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好奇号在火星表面找到新有机物

发布时间:2019-03-27 19:21:22

在这张由NASA的“好奇号”漫游车于2018年1月传回的“自拍照”中,地平线处的盖尔陨石坑若隐若现。@NASA/JPL-Caltech/MSSS

在对火星上盖尔陨石坑进行了6年左右的勘探后,NASA的“好奇号”传回了可能是自探索(火星)宜居性和寻找生命迹象以来重大的发现:火星岩石中富含有机物,以及简单的有机分子——甲烷,并且它们还会被季节性地释放到火星稀薄的大气中。根据地球的情况,类似这样的富碳化合物是形成生命的基石之一。

这两项发现要归功于“好奇号”上的火星样本分析设备(SAM),后者配备有一个小型化学实验室和烤炉,可以通过加热气体、岩石和土壤来分析每件样本的组分。古泥石样本在SAM的烤炉中释放出了多种有机分子;另一项研究则根据SAM采集了五年的大气样本数据,揭示出甲烷峰值含量在火星夏季的波动规律,研究结果于2018年6月6日发表在Science上。

这样的结果令人激动,但这两项发现还远不足以确定这些有机物是来自过去的火星生命,还是现存的火星生命。甲烷在气态巨行星的大气中很常见,同时一些没有生命参与的化学反应——比如流水和炽热的岩石之间相互作用也会产生甲烷,科学家甚至在一些陨石和星际气体云中也发现了简单的有机物。喷气推进实验室的一位化学家,同时也是项目中甲烷研究的人Chris Webster表示:“因为没有在火星岩石中发现化石,所以很难按科学方法确定那里存在生命”。

火星上消失的碳

火星上存在有机物并不稀奇。就像太阳系其他行星一样,火星也会定期接受来自太空中微小的富碳陨石和尘埃的“洗礼”。然而,NASA的“孪生海盗号(*指海盗1号和海盗2号)”探测器于1976年首次登陆火星后,却有了惊人的发现:火星土壤的碳含量似乎低于月球,而后者是一颗“死星”。法国大气、媒介和空间观测实验室(LATMOS)的空间生物学家,也是甲烷研究的合作者Caroline Freissinet表示,“这出乎所有人的意料。但不幸的是,它同样拖慢了整个火星项目的进度。”

从那时起,科学家便开始热衷于搜寻火星上消失的碳——至少要找到一个合理的解释。转机出现在2008年,当时NASA的“凤凰号”着陆器在火星北极附近发现了高氯酸盐——一种含氯的高活性分子。在宇宙高能射线与紫外线的共同作用下,高氯酸盐会破坏掉暴露在火星表面的一切有机物,几乎不会给后来的探测器留下什么。一些研究者推测,火星上仍存在有机物是因为有生命沉睡在地下深处。

然而2015年,“好奇号”在首次对火星上有机物进行试验性探测时发现了氯存在于碳混合物中的证据——当时SAM将土壤样本加热到了800℃。但研究人员发现,在一些早期的漫游车探测任务中,有部分含碳化学试剂从SAM的组件中泄漏出来,可能污染了附近的样本。为降低污染的影响,“好奇号”团队致力于寻找更多含氯有机物,同时将SAM的加热温度限制在200~400摄氏度之间。

该团队新的工作是搜寻从那个严苛的反应中(*指前文提到的高氯酸盐破坏有机物)幸存的物质。仔细剔除SAM造成的 “背景”污染后,Freissinet和同事将一些30亿年前的古泥石样本加热到500摄氏度——在这一温度下高氯酸盐完全分解,在留下的灰烬中她们发现了噻吩——一种由碳和硫元素组成的相当小而简单的环状分子。她们认为,其中的硫元素来自一种叫做黄钾铁矾的矿物,之前“好奇号”考察盖尔陨石坑时发现过这种物质,后者形成于陨石坑仍然温暖、湿润而且显然适合生命存活的时候,而且已经存在了35亿年之久。研究者推测,

好奇号在火星表面找到新有机物

噻吩中的碳元素来自未被发现的大分子有机物,而这种有机物则可能在数十亿年前就已经被黄钾铁矾吸收了。

尽管这一发现是拼凑而来,但卡内基科学研究中心的地质化学家George Cody(他没有参与这项工作)却认为这是一个振奋人心的进步。他表示这些大分子的存在意味着碳元素被完好地保存在火星地表下——这一展望将增强对后续采样并返回地球项目(的信心)。“如果在火星上能办到这一步,无疑地球上拥有诸多分析设备的我们能做得更多。”

甲烷(含量)峰值和季节波动

与此同时,“好奇号”已经着手展开Webster所说的“迄今为止重要的火星甲烷含量测量”。这非常重要,因为地球上大部分甲烷都是由厌氧的产甲烷菌释放的。暴露在紫外线下的甲烷同样很快会被破坏,所以在火星上发现的甲烷很可能是新近产生的。借助于SAM,Webster及其同事在盖尔陨石坑上空的大气中发现了稳定的甲烷含量——过去5年间一直维持在十亿分之零点四的水平——几乎是可探测下限,但足以引起天体生物学家的兴趣。甲烷含量会随着火星的季节变化周期性变化——在有日照的夏季,甲烷水平高出昏暗、阴冷的冬季三倍左右。

这一周期现象是Webster团队得到的振奋人心的成果。先前已经有研究发现,火星上存在零星的甲烷羽流,但并未发现它会季节性重复。他打比方说,“如果你的车只是偶尔出现点问题,就很难确定故障所在。”他和团队猜测,火星夏季含水层融水和地下深层的岩石反应,进而释放出了甲烷;也可能是数十亿年前因地质和生物过程产生并封存在冰和岩石中的甲烷,因阳光照射解冻而逸出。当然,也存在这样一种可能:火星地下的产甲烷菌处在休眠中,只是周期性地在温暖的时期苏醒并释放出甲烷。

其他没有参与这项研究的科学家则对这一发现在搜寻(火星)生命迹象上的重要性持不同看法。戈达德航天中心的天体生物学家Michael Mumma认为这种测量非常重要,而且为他之前通过地球上的望远镜独立观测到的具有争议性的甲烷羽流提供了有力的证据。而NASA约翰逊航天中心负责采集宇宙尘埃的行星科学家Marc Fries则对此持怀疑态度。他指出一些含碳的陨石和尘埃掉入火星大气也可以产生报告中提到的甲烷水平,而且(甲烷含量的)周期性和火星季节变化不完全一致。他表示“一个基于现有证据,而且在科学上可靠的解释是火星上从没有生命存在;推翻这一假设需要非常强有力的证据。”这样的证据可能很快就会出现——借助于欧洲—俄罗斯联合研制的ExoMars微量气体轨道器传回的数据。轨道器已于2016年抵达火星,目前正从高处绘制甲烷和其他一些气体的浓度地图。

Webster表示,他本身不偏向于任何一种假设,并认为得到终的结论要花费很长时间。Freissinet指出,这样的进步是NASA火星探测项目的全部意义,“探索过程就是一步一步,循序渐进的。”

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翻译:张宇哲

审校:董子晨曦

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