今年7至8月是火星探测器的发射窗口期,中国、美国、阿联酋都计划在近期发射火星探测器。

图|theverge

NASA决定将它名为“毅力号”的火星探测器的发射时间推迟一周,这使得它的发射时间十分接近它十分有限的发射窗口期,即从7月17日至8月11日。如果错过这次机会的话,NASA要等到年才能再次尝试发射。

7月8日,科学撰稿人锡德·珀金斯(SidPerkins)在《美国科学院院报》(PNAS)网站发文,《Lavatubesmaybehavensforancientalienlifeandfuturehumanexplorers》(直译为《熔岩管可能是古代外星生命和未来人类探险家的庇护所》),建议将探测岩洞中的生命迹象作为火星探测计划的任务之一,因为这些岩洞有可能是火星生命最好的庇护所,也很有可能成为火星殖民者的第一家园。

报道全文编译如下:

图片来源:UnderEarthImages/DaveBunnell(摘自原文)

月球和火星上的熔岩洞,可以为航天探险者们提供栖息地以及地质勘探的机会。

在新鲜、荒凉、热气腾腾的地表下,熔融的岩石仍然可以深入地下,雕刻出可以延伸数十公里的洞穴。在地球上,冷却后的熔岩管是对洞穴探险家的挑战;而在月球和火星上的熔岩管则引起了行星地质学家、天体生物学家和探险家的兴趣。

除了提供一个了解地质历史的窗口,熔岩管还提供了相对稳定的环境条件,很可能比在行星表面发现的环境条件更宜人。这些管子也许能成为生命的庇护所,从微生物直到来自地球的太空殖民者。

如果火星曾经出现过生命,它可能会随着星球的演化、地表条件的日益恶劣而进入这样的避难所。事实上,一些研究人员认为,在这颗红色星球的地下避难所里,微生物可能还存在。

几十年来,科学家们为了寻找远古生命的迹象,一直在扫描火星表面。图|NASA

“在火星和其他地方,熔岩管有可能是生存与死亡的决定性因素。”美国宇航局艾姆斯研究中心的行星研究员帕斯卡·李(PascalLee)说。

李说,无论在哪里发现熔岩管,它们在科学上都是非常奇异的。他指出,如果火星探测任务能兼顾地表与地下,“才是一举两得的好法子”。

1、因熔岩流而生

由地下而来的熔岩流几乎可以在任何地方铸成熔岩管,其中稳定的低粘度熔岩流最容易形成熔岩管。

图|reference

熔岩是指被加热到足以使其变成浓稠液体的岩石。熔岩通常与火山的熔岩有关。

熔岩管的成形与河流结冰差不多:流动的熔岩在散热,它的表面会冷却和凝固;但在流动的边缘,冷却的速度更快,而熔岩的移动缓慢。

李解释说,最终,熔岩流在海岸之间的陆地上冻结,这会使下面的熔岩失去直接向上辐射热量,或被风冷却的可能,从而将其隔离。

然后,当熔岩的来源开始减弱,或者当熔岩流掘进或融化到下面的岩石中,或者两者兼而有之时,熔岩就会从管道中流出,留下一个光滑的、壁厚的洞穴。

熔岩流会融化到下面的岩石中。今年2月,在美国圣安东尼奥举行的第三届国际行星洞穴会议上,德克萨斯大学圣安东尼奥分校地质学家艾伦·惠廷顿(AlanWhittington)发表讲话说,如果熔岩流湍急,熔岩每天可以向下侵蚀1米。

因此,长期、大量的熔岩流形成的管道可能是巨大的。地球上已知最长的熔岩管——65公里长的Kazumura洞穴,位于夏威夷大岛上,从基拉韦厄火山一直延伸到大海。在一些地方,这根管子宽21米、高18米,足够容纳一个大尺寸的房子。

然而,几乎可以确定,月球和火星上的熔岩管会更大。30至40亿年前,这两个天体都有频繁的火山活动。长期以来,沟槽状地貌被怀疑是坍塌的熔岩管;最近,更有力的证据出现了,轨道探测器拍到了这些地下洞穴的入口。

这些被称为“天窗”的开口,很可能是在熔岩管的顶部塌陷时形成的。月球上第一个这样的特征——一个直径50米、深数十米的洞,是在十多年前由日本赛琳娜轨道飞行器拍摄的图像中发现的。

从那时起,在月球上又发现了更多的天窗;在火星轨道飞行器拍摄的图像上也发现了数百个可能的天窗,其中第一个天窗拍摄于20世纪70年代中期。

地球上的熔岩管,从夏威夷基拉韦厄火山熔岩管这样比较年轻的,到几十万岁甚至更久的都有。

一些刚形成的管道可能还没有被标记在地图上,但在某些地区,它们已经延伸了几十公里。

例如,在加州的熔岩床国家纪念馆,多个熔岩管总计延伸了至少公里。

图片来源:NASA/Goddard/ArizonaStateUniversity(摘自原文)

天窗投射到月球MareTranquillitatis下方的熔岩管中的阴影表明,这可能有多米深。

2、人类的定居地?

数十年来,研究人员一直推测,月球和其他星球的熔岩管可能成为星际殖民者理想的居住空间。

图|ScienceAlert

科学家认为他们已经发现了通往月球极地冰层的熔岩管。

美国宇航局喷气推进实验室的地质学家劳拉·克伯(LauraKerber),在洞穴会议上解释说,这些管子之所以吸引人有很多原因。

首先,保护环境免受宇宙射线、太阳高能粒子和紫外线等辐射的影响。第二,岩石屋顶像是一个防护罩,可以防止微陨石刺穿太空服和建筑物。此外,和地球上一样,地下环境也会减少温差的影响——在月球上,温差变化极端剧烈。

月球勘测轨道飞行器在年至年间收集的数据显示,月球赤道附近的温度在白天可以达到℃,而在长达两周的夜间,温度会骤降到零下℃。

不过,殖民者是否真的能利用这些好处是个问题。惠廷顿说,考虑到天窗边缘的地质可能不稳定,以及现有宇航服的移动性能有限,要将人降到地下的岩洞里,然后再把他们弄出来,这将是一个很大的挑战。

还有安全问题。尽管在洞里安家的想法听起来很浪漫,但李说:“事实的真相是洞穴很危险。”

尤其是在天窗附近,洞穴顶部已经显示出坍塌的倾向。人类活动很可能会进一步破坏它们的稳定性,或者导致天窗边缘周围的物质崩塌。

“熔岩管可能是令人兴奋的探索,但并非一个安全的住所。”李说。

3、无需钻井的探测通道

无论熔岩管是否可以成为星际殖民者的家园,它们都将为地质研究提供大量素材。西南研究所的天体生物学家查理提·菲利普斯-兰德(CharityPhillips-Lander)在行星洞穴会议上说:“洞穴提供了进入地下的通道,而无需在飞船中增加钻井器械的荷载。”

阿波罗计划中登上月球的宇航员,在月球表面收集岩石和土壤时,钻入月球表面的深度从未超过2.9米。

相比之下,月球天窗的岩壁厚度可达数十米,并且有明显的分层。克伯指出,这些岩层中的一些可能是古代熔岩流形成的,做年代分析可以测定火山活动发生的时间和频率。

夹在这些地层之间的可能是一层层的风化层,或者粉碎的岩石,它们是由陨石不断撞击形成的。这些夹层的厚度有助于研究人员估计此类撞击发生的速率。

这些撞击的速度和时间与地球所经历的大致相同,因此它们可能会揭示出生命出现时地球的环境,以及它是否在再次出现之前被扼杀。

此外,对这些物质进行详细的化学分析,可能会揭示太阳风过去变化的信息,因为太阳风的带电粒子也被困在风化层中。追溯太阳风的历史也可以揭示地球古代气候的变化——在活跃期的太阳会释放出更多的带电粒子辐射,从而导致地球变暖。

克伯和同事们提出了一个到达天窗层的想法:月球车部署一个索降机器人,其轮子塞满仪器和传感器。

研究人员尽可能接近天窗(洞口附近的斜坡不稳定,且坡度可达20°),月球车将机器人放下,两者之间用一条长达米的缆绳连接,通过缆绳提供电力和通信。按照这个设想,机器人携带的仪器包括三个高分辨率照相机、一个收集不同波长图像的显微镜和一个分析矿物成分的分光计。

其他工具包括一个小磨床,以清除表面锈迹和裸露的岩石。

克伯指出,限制这一任务进行的一大障碍就是时间。登陆器需要在大约14天的时间内(即月球的日出和日落之间)降落在月球上,展开月球车,并进行分析。因为月夜异常寒冷的条件,可能会对脆弱的电子设备、传感器和电池造成严重破坏,以致于它们无法在第二个月球黎明到来时恢复工作。

4、火星家园

水生矿物的发现,以及由轨道探测器、着陆器和探测器收集的其他数据表明,数十亿年前的火星比现在更温暖、更潮湿、大气层更厚。

古火星曾经比较温暖潮湿。图|NASA

如果生命曾经在这颗红色星球上进化,如果它与地球上的生命相似,那么今天它不可能在火星表面生活,李说。

除了寒冷和干旱,火星地表还暴露在大量紫外线辐射下。火星缺乏强磁场,这意味着来自太阳的宇宙射线和高能粒子可以自由流动,增加辐射危害。

火星上猛烈的沙尘暴中带有静电,有助于产生一种名为高氯酸盐的活性化学物质,这种物质对任何类地球生命都是有毒的。

李指出:“但是当你把目光投到地下,这些不利条件都消失了。”

菲利普斯-兰德对此表示赞同:“如果那里有生命,或过去曾有生命存在,它最有可能出现在地下,远离严酷的地表条件和变化。”

就像在月球和地球上一样,火星上的熔岩管可以提供一个相对稳定的环境。

即使这种环境并不适合今天的生命生存,它也可能是生命在一个垂死星球上最后的坚持。当大型地外物体撞击更为普遍的时候,熔岩管也可以保护生命免受许多破坏性影响。

因此,菲利普斯-兰德在洞穴会议上提出,美国宇航局火星探测计划的目标之一,应该是确定熔岩管中是否有迹象表明,过去或现在在火星上存在生命。

这些迹象可能包括有机化学物质,它们在一定波长的光下会发出荧光;或者微生物群落形成的可见生物膜残留。新墨西哥大学的矿物学家迈克尔·斯皮尔德(MichaelSpilde)说,如果没有这样明显的生命迹象,那么过去生命的其他迹象——例如化石化的微生物细丝甚至化石细胞——可能会出现在洞穴壁上,然后被保存下来。

探索月球和火星上的熔岩管,不仅可以提供有关这些天体及其撞击历史的信息,而且可以获得有关地球和太阳的信息。

克伯说,这些特征“就像时间胶囊一般,记录了太阳系的早期历史。”

关于作者

锡德·珀金斯(SidPerkins)是一名自由科学记者,常驻田纳西州克罗斯镇。他擅长地球科学和古生物学,但也经常涉及天文学、行星科学、材料科学和工程等主题。

*编译稿件仅供参考,原文以英文原文为准。点击阅读原文查看。文中图片除注明外,均为编辑所加

编辑|Kai

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