一艘最新的太空船──洞察號(InSight)才剛發射前往火星,將著手研究火星震的成因及規模大小。

在丹佛(Denver)洛克希德.馬丁公司太空系統部門(Lockheed Martin Space Systems)的無塵室內,工程師正在調整美國航太總署洞察號登陸器的太陽能板,當太空船降落在火星上時,看起來就會像是這個樣子。Photograph by Lockheed Martin, NASA, JPL-Caltech

地球上不時會有地震發生,在月球上也是如此,我們把月球上的地震稱為「月震」。那麼,在火星上呢?就叫「火星震」吧!但其實沒人曉得這顆紅色星球有多常發生火星震,規模又有多大?

但人類很快就會知道,這顆距離太陽第四近的行星究竟有多麼「搖滾」。

美國航太總署(NASA)最新的火星探測太空船──洞察號,在太平洋時間 5 月 5 日星期六上午 4 時 5 分,從加州范登堡空軍基地(Vandenberg Air Force Base)發射升空,這也是第一個從美國西岸發射的行星際探測器。洞察號將在太陽系中巡航六個月後,於 11 月 26 日與火星會合。

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洞察號和許多先前的火星任務不同,並不會探索火星地表。而是顧名思義,往下深入「洞察」火星內部,試圖研究火星從核心到外部運作的情形,這可以幫助我們了解更遙遠的外星世界正發生些什麼事情。

「行星內部所發生的事情,驅動了地表的地質活動,甚至是大氣的演變,」美國航太總署噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory)的蘇珊.斯穆瑞卡(Suzanne Smrekar)表示──她同時也是洞察號任務的副首席研究員,「我們需要了解行星的整體地質演化情形,才能知道這顆行星是否適合人類居住。」

「洞察號」會在哪裡登陸?

在降落傘通過火星大氣層後,洞察號太空船會降落在埃律西昂平原(Elysium Planitia)上。這個地方是經過特別挑選,因為此處地質活動較不明顯,另一個原因是這裡在赤道上,對以太陽能為動力的太空船來說,日照時間越長越好。

美國航太總署馬歇爾太空飛行中心(Marshall Space Flight Center)的雷尼.韋伯(Renee Weber)指出,「洞察號最主要的科學目標是行星內部的狀況,因此太空船登陸點的地表看起來如何,並不是太重要。」

好吧,那洞察號之後要去哪呢?

哪裡也不去。不像過去許多踉蹌在火星表面漫遊、越過乾涸的湖床和隕石坑的探測車,這艘太空船只會停留在一個地方,基本上它的工作內容反而是要盡可能地保持靜止不動,這樣才能偵測火星本身的活動狀態。

要如何才能輕鬆窺探行星內部呢?

美國航太總署的工程師正在無塵室內,為洞察號太空船任務進行組裝和測試工作。此照片拍攝於2015年。PHOTOGRAPH BY LOCKHEED MARTIN, NASA, JPL-CALTECH

確實,即使是對最具洞察力的太空船來說,要能穿透行星探索內部,也是非常棘手的。所以洞察號登陸器將仰賴好幾種儀器,來窺探火星內部的情形。這些儀器包含探測深度在 3 到 5 公尺之間的探測儀,探測儀還能測量行星內部的熱輻射。此外,登陸器上還有由法國國家太空總署(French national space agency)所打造的高敏感地震儀,能夠探測極為微弱的火星地震。

韋伯表示,「這個地震儀太敏感了,即使是儀器零件在火星大氣中移動,也會產生我們亟欲消除的噪音。」由於地震儀的靈敏度非常高,因此需要高真空密封的屏蔽,來消除因為風或其他火星地表事件所引起的振動,這些振動可能會讓收集到的數據產生惱人的雜訊。先前由於真空室洩漏的緣故,太空船的原定發射日期延遲了 26 個月,不過現在任務團隊非常確定,這個重要儀器已經準備就緒。

在火星待了幾個月之後,洞察號會直接將地震儀放到火星表面,科學團隊希望這樣的儀器配置,能夠避免 70 年代維京號(Viking)登陸器進行類似實驗所造成的混淆問題。如果一切順利,洞察號太空船的儀器將利用兩個地球年──或大約一個火星年──的時間,來追踪火星的震動情形。

那麼「火星震」是如何運作的呢?

這是個很好的問題。

地球上的地震是由板塊造構活動(tectonic activity)所引起。其中大部分是因為地殼的巨大板塊彼此錯動、滑動或隱沒到另一個板塊下方,或是與火山有關的岩漿活動而產生的。但火星與地球不同,火星的地殼並沒有破碎成好幾個板塊(或者至少目前沒有這方面的證據)。

即便如此,火星的確有造構活動存在,這表示火星地殼有拱彎或褶皺所形成的斷層,從內部升起的高溫物質堆積形成太陽系最大的火山。像是塔爾西斯(Tharsis)火山,就已經存在了數十億年之久。

斯穆瑞卡表示:「在我們的地球上,沒有這種存在數十億年的火山系統」(月球也沒有板塊構造,但仍然會發生月震。大部分的月震是由於月球上的潮汐力所引起,但有些是由隕石撞擊造成。)

美國航太總署洞察號太空船的後殼,正往下降到登陸器上,發射時登陸器是摺疊起來的。後殼和隔熱罩共同組成太空船氣體防護層,在太空船進入火星大氣層時保護著陸器。PHOTOGRAPH BY LOCKHEED MARTIN, NASA, JPL-CALTECH

火星震有多大呢?

嗯,沒人曉得。這項任務的主要目標之一,就是要弄清楚火星的造構活動有多活躍──火星震有多常發生?規模多大?成因又是什麼?任務團隊希望登陸器能測量到隕石撞擊所產生的震動,就像是月球上那樣。此外,還有行星冷卻時所引起的火星震,甚至可能還有遠處岩漿所發出的的隆隆震響。

「在大約 1600 公里外,過去的 100 萬至 1000 萬年間就有火山作用,」斯穆瑞卡表示:「以地質學的尺度來看,這就像是昨天才發生的。」

就像地球上的地震一樣,我們會以規模來表示火星震的大小。但由於火星上的重力和岩石組成和地球不同,在火星上如果發生了規模 5 的火星震,我們的感受不會和地球上發生規模 5 的地震相同。

在科羅拉多州的巴克利空軍基地(Buckley Air Force Base)內,工作人員正將美國航太總署的洞察號太空船裝進貨機內,準備運往加州的范登堡空軍基地。PHOTOGRAPH BY LOCKHEED MARTIN, NASA, JPL-CALTECH

韋伯表示:「我們認為火星的地震活動可能介於地球和月球之間。」

為什麼我們要關心火星震呢?

你不會想要在火星的熔岩管裡建造房屋,然後在火星震發生時,熔岩管就有可能塌陷在你的頭上,是吧?當然不會,但這樣的場景很有可能在未來發生。

就目前而言,了解火星震盪發生的頻率和規模,不僅能幫助解答火星構造的活躍程度,而且能提供關於火星演化的線索。同時,研究火星震能讓任務團隊直接測繪火星內部的情形。當震波行進時會穿過不同密度和組成的物質,有時還會在不同構造層的分界之間反彈。地震儀所接收到的震波,就攜帶了震波行進過程中所經物質的全部訊息。

「一旦我們能定位火星震事件,那就可以沿著震波路徑了解行星結構,」韋伯這麼解釋:「真的!等洞察號抵達火星之後,我們所需要的就是記錄火星震活動而已!」

洞察號太空船在火星著陸後的樣子。PHOTOGRAPH BY LOCKHEED MARTIN, NASA, JPL-CALTECH

只要科學家偵測到夠多震波,解開震波所攜帶的訊息,就能夠弄清楚火星地殼有多厚?火星的地函是否分層?火星的核心大小?火星核心是液體還是固體?在火星上的這些分層,並不像地球的分層一樣被對流作用和板塊活動混合。因此,科學家希望火星內部能將早期歷史和組成的記錄保留下來。

斯穆瑞卡表示:「我們試圖了解的重要問題之一,是行星如何從熔融狀態,演化為形成所有岩石行星都有的內層結構。」

就一艘太空船,能做這麼多事嗎?

聽起來有點瘋狂,對吧?不僅如此,洞察號的數據還有機會能與探測火星大氣甲烷的軌道衛星資料結合。火星的甲烷來源成謎已久,不少人懷疑火星上的甲烷是由地質活動所產生──但也有可能是由生物過程產生的。斯穆瑞卡表示,如果火星微量氣體任務衛星(ExoMars Trace Gas Orbiter),在洞察號偵測到造構活動的地區發現甲烷,那將會更支持甲烷的非生物起源理論。

洞察號太空船還攜帶了幾台攝影機、無線電科學實驗儀器、雷射復歸反射器,幾個氣象感測器和其他的科學儀器。此外,洞察號還跟著一對立方衛星夥伴,在洞察號進入火星大氣、下降和登陸時,訊息會藉由這兩顆衛星傳送回地球。

將來甚至還可能有個應用程式,通知地球人何時發生了火星震,那麼受訓將居住在火星上的太空人,就能夠練習躲避和遮蔽。

撰文:NADIA DRAKE

編譯:林宇威

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