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每当音乐厅里的演奏者拨动琴弦时,空气中的质点便会随之振动,并在同一时刻,把这份运动形式继续传递给相邻的质点,以此类推,让振动层层推进,形成声音的涟漪。乐谱的旋律,就这样通过大气,传至你我身旁;把演奏者刻画在琴弦上的心思,留响在你我耳边。

而当这旋律飘入物理的殿堂之时,学者们会说,它的本质,叫做机械波。

机械波是物质内部质点振动行为的传播。不仅大气会振动,万事万物,无论固体、气体、液体,都会产生振动。

这些振动中的大部分,都超出了我们耳膜可以收听到的范围,但与声波并无二致的是,它们同样能够携带信息:无论是发振物质自身的特征属性、还是传播路径中的“崎岖坎坷”,在最终接收到的机械波里,都会留下如实反映的信号。正是由于机械波这种可以穿过(光线无法透过的)物质的特性,使我们得以认识那些无法用双眼直接观察到的世界。它是能够穿透层层障壁的另一套“视线”,帮助我们揭开纵使有千里眼也无法参透的重重谜团。

而这一次,发生振动的,并不是音乐厅里的琴弦,而是宇宙中的一颗天体。

我们的邻居,火星。

来自洞察号的信息

今年4月6号那一天,火星地震了。

这事儿是“洞察号”刚刚告诉我们的。在火星勘探史上,洞察号勘探器(InSight)是一个不折不扣的新兵,上岗至今也就半年左右吧。半年前,人们可是为它好生庆祝了一番——庆祝它成功发射,庆祝它成功入轨,庆祝它成功落在火星表面,庆祝它成功走向今后的工作岗位。

可NASA斥资几亿美元,并不是为了表现人类有本事把一个东西成功送上火星的——这对现今的人类来说已经不是难题啦。人类派它上去,是为了让它踏踏实实在那边干活。

干什么活呢?收听火星大地的振动。

音乐厅的振动里有乐曲的信息,大地的震动里就有大地的信息。洞察号的首要职责就是,当火星地壳发生地震时,接收并确认这些信息,把它如实报告回来,让人类有机会去破译一颗行星的内部结构。

洞察号延伸机械臂,在火星表面放下地震仪丨NASA

洞察号延伸机械臂,在火星表面放下地震仪丨NASA

惊喜来得太快

说实话,人们一开始并没指望它这么快就能收听到一次火星的地震。

在人们的认知里,火星已经不太会震了。它的内部无法进行活跃的地质活动,就像一滩死水,不会频繁掀起机械波的“涟漪”。甚至洞察号的设计者一开始设计这个方案的时候,也并非抱定了确凿的信念、认为就一定能监测到火星上原发地震的产生。因为火星的震动很可能“如此微小,差不多是原子的尺度” ,所以洞察号的地震仪被设计得极度灵敏,甚至能感觉到风与沙尘暴造成的地震波。毕竟和地球不同,火星没有地壳板块运动,没有频繁而剧烈的地震,“火震”更可能来自火星冷却造成的行星表面收缩,或者行星内部深处的岩浆运动。科学家们甚至把期望的筹码押在了外来的小行星身上,指望着兴许哪天会有一颗愣头青般的小行星一头栽到火星表面,靠外来的冲击,激起火星表壳的震荡,然后借助这些外界诱发的震波来探测火星内部结构。

可这才时隔不到半年,洞察号就真的监测到了一次疑似火星地震的信号,而且震源像是来自内部。这次震动不大,相当于一次2~2.5级的地震 。目前数据已经发回地球。NASA的工作人员眼下正在紧密锣鼓地破译这些数据。

正在火星上捕获射线的洞察号丨NASA

正在火星上捕获射线的洞察号丨NASA

地震波在火星内部会进行传播和反弹,从而反应出火星内部的立体构造,原理基本类似于用超声波检查人体内部。有了这些信号,人类就可以“看”到火星地壳内部的结构了:它有多厚的地壳和地幔?它的地壳和地幔分别是什么成分?地壳和地幔内部是否还有更复杂的结构?等等。

回答这些问题,本身就可谓人类太空探测史上的一份壮举。可这些成就就算达成,也不过仅仅触到了科学家们真正意图的冰山一角。

音乐厅里的声波为我们传达的最直观信息,是这首乐曲的结构与组成——旋律的起伏、节奏的快慢、声部的交错……但这些信号,却并不是这部乐章要传达给你的最终目的。它们本身同样是一种媒介,一种传达音乐家心中图景与观念的媒介。换句话说,信息本身承载着更深层的信息。故事本身蕴藏着更扑朔迷离的故事。而科学家真正的野心,便是想弄清这信息背后的信息、故事背后的故事。比如通过火星的内部结构,进一步推测太阳系早期的演化历史。

凝固的叙事篇章

火星已死。

这在目前基本算是一个科学共识了——它的内部热量不足以驱动它进行复杂的内动力地质活动。今日的火星上,没有火山喷发,没有沧海桑田的变换,没有高山的隆起和盆地的断陷。我们在地球上熟知的一切地壳演化与变迁….在邻居火星那里,都几乎找不到存在的痕迹。

毫无生气的火星表面丨JPL - NASA

毫无生气的火星表面丨JPL - NASA

这事儿说穿了,还是因为我们地球自身的环境太过独特,以至于我们把自己家园的这份放到宇宙里可谓独一无二的环境,当成了生活里的稀松平常。事实是,地球处在一个恰好的体积、恰好的距离、恰好的大气含量、恰好的内部结构上。这些作用的共同使然,才让今日的地球内部和表层有着活跃的地质活动,并维持一套能够支撑生命存在的内外圈层循环系统(比如岩石圈和地表圈层之间的碳质循环)。随便换一个星球,上述条件可能就千差万别,我们在地球上见怪不怪的一切环境要素——加上我们生物圈自身——可能都属奢侈。

比如火星。

它体积太小,早早地冷却,早早地关掉了自身内动力地质活动的开关,因此,它整个地壳的结构特征,就随之凝固在了几十亿年前那个逐渐冷却的时代。后续再也没有任何翻天覆地的动荡,覆盖掉那份原初的信息。不像地球,活跃的地壳板块已经抹去了所有早期历史的遗迹。火星这份亿万年后也依旧保存完好的古老岩石圈结构,可以说是太阳系早期岩质行星演化的完好记录。

图丨NASA

图丨NASA

我们应该感谢洞察号,如果没有它,人类至今仍然无法收听到来自火星的地震。听不到火星的地震,我们就失去了一个洞察火星内部结构的重要窗口。没有这份重要的窗口,我们对太阳系早期演化史的认识,不知要在推测层面再停留多少年。真心希望洞察号收获的这批数据里,能够为人类带来一些突破性的知识。

比如一旦发现火星的岩石圈具有水平方向的非均质性,可能就会是板块构造的结果,说明火星早期也和地球一样,大陆频繁挪移,山脉起伏绵延。

比如一旦发现岩石圈具有广泛的水成沉积层,说明火星或曾拥有蓝色的大洋,洋面波光粼粼,海涛乘风万丈。

以及长英质的岩石、热液的矿脉、凝固的岩浆房、巧妙排列的断裂体系…我们在地球岩石圈中见到过的一切丰富的结构与构造,背后都指向一部部独特的环境特征。而如果火星也曾拥有这一切,说明它早期的演化,可能和地球一样复杂、和地球一样活跃,和地球一样生机勃勃。毕竟,咱们自己星球上的太初生命,就诞生在那个翻天覆地的时代。

这一切会不会得到确认呢?目前还暂时无法回答。但至少,火星的地震会忠实记录它内部的一切,岩石圈的振动就如同一部广播,把埋藏在一颗星球深处的言语,播送到它的表层,直面浩瀚的宇宙。倘若确认了今日的火星能够发震,那么可想而知,自它诞生起这46亿年来,从活跃的时代,到冷却的时代,一直至今日,可能有无数次的广播曾经在这颗星球的表面回响过。它一次次诚恳地表述着自己的身世,自己的面貌,表述着自己那横穿悠久时光、却独一无二的故事。

只不过在没有聆听者的时代,这些携带着丰富信息的星之波动,永远只能迎来唯一的结局:振动的能量逐渐耗尽,一点点消散在宇宙那冰冷广袤的寂静中。

这颗星球大概想不到,几十亿年后,自己迎来了第一位聆听者。

它来自另一颗行星,想听到这儿原初的啼鸣。

(编辑:游识猷,李小葵)

参考文献

[1]NASA’s InSight Detects First Likely “Quake” on Mars. (2019, April 23). https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7383

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One Response to “为什么我们费那么大劲,去观察火星上的地震?”

  1. 匿名说道:

    所以,得以活在地球上,是幸运的。

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