3　火星甲烷之謎

地球和火星都在圍繞著太陽公轉，兩者的公轉周期不同，每隔26個月，火星與地球的距離相對最近。因此，從地球前往火星，每兩年多才有一次最佳的發射窗口期。這時候發射，最節省燃料和飛行時間，所以，幾乎所有的火星探測器都會選擇在這個窗口期發射（事實上，我沒找到例外，但為了保險起見，還是加上“幾乎”兩個字吧）。利用這個窗口期發射的探測器的飛行軌道被稱為“霍曼軌道”，這條軌道是德國物理學家瓦爾特·霍曼在1925年首先提出來的，因此以他的名字命名。

2011年11月26日，協調世界時15點02分，在美國的卡納維拉爾角空軍基地，阿特拉斯5號火箭載著好奇號（Curiosity）火星探測器發射升空。

幾分鍾後，一級火箭分離，不到10分鍾，火箭便衝出了地球大氣層。二級火箭開始做姿態調整，將探測器精確地推入霍曼軌道。隨後，二級火箭分離，一個圓環狀的巡航級火箭載著火星著陸器奔向火星。經過8個半月的長途跋涉，巡航級火箭終於與火星會合。在進入火星大氣層前，巡航級火箭與著陸器分離。著陸器稍微調整了一下姿態，並拋掉了兩塊用於配重的金屬塊，使得著陸器的重心得以改變，它一頭紮向火星的大氣層，開始了被稱為“恐怖七分鍾”的著陸之旅。

著陸器與火星大氣發生劇烈的摩擦，盡管火星大氣密度隻有地球大氣密度的1%，但是劇烈摩擦產生的熱量依然把著陸器的外皮燒得烏黑。幾分鍾後，著陸器便抵達了距離火星地表11千米的上空，一個碩大無比的減速傘張開，巨大的傘麵兜住了稀薄的火星大氣，控製了著陸器的下降速度。幾分鍾後，著陸器的前蓋被拋棄，露出了著陸器腹中的好奇號火星車。在距離火星地表大約1.6千米的高空，著陸火星的關鍵設備——天空起重機——從著陸器中分離出來，這是一個綁著好奇號火星車的小型反推火箭，它就像一隻長著四隻腳的甲殼蟲，有8個反推發動機，懷裏抱著火星車。“甲殼蟲”的四隻腳噴出耀眼的火焰，伴隨著巨大的轟鳴聲，緩慢而平穩地朝著火星的地表降落。這時候，反推火箭的無數傳感器開始工作，計算機係統高速處理著火星地麵圖像，天空起重機一邊下降，一邊調整著降落地點。鎖定降落地點之後，好奇號火星車與天空起重機分離，它們之間有幾根纜繩拴著。天空起重機的下降速度越來越慢，一點一點地將火星車平穩地放到地麵上。當好奇號火星車的6個輪子著地後，反推火箭與火星車之間的纜繩自動切斷。在纜繩切斷的瞬間，反推發動機的推力沒有改變，但總重量突然減小，於是天空起重機再次升高，並遠遠地飛離火星車，以免掉下來砸壞好奇號。

2012年8月6日，協調世界時5點17分，好奇號火星車成功在火星蓋爾隕石坑（Gale Crater）著陸，它的著陸地點與預定地點僅僅相差2.4千米，要知道，它可是飛行了5.6億千米才抵達的火星。你可以把這個難度想象成隔著太平洋打高爾夫球一杆進洞，簡直令人歎為觀止。好奇號是人類的第七個火星著陸器，也是第四台火星車。它的身軀要比它的前輩們大得多，長寬都將近3米，高度也達到了2.2米，比一輛小型廂式貨車小不了多少。好奇號攜帶的儀器設備更是前輩們望塵莫及的，它最重要的目標就是尋找火星生命存在的證據。那麽，好奇號有什麽新型武器？它又是如何尋找火星生命的呢？

好奇號是一輛可以移動的火星車，17個不同用途的攝像頭安裝在好奇號的“長脖子”以及身體上，讓它就像長了眼睛，可以細致地觀察火星世界。假如火星上有一些小動物在它麵前爬過，哪怕隻有螞蟻那麽大，也逃不過它的大眼睛。當然，肉眼可見的火星動物顯然是一種奢望，科學家們也沒指望能拍到這種級別的火星生命。

好奇號有一項獨門絕技，它的長脖子能射出一種紅外激光，就好像雙眼能射激光的超人一樣。這種激光產生的高溫，能把目標岩石的一小塊區域蒸發汽化，通過檢查汽化後的光譜特征來分析目標岩石的元素組成。這還沒完，如果覺得有必要，它還可以進一步對目標岩石進行鑽探，把得到的岩石粉末通過其攜帶的質譜儀進行更詳細的分析。

好奇號攜帶的三種主要儀器是四極杆質譜儀（QMS）、氣相色譜儀（GC）和可調諧激光光譜儀（TLS）。這些頂級裝備使得好奇號就像一個流動的無人實驗室，不僅能分析火星土壤、岩石的化學成分，更厲害的是，它還能以極高的精度分析火星大氣的化學成分。而4個多月後，正是由於對火星大氣成分的精確分析，好奇號帶來了一個出人意料的重大發現。

在好奇號的所有使命中，有一項備受關注，就是分析火星大氣中有沒有甲烷（CH4）氣體。為什麽這個任務如此重要呢？讓我們先來認識一下甲烷。很可能你家裏就有這種氣體，如果你家的廚房使用的是天然氣的話。天然氣的主要成分就是甲烷，天然氣還有另外一個你更熟悉的別名——瓦斯。甲烷是最簡單的有機物，除了天然氣，沼氣、礦井中的坑氣的主要成分也是甲烷。

在地球上，產生甲烷的最主要途徑就是微生物分解複雜有機物。注意到沒有，在自然環境下，甲烷往往與生命聯係在一起。雖說甲烷並不是隻能靠生命參與產生，自然界中的其他化學反應也能產生甲烷，但產生的效率遠遠沒有微生物的效率高。所以，甲烷在行星科學中，被認為是一顆行星的生命指征物質，或者說是生命在大氣中留下的印記。另外還有一種生命指征物質就是你我熟知的氧氣（O2），在地球的自然環境中要產生氧氣，目前我們知道的途徑就是生命的光合作用。

氧氣和甲烷之所以被當作生命指征物質還有另外一個很重要的原因，就是這兩種物質的化學性質都不穩定，都很容易被自然環境所吞噬，也就是與其他物質發生化學反應而消失。因此，地球大氣層中濃度穩定的氧氣和甲烷完美地說明了地球上有大量活著的生命，它們在源源不斷地產生氧氣和甲烷，使大氣中的氧氣和甲烷的濃度維持恒定。

假如地球上的生命全部在今天滅絕，那麽，地球大氣層中的氧氣會在200萬年內消失殆盡，全部與其他物質發生氧化反應。而甲烷比氧氣短命得多，僅僅需要12年左右，大氣層中的所有甲烷都會被吞噬。從這個意義上來說，盡管地球大氣層中的甲烷濃度遠遠低於氧氣的濃度，但是，甲烷反而是更顯著的生命指征物質。如果外星人有能力持續觀察地球大氣層中的甲烷濃度，那麽用不了幾周，它們就能做出“地球上極有可能存在生命”的預言。

早在2004年3月30日，歐洲航天局（European Space Agency, ESA）的火星快車號（Mars Express）軌道探測器科研小組就宣布，這個探測器的攝譜儀(1)在火星大氣層中發現了甲烷。這在當年也是一個大新聞，基於剛才的理由，發現甲烷對於尋找外星生命的行星科學家來說可是巨大的鼓舞。但是，火星快車號報告的甲烷含量極低，隻有大約十億分之一，這個濃度低到足以讓科學界懷疑是不是誤報，再加上孤證不立，僅有火星快車號的這一個證據，很難讓科學界信服。

到了2009年，NASA資深科學家邁克爾·姆瑪（Michael J. Mumma）領導的小組宣布，他們利用地麵望遠鏡觀測到了火星上的某處正在釋放出大量的甲烷。但姆瑪的證據也未能得到科學界的公認，證據還是不夠充分。

火星上到底有沒有甲烷？這成了有關火星的眾多未解之謎中最令人著迷的一個。就是在這樣的背景下，好奇號帶著全世界最先進的質譜儀(2)踏上了火星的茫茫戈壁，科學家們期待著好奇號揭開火星甲烷之謎。

據好奇號報告，在2013年12月到2014年1月，它測到了大氣中甲烷濃度的一個峰值，盡管這個峰值也隻有一億分之幾，但是與之前的兩次報告相比，它已經足夠驚人了，是之前報告的十倍，這立即引起了科學家們的極大興趣。在隨後的測量中，科學家們又驚訝地發現，升高的甲烷濃度保持了大約2個月，然後急劇下降。這個發現轟動了全世界，馬上就有行星科學家猜測，或許這是因為某種火星微生物的季節性繁盛導致的。但也有科學家提出，這或許是一次意外的火山活動排出了大量的甲烷。但即便是由火山活動引起的，也足以載入火星研究的曆史，因為此前科學家們認為火星上的火山活動在幾億年前就已經全部停止了，火星早已是一顆死星了。

就在好奇號的重大發現讓行星科學家們激動難眠之時，突然傳來了一個壞消息。很不幸，在好奇號發射之前，地球大氣中的甲烷氣體汙染了用於偵測火星大氣甲烷的一個激光分析儀，同時，好奇號攜帶的一些化學物質的緩慢分解又增加了一些甲烷。分析團隊了解了這個情況，他們為消除測量誤差付出了巨大的努力。最終，他們宣布，好奇號測量出的火星大氣中的甲烷濃度數值是可靠的，但是，那個高出十倍的短期甲烷濃度峰值的來源仍然需要嚴密審查。

那麽，我們是不是能以此肯定火星大氣中存在甲烷呢？畢竟已經有了三次獨立的報告，它們分別是2004年的火星快車號、2009年的姆瑪團隊和2014年的好奇號。很遺憾，證據依然不夠充分，對於如此重大的結論，科學界必須用最為嚴苛的標準來審查。為了徹底解開火星甲烷之謎，也為了解開火星生命之謎，歐洲航天局（簡稱“歐空局”）和俄羅斯聯邦航天局（Russian Federal Space Agency, RKA）聯手製訂了一項雄心勃勃的計劃，這個計劃簡稱為“ExoMars”，這裏的“Exo”表示外星生命的意思，因此我把這個任務的名稱翻譯為“尋找火星生命”計劃。這個計劃分為兩部分：第一部分於2016年發射火箭，目標是將一個火星軌道探測器送入火星環繞軌道，同時將一個著陸器送上火星地表；第二部分將於2020年啟動，目標是將一輛火星車成功地送到火星地表。這個計劃中的火星軌道探測器名為“微量氣體軌道探測器”，簡稱為TGO。你聽這個名稱就知道了，它的目標非常明確，就是要解開火星甲烷之謎。為了確保探測結果可靠，它搭載了兩個獨立的分光儀(3)，一個由比利時製造，另一個由俄羅斯製造，它們都可以探測到十萬億分之一以下濃度的甲烷。兩個分光儀獨立工作，交叉比對，可謂是雙保險。

2016年3月14日，搭載著TGO和火星著陸器的質子-M重型運載火箭在拜科努爾航天發射場升空。估計大家跟我一樣，總是看到美國的火箭型號和發射場地的名稱，什麽德爾塔三角洲、阿特拉斯宇宙神等，還有卡納維拉爾角空軍基地也是常常碰到的，不認識都難，偶爾能看到一些非美國的火箭型號和發射場的名稱，還會有一些小陌生呢。實際上，這個位於哈薩克斯坦境內、隸屬於俄羅斯的拜科努爾航天發射場才是世界上第一座，且到目前為止依然是世界規模最大的航天發射中心，它創造了人類航天史上的許多個第一。

2016年10月，TGO成功進入火星環繞軌道，但試驗性質的火星著陸器在最後時刻沒有安全著陸火星，而是摔壞了。不過，歐空局依然宣布著陸器取得了成功，因為它已經完成了最重要的目標，就是測試著陸係統並且在下降期間返回數據。

經過一番調試，TGO開始工作。所有關心火星甲烷之謎的科學家和科學愛好者都在焦急地等待著TGO的觀測結果，人人都希望TGO能為我們一錘定音，可是這一等就是兩年多。終於，2018年12月12日，美國地球物理學會（American Geophysical Union, AGU）半年會議在華盛頓哥倫比亞特區召開，TGO的研究團隊出席了這次會議，並做了現場報告，所有人都伸長了脖子期待著TGO的好消息，他們中的大多數人都對火星存在甲烷充滿了信心。好奇號負責甲烷探測的首席科學家克裏斯·韋伯斯特（Chris Webster）甚至預測TGO至少能探測到十億分之一左右的甲烷濃度。

然而，這個世界總是喜歡給我們製造意外。首席研究員萬代爾（A.C.Vandaele）略帶失望地說道：“雖然還有一些噪聲要處理，但我們已經知道，我們看不到任何甲烷了。”研究小組的初步觀測結果顯示，在低至五十萬億分之一的水平仍然沒有發現甲烷，而他們的觀測幾乎一路下降到火星表麵。聽到這個結果後，韋伯斯特十分驚訝，但是他馬上表示：“我們花了6個月的時間檢測甲烷峰值，並且花了數年的時間才發現了甲烷濃度的季節性變化，我們的結論也不能被輕易否定，TGO隻是還需要更多的時間。”

關於火星大氣中到底有沒有甲烷的爭論還在持續升溫。到了2019年4月1日，英國《自然》雜誌的子刊《地球科學》 （Earth Science）發表了歐空局的一篇報告，這篇報告支持好奇號的結論。歐空局控製的火星快車號於2013年6月16日在蓋爾隕石坑，也就是好奇號著陸點附近的火星大氣層中檢測到了甲烷。而當年好奇號頗有爭議的甲烷探測，正好發生在此次測量的前一天。歐空局的團隊通過數值建模和地質分析方式對甲烷的潛在來源進行調查後發現，可能是蓋爾隕石坑附近的一處斷層區域發生的短暫性事件，釋放出甲烷並進入了火星大氣層，之後被好奇號探測到。換句話說，這篇論文明確支持火星大氣中存在甲烷。

有意思的是，9天之後，也就是2019年4月10日，《自然》雜誌同時發表了兩篇火星研究論文，論文的作者正是“尋找火星生命”計劃的研究團隊，其中一篇論文正式公布了TGO的初期觀測結果，結論很明確：沒有在火星上發現甲烷。

火星甲烷之謎再次陷入撲朔迷離，而現在閱讀本書的讀者，你我都正身處這個謎題之中，一切都還是正在進行時。

到這裏，你可不要以為好奇號帶給人類的驚奇僅僅是火星甲烷之謎。好奇號自2012年登陸火星至今，依然在服役，從它那裏傳回來的有關火星的新發現從來就沒有中斷過。而2018年11月26日，美國人又把洞察號（InSight）火星探測器成功送到了埃律西昂平原（Elysium Planitia）。好奇號和洞察號都有什麽樣的新發現呢？請看下一章。

(1)攝譜儀（spectrograph）：可將進入光線分離成頻譜的儀器。

(2)質譜儀（mass spectrograph）：根據帶電粒子在電磁場中能夠偏轉的原理，按物質原子、分子或分子碎片的質量差異進行分離和檢測物質組成的一類儀器。

(3)分光儀（spectrometer）：又稱分光計，是用來準確測量光線偏折角度的儀器。