火星上的夏普山到底怎么形成的？NASA的“好奇号”探测器有望给出答案

美国国家航天局(NASA)的火星探测器“好奇号”(Curiosity)展示了一些新的科学力量，并解开了火星这颗红色星球上的一个谜题。

一项最新研究报告称，任务小组成员重新设计了探测器的导航装置以测量引力场中的微小变化。这一新颖设计使研究人员能够弄清楚“好奇号”正在探索的巨大火星山是如何形成的。换句话说，它可能是由风吹的沙子和沉积物沉积而成的独立土丘。

“往前看，我觉得这项研究展示了在其他行星表面进行重力测量的前景。”该研究的主要作者、马里兰州约翰霍普金斯大学地球与行星科学系助理教授凯文·路易斯(Kevin Lewis)说道。

路易斯说道：“它真的能提供关于地表下岩石的数据，该数据是其他任何仪器都难以获得的。”

2012年8月，汽车大小的“好奇号”火星探测器降落在96英里(154公里)宽的盖尔环形山(Gale Crater)底面，任务是调查该区域过去是否可能存在生命。这项工作取得了令人难以置信的成果：据“好奇号”的观测显示，在远古时期，盖尔环形山可能在长达数亿年里拥有一个湖泊和溪流系统。

盖尔环形山之所以吸引人，还有其他原因。例如，其中心还有一座山高3.4英里(5.5公里)的山——这种戏剧性的地质奇观在地球上闻所未闻。

科学家们长久以来一直在争论这个名为夏普山(Mount Sharp)的奇怪山体是如何形成的。它是曾经填满盖尔陨坑但被侵蚀殆尽的沉积结构的残余物吗?还是夏普山开始就是这种形式，随着火星上的风把尘土和沙子吹进盖尔环形山而日渐变大?

这就是这篇研究的意义所在。路易斯和他的同事在“好奇号”穿越过的路线上超过700个点区绘制了引力场强度图，“好奇号”已经从盖尔环形山底部慢慢升到了夏普山的丘陵地带。(引力场会随着高度的增加而减弱，因此离行星中心的距离也会增加。)

利用这些“重量测量法”，研究人员计算出了“好奇号”轮子下岩石的密度大约为168立方米/千克。密度很低，意味着这些岩石上有很多孔。

使用“好奇号”火星漫探测器工程加速度计(灰色)进行的测量显示，当探测器攀登夏普山时，重力强度有所下降。模拟的重力信号(黑色)衰减的速度使得研究人员能够测量构成夏普山的岩石密度。图源：Kevin Lewis

路易斯说:“这些岩石可能更像是一种压实的土壤，而不是你想象的那种粘合得很好的精密岩石。”

他补充说，如果这些沉积物曾经被埋在3英里(5公里)深处，上面还有其他沉淀物，那么它们密度肯定会(比现在)大得多。因此，新的研究结果认为，夏普山主要是由风吹积的沉积物形成的，而不是陨石坑里堆满沉积物后遭腐蚀留下的残余物。

路易斯强调，这并不是说盖尔陨石坑过去不曾有过一个可能适合居住的湖泊。“好奇号”对湖床沉积物的观察有很大把握证实水体的存在。但显然这些沉淀物显然没有到达环形山边缘，但目前还不清楚它们到达的具体高度——位于夏普山的斜坡上的湖沉积物和被风吹积的沉积物之间的过渡。

刘易斯透露，轨道观测发现了一个有趣的“不一致”现象——之前连续沉积岩石记录的中断。中断地点位于“好奇号”目前所在位置上方2600英尺(800米)处。这个地方可能就是沉积物到达的高度，可以把它列为候选位置。

刘易斯说:“我们拭目以待，看看“好奇号”是否能到达那里，是否能找到从山上滚下来的碎片。但我们可能需要做更多探索才能找到这个过渡。”

让我们回过头来继续看引力数据。“好奇号”没有携带任何专门的引力测量仪器，那么路易斯和他的团队是如何进行测量的呢?

跳出思维定势想想看。“好奇号”有两个“探测器惯性测量单元”(RIMUs)，一个主单元和一个备用单元。两个单元都由三个加速度计和三个陀螺仪组成，由“好奇号”的操控者用来给“好奇号”导航并确定其方位。但路易斯想知道，这些工程数据是否可以重新校准用来获得有关引力场的信息。

“这件事我想了很久，”他说，“我没有期望有足够高的用作科学目的精确度，但我开始研究数据并校正温度和其他变量等复杂的因素。随后，你瞧，精确度达到了一个实际上具有科学意义的点。”

因此，研究小组能够在另一颗行星的表面进行有史以来第一次的“重力路线”。路易斯说，唯一在地球以外完成的此类工作是1972年阿波罗17号宇航员在月球上完成的。

路易斯说，未来的火星和其他行星探测器任务也可以进行类似的测量。但他的团队使用的策略并非普遍适用。例如，研究人员可能无法用NASA的“勇气号”和“机遇号”火星探测器多年来收集的工程数据进行重力测量。路易斯说，这两个高尔夫球车大小的机器人收集工程数据的方式略有不同。