2015年11月2日

在火星上找到液態水!

作者/葉永烜(中央大學天文所及太空所教授,研究興趣在於太陽系來源及演化,小行星與彗星的物理性質和動力學,行星磁層與衛星及環系統的電槳作用,以及系外行星與恆星的作用)

2015年9月28日,美國太空總署(NASA)終於解答了一個謎團─在火星上找到液態水存在的確實證據。這是怎麼回事?為什麼NASA會把這個資訊看得如此重要?甚至可與發現超級地球(可容許生命存在的行星)相比擬?

火星的生命謎題
在談論這個題目前,先說說另外兩個謎團。其中之一是2011年7月掉落在摩洛哥沙漠,一塊叫做Tissint的火星隕石。它的成份經中國科學院地質及地球物理研究所的研究團隊檢驗後,發現當中含有可能由生物過程產生的有機碳。這是一個非常重要的結果,如果得到證實(如在火星表面採集標本後,送回地球實驗室作精密化學分析),便可肯定早期火星曾經有過生命跡象。

另一件事,則是「好奇號」漫遊車上的可調兩極管雷射光譜儀(SAM),測量出火星大氣層中有時會有微量(~7 ppbv)的甲烷出現。這個現象,在過去的地面望遠鏡觀察和「火星快車」太空船的儀器中都有報告,但因為它時隱時現,而且訊號和噪音比不夠,所以引起很多爭論。「好奇號」非常靈敏的SAM,本來也只是測量出一個很低的甲烷背景值(~0.7 ppbv),所以才建立了無可置疑的時間變化曲線。

現今有兩個主要理論解釋甲烷的存在,一是甲烷由地表之下的地質化學作用生成;另一則是由微生物的新陳代謝作用而產生。如果是後者,則現今的火星環境應該還有生命存在。但是生命必須要有液態水才可孕育和永續發展,這也是為什麼這次融水蹤跡的確立,讓我們在追尋地球外生物圈的路徑上,向前跨出了一大步。

RSL的生成原因
在火星春季時,南半球的Garni隕石坑斜坡上可看到季節性循環坡紋(Recurring Slope Line, RSL)的線狀條紋結構。這些坡紋在2011年首先被發現,寬度在數公尺內,長度則可達數百公尺。這些線條會繞著南緯32~48度地帶出現,在向著赤道的一面,沿著坡度,以每日數公尺至20公尺的速度緩慢延伸。但是,坡紋在冬季時又會消失無蹤。

這些RSL,較側邊的地方顯得較暗。由於日照的緣故,RSL源區的正午表面溫度在春天時可達250~300 K。但因為火星軌道離心率和自轉軸相對黃道面傾斜的關係,北半球同樣緯度的地方並不會達到這個溫度(平均約低30 K)。因此有模型指出,這些結構是由於地下某些地方的凝冰,在春季受到太陽輻射的加溫作用而融解,由此會有液態物質湧現。另外,也有一些與融水無關的解釋,如火星大氣中都有的二氧化碳(CO2)和季節性的乾冰凝結與昇華作用,可能產生塵砂從斜坡表層的脫落。雖然這個機制在火星其它地域確實有可能發生,但在RSL卻是行不通。因為土石流在坡度越大的地方越容易發生,但RSL的觀察結果並沒有支持這個預測。

證明液態水存在
融水機制有一個優點,若其化學成份含有鎂、鈉等水合鹽類(NaClO4·2H2O),融點可比純水要低40~80 K之多,有利於地下水層的形成和流動。此外,火星表面多處發現存在高氯酸鹽類物質(可能是古代的湖沼或海洋乾涸後餘留所成)。所以只要和水混合,便可以製作出所需的水合鹽化合物了。這個想法在RSL剛發現時便已提出。但魔鬼躲在細節中,要解答這個謎團需要千真萬確的科學證據。既然目前無法直接在火星表面作田野調查,進行探樣和檢驗,就需利用MRO火星軌道飛行器上的緊湊型火星勘測成像光譜儀(CRISM)。藉由2011年至今年初的一番努力,終於在訊號中擷取出RSL光譜,成功證明水合鹽類存在,意即同時證明液態水的存在。

但這些液態水合鹽類物質的來源仍舊不明。是否可能是地表上的高氯酸鹽吸收了大氣中的水分,融解成液體後順坡下流成RSL呢?但火星大氣中可以提供的水分很有限,可能不足以形成季節性坡紋的現象。若來自地下水源,則有些RSL是出現在隕石坑的中央峰,可能性不大。最後,要是在地表下的冰層生成,卻更不容易解釋為何在赤道不遠而深度亦不大的地方,依然能夠保存凝冰。所以尚待解答的問題,可說是越來越多。

一些對生命起源和系外生命有興趣的天文生物學家,曾在南極冰層密封千年的一個鹽鹵冰湖中,找到微生物組成的生態系統。這也被作為在其它行星或者衛星的極端環境中,可能會有生命出現的一個例子。但火星上的RSL之化學成份可能並不相同,地質化學作用和能量條件也不一定容許微生物適居帶的存在,所以一切尚言之過早。為避免可能存在的火星生物圈受到地球微生物的汙染和危害,NASA已決定「好奇號」漫遊車的路徑必須避開有RSL的區域。但火星不會寂寞,在未來幾年,將會有歐美、印度和中國的各個登陸器和漫遊車到此勘察,還有進行土壤和岩石標本的收集並回到地球作實驗室分析的任務。火星現在是否有原生的生物圈?或者過去曾有生命演化的歷史?這些問題,在不久的將來便可知曉。