好奇號首次測定火星地表岩石年齡：約40億年

新浪科技訊 北京時間12月20日消息，據美國宇航局好奇號項目官網報導，近日好奇號項目組接連在《科學》雜誌上發表文章，報告了一系列重要的進展。好奇號在火星的工作正為科學家們提供窺視火星過去與現在環境的重要窗口，也將為未來載人登陸火星奠定基礎。

自從去年8月6日登陸火星以來，好奇號已經在這顆紅色星球上度過了將近一年半的時間。在此期間好奇號測定了火星地表岩石的年齡，找到了火星曾經擁有可讓微生物存活環境的證據，還首次測定了火星地表環境的輻射水平。

測定火星岩石年齡

“Cumberland”是好奇號在火星上鑽探取樣的第二塊岩石，也是第一塊被在原地進行就地年齡分析的岩石樣品。美國加州理工學院的肯尼斯·法雷(Kenneth Farley)教授發表的一篇論文詳細報告了對這塊岩石的分析過程。該團隊測量數據顯示這塊火星岩石的年齡大致在38.6~45.6億年之間。這也符合此前科學家們對蓋爾隕坑的年齡估算。

法雷教授表示：“這一年齡值並不令人意外，令人感到驚奇的是，這是我們首次直接在火星上進行這樣的測量分析。”他：“你知道，當你首次應用某種方法進行測試時，你可不會希望得到一個完全出乎意料的結果。而現在，看起來我們此前對於火星地表年齡的估算還是靠譜的。”

這一成就即便在去年好奇號剛剛陸的那段時間都還被認為是不可能做到的。但法雷教授和他的團隊將地球上一種已經被應用超過60年的成熟放射性測年技術應用到了火星上。這種定年方法就是所謂“鉀-氬定年法”。當岩石處於熔融狀態時，氬作為一種氣體會從液體中析出逃逸。而這種技術便是測定當岩石凝結之后岩石中的氬含量有多高。

在科學家們能夠直接測定火星地表岩石樣品的年齡之前，他們只能通過火星地表被隕星撞擊形成的隕石坑的密度和大小分佈並將其與其他星球上的情況進行對比來判斷其古老程度。這些計數結果經過與阿波羅時代月岩返回樣品的測年分析結果進行比對和校正。

法雷教授的小組還通過分析測定了這塊岩石暴露於火星地表或是接近地表的淺地下的時間長短。由於當岩石位於地表或淺地下時，宇宙射線會直接轟擊其礦物成分中的原子併產生特徵氣體物，而好奇號攜帶的儀器可以測定岩石中這些特徵氣體的含量。

測量的結果是，通過對3種不同氣體的測量，這塊岩石的暴露年齡大約是6000萬~1億年之間。這一結果意味這塊岩石是在相對近期才被從地下深處剝蝕暴露出來的。考慮到好奇號觀察到的火星近地表風沙的侵蝕作用強度，這一分析結果很有可能證明了火星地表風沙可以侵蝕掉較厚岩層的事實。隨后在不斷的風沙侵蝕中不斷后退的岩層形成陡直的岩壁。

法雷教授表示：“這一暴露速率快的驚人，那些暴露年齡最年輕的岩石應當就位於被風沙侵蝕的岩壁附近。”[NT:PAGE=$]

從岩石到構成生命的元素

尋找暴露年齡最小的岩石對於好奇號項目組探究火星早期環境中是否擁有有機化合物的工作非常重要。有機化合物是構成生命的基本元素，盡管它們有時也可以通過非生物的方式在自然界中合成出來。

美國宇航局約翰遜航天中心的道格·明(Doug Ming)表示：“我們正逐漸接近回答這樣一個問題，即火星上是否曾經存在過有機物質。”他：“實際上我們已經探測到有機物，但我們目前還不能排除這些有機物是地球上帶過去的污染物的可能性。”好奇號在對岩石“Cumberland”樣品進行分析時得到的結果要比此前使用火星土壤或者不放入任何樣品進行空測時得到的結果更高，並且當增加放入分析設備的岩石粉末樣品時檢測到的有機成分含量也越多。

宜居環境

道格·明是近日發表的一系列文章中有關“黃刀灣”地區的論文的第一作者。好奇號項目組在大約10個月前報告稱好奇號在黃刀灣地區進行了首次岩石鑽探，當時那塊岩石名為“John Klein”，分析的結果證明火星在古代應當曾經擁有適合微生物生存的宜居環境。黃刀灣地區的乾涸河床富含粘土礦物，可以為古代可能存在的微生物提供關鍵的化學物質，另外這一地區的水體酸鹼度和鹽度適中，並且擁有能量源。這裏的能量源在地球上就可以看到類似的案例：很多生活在岩石中的微生物，它們以岩石為食，某些含有硫和鐵的礦物是電子的良好受體，另外一些礦物則是電子的良好輸出體，就像是電池的兩個極。

好奇號在這裏不但達成了其搜尋火星古代宜居環境的目標，還發現這種宜居環境的存在時代要比原先想象的更加近代，並且探測結果證明這種宜居的環境可能還曾經持續維持長達數百萬年之久。

好奇號還首次進行了火星地表的輻射環境測量，這對於未來載人登陸火星的計劃意義重大。

對於黃刀灣地區宜居環境的存在時間以及持續時間的考察結果來自對這一地區的岩石成分以及成層性進行的分析。研究人員認為在大約40億年前，火星擁有足夠多的淡水水量來形成粘土礦物，甚至可能支持生命的存在。但在那之后火星經歷了嚴重的乾涸過程，使其地表剩餘的液態水都成為高酸性或高鹽度的水體。而這裏存在的問題就是，黃刀灣地區的粘土礦物究竟是在早期形成於蓋爾隕石坑的外緣地區隨后掉落下來的，還是形成於后期，是水流將蓋爾隕坑的物質顆粒輸送到底部並沉積形成的。

紐約州立大學石溪分校的地質學家斯科特·麥克萊能(Scott McLennan)與合作者發現這裏岩石中的化學元素顯示這些顆粒是從上游方向源區被運送而來，抵達了黃刀灣地區，並且大部分的侵蝕作用發生於這些物質沉積完成之后。風化作用會將火山礦物轉變為粘土礦物，但如果風化作用發生在上游地區，那麼某些最容易流失的元素，如鈣和鈉就應當呈現顯著的缺失現象。但分析的結果是，科學家們未能發現這種顯著的元素流失。[NT:PAGE=$]

亞利桑那州圖森行星科學研究所的大衛·瓦尼曼(David Vaniman)和合作者們在對黃刀灣地區沉積岩其它礦物進行分析之后找到了另外的證據。他們發現這裏的沉積岩中缺乏橄欖石，但卻富集磁鐵礦，這表明這些岩石是在被沖刷到下游之后才被轉變為粘土礦物的。而蒙脫石的存在則可以告訴我們粘土礦物形成時候的地質條件。

瓦尼曼表示：“蒙脫石是一種典型的湖泊沉積粘土礦物。在地球上，在蒙脫石存在的地方你往往能發現豐富的生物生存環境。”

美國加州理工學院的約翰·格羅岑科(John Grotzinger)分析了黃刀灣地區岩石的層狀結構並指出這一地區的宜居環境的存在年代從火星的角度來相對年輕。它屬於火星地質年代上的一個紀，即赫斯伯利亞紀，當時火星的一部分地區已經變得乾燥，水體呈酸性，當時距今不到40億年，當時正值地球上最早的生命開始出現的時期。

格羅岑科表示：“隨后這種宜居環境存在的時候比很多人原先設想的更久。這一點擁有全球性的影響。這一時期火星上存在很多河流三角洲，沖積扇，火星上很多地方都有地表液態水。但很多人認為這樣的狀況並沒有持續很久，因而無法形成粘土礦物。因此他們的思維方式便是：如果這裏發現了粘土礦物，那麼那一定是從其他更古老的區域被流水沖刷過來的。而現在，我們證明了粘土可以在更晚的時期形成，這樣火星上可能擁有宜居環境的地點就會大大擴展。”

研究顯示火星黃刀灣地區的宜居環境很可能持續存在了數百萬乃至上千萬年之久。在那一時期地表曾經存在河流和湖泊，但后來逐漸消失了。但即便地表開始乾涸，近地表下的土層可能仍然是潮濕的，這一點可以從火星當地岩石裂隙中沉積的礦脈得到證明。當地沉積岩的厚度可以讓科學家們推算其存在的時間長度，而在此發現可作為微生物能量源的礦物組合則更加支持這裏曾經存在宜居環境的觀點。

載人登陸火星

此次好奇號公佈的一系列考察結果中有一項特別引人注目，那就是首次對火星地表的輻射環境進行了測量。來自銀河深處的宇宙射線以及太陽的高能粒子流不斷轟擊火星表面，根據美國宇航局西南研究所唐·哈斯勒(Don Hassler)博士的報告，從2012年8月至2013年6月，地表輻射通量平均為每天0.67毫西弗。相比之下，做一次X胸片的輻射劑量約為0.02毫西弗。在好奇號在火星上進行測量的這10個月期間沒有經歷任何顯著影響到火星的太陽爆發事件，因此其中大約有95%的輻射劑量來自宇宙射線。

這一地表輻射測量數據對於未來設想中的載人火星項目具有重要的參考價值。好奇號在飛往火星的途中也進行了空間的輻射劑量測量，加上之后好奇號在火星地面上進行的測量數據，這樣便構成了未來人類前往火星途中和抵達之后完整行程中的輻射劑量預期數據，現在可以預期未來進行一次太陽周期相似的往返載人飛行期間，宇航員將會遭受的輻射劑量大概是在1000毫西弗的水平上。[NT:PAGE=$]

長期的人群觀測研究已經證明，暴露於輻射環境下將增加人類罹患癌症的幾率。暴露於1000毫西弗的輻射劑量下將讓人類患上癌症的幾率增加5%。美國宇航局目前對於工作在近地軌道上宇航員的這一限制值是3%。美國宇航局正在與美國國家科學院醫學研究所開展合作，來研究長期太空飛行過程中面臨的輻射暴露問題。

好奇號此次對火星地表輻射環境的測量結果符合此前的理論計算。但這些新的數據將幫助科學家和工程師們創建更好的模型來預測未來載人登陸火星時宇航員們可能面臨的風險。科學家們也將能以此為依據設計出更好，更能夠保護宇航員們的宇航服和防護材料。

哈斯勒表示：“我們的測量結果為未來載人登陸火星的任務提供了關鍵性的信息。我們將繼續進行環境輻射測量，並觀察在不同的太陽活動周期期間太陽活動對火星地表輻射環境的影響。我們的測量對於考察火星的宜居環境同樣重要。對於人體有害的輻射劑量同樣會影響微生物的生存並破壞有機物的保存。”

根據哈斯勒的計算，假如在火星近地表深度2英寸(約合5厘米)以內的岩石內部保存有有機化合物，那麼按照此次好奇號測得的地表輻射劑量水平數據，在大約6.5億年的時間內這些有機化合物的含量將下降1000倍。然而正如好奇號此次鑽探並測定年齡的“Cumberland”岩石樣品，其暴露在宇宙射線中的時間不過6000萬~1億年。研究人員們認為，這些岩石的暴露年齡相對較短，假如其內部保存有有機化合物，那就應當更有希望被檢測出來。即便火星其實從未出現過任何的生命形式，那麼大量的隕石撞擊火星時攜帶的有機物質也將有可能可以被探測到。(晨風)