矿物,可以为古代可能存在的微生物提供关键的化学物质,另外这一地区的水体酸碱度和盐度适中,并且拥有能量源。这里的能量源在地球上就可以看到类似的案例:很多生活在岩石中的微生物,它们以岩石为食,某些含有硫和铁的矿物是电子的良好受体,另外一些矿物则是电子的良好输出体,就像是电池的两个极。

  好奇号在这里不但达成了其搜寻火星古代宜居环境的目标,还发现这种宜居环境的存在时代要比原先想象的更加近代,并且探测结果证明这种宜居的环境可能还曾经持续维持长达数百万年之久。

  好奇号还首次进行了火星地表的辐射环境测量,这对于未来载人登陆火星的计划意义重大。

  对于黄刀湾地区宜居环境的存在时间以及持续时间的考察结果来自对这一地区的岩石成分以及成层性进行的分析。研究人员认为在大约40亿年前,火星拥有足够多的淡水水量来形成粘土矿物,甚至可能支持生命的存在。但在那之后火星经历了严重的干涸过程,使其地表剩余的液态水都成为高酸性或高盐度的水体。而这里存在的问题就是,黄刀湾地区的粘土矿物究竟是在早期形成于盖尔陨石坑的外缘地区随后掉落下来的,还是形成于后期,是水流将盖尔陨坑的物质颗粒输送到底部并沉积形成的。

  纽约州立大学石溪分校的地质学家斯科特-麦克莱能(Scott McLennan)与合作者发现这里岩石中的化学元素显示这些颗粒是从上游方向源区被运送而来,抵达了黄刀湾地区,并且绝大部分的侵蚀作用发生于这些物质沉积完成之后。风化作用会将火山矿物转变为粘土矿物,但如果风化作用发生在上游地区,那么某些最容易流失的元素,如钙和钠就应当呈现显著的缺失现象。但分析的结果是,科学家们未能发现这种显著的元素流失。

  亚利桑那州图森行星科学研究所的大卫-瓦尼曼(David Vaniman)和合作者们在对黄刀湾地区沉积岩其它矿物进行分析之后找到了另外的证据。他们发现这里的沉积岩中缺乏橄榄石,但却富集磁铁矿,这表明这些岩石是在被冲刷到下游之后才被转变为粘土矿物的。而蒙脱石的存在则可以告诉我们粘土矿物形成时候的地质条件。

  瓦尼曼表示:“蒙脱石是一种典型的湖泊沉积粘土矿物。在地球上,在蒙脱石存在的地方你往往能发现丰富的生物生存环境。”

  美国加州理工学院的约翰-格罗岑科(John Grotzinger)分析了黄刀湾地区岩石的层状结构并指出这一地区的宜居环境的存在年代从火星的角度来说相对年轻。它属于火星地质年代上的一个纪,即赫斯伯利亚纪,当时火星的一部分地区已经变得干燥,水体呈酸性,当时距今不到40亿年,当时正值地球上最早的生命开始出现的时期。

  格罗岑科表示:“随后这种宜居环境存在的时候比很多人原先设想的更久。这一点拥有全球性的影响。这一时期火星上存在很多河流三角洲,冲积扇,火星上很多地方都有地表液态水。但很多人认为这样的状况并没有持续很久,因而无法形成粘土矿物。因此他们的思维方式便是:如果这里发现了粘土矿物,那么那一定是从其他更古老的区域被流水冲刷过来的。而现在,我们证明了粘土可以在更晚的时期形成,这样火星上可能拥有宜居环境的地点就会大大扩展。”

  研究显示火星黄刀湾地区的宜居环境很可能持续存在了数百万乃至上千万年之久。在那一时期地表曾经存在河流和湖泊,但后来逐渐消失了。但即便地表开始干涸,近地表下的土层可能仍然是潮湿的,这一点可以从火星当地岩石裂隙中沉积的矿脉得到证明。当地沉积岩的厚度可以让科学家们推算其存在的时间长度,而在此发现可作为微生物能量源的矿物组合则更加支持这里曾经存在宜居环境的观点。

  载人登陆火星

  此次好奇号公布的一系列考察结果中有一项特别引人注目,那就是首次对火星地表的辐射环境进行了测量。来自银河深处的宇宙射线以及太阳的高能粒子流不断轰击火星表面,根据美国宇航局西南研究所唐-哈斯勒(Don Hassler)博士的报告,从2012年8月至2013年6月,地表辐射通量平均为每天0.67毫西弗。相比之下,做一次X胸片的辐射剂量约为0.02毫西弗。在好奇号在火星上进行测量的这10个月期间没有经历任何显著影响到火星的太阳爆发事件,因此其中大约有95%的辐射剂量来自宇宙射线。

  这一地表辐射测量数据对于未来设想中的载人火星项目具有重要的参考价值。好奇号在飞往火星的途中也进行了空间的辐射剂量测量,加上之后好奇号在火星地面上进行的测量数据,这样便构成了未来人类前往火星途中和抵达之后完整行程中的辐射剂量预期数据,现在可以预期未来进行一次太阳周期相似的往返载人飞行期间,宇航员将会遭受的辐射剂量大概是在1000毫西弗的水平上。

  长期的人群观测研究已经证明,暴露于辐射环境下将增加人类罹患癌症的几率。暴露于1000毫西弗的辐射剂量下将让人类患上癌症的几率增加5%。美国宇航局目前对于工作在近地轨道上宇航员的这一限制值是3%。美国宇航局正在与美国国家科学院医学研究所开展合作,来研究长期太空飞行过程中面临的辐射暴露问题。

  好奇号此次对火星地表辐射环境的测量结果符合此前的理论计算。但这些新的数据将帮助科学家和工程师们创建更好的模型来预测未来载人登陆火星时宇航员们可能面临的风险。科学家们也将能以此为依据设计出更好,更能够保护宇航员们的宇航服和防护材料。

  哈斯勒表示:“我们的测量结果为未来载人登陆火星的任务提供了关键性的信息。我们将继续进行环境辐射测量,并观察在不同的太阳活动周期期间太阳活动对火星地表辐射环境的影响。我们的测量对于考察火星的宜居环境同样重要。对于人体有害的辐射剂量同样会影响微生物的生存并破坏有机物的保存。”

  根据哈斯勒的计算,假如在火星近地表深度2英寸(约合5厘米)以内的岩石内部保存有有机化合物,那么按照此次好奇号测得的地表辐射剂量水平数据,在大约6.5亿年的时间内这些有机化合物的含量将下降1000倍。然而正如好奇号此次钻探并测定年龄的“Cumberland”岩石样品,其暴露在宇宙射线中的时间不过6000万~1亿年。研究人员们认为,这些岩石的暴露年龄相对较短,假如其内部保存有有机化合物,那就应当更有希望被检测出来。即便火星其实从未出现过任何的生命形式,那么大量的陨石撞击火星时携带的有机物质也将有可能可以被探测到。(晨风)

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