NASA洞察號發射成功：火星探地黑科技，太陽系的時光機
來自專欄 相期邈雲漢
出品：科普中國
製作：haibaraemily
監製：中國科學院計算機網路信息中心
就在剛剛，NASA的下一代火星著陸器洞察號（InSight），已於北京時間今晚（5月5日）7:05準點發射升空。
一個多小時後，星箭分離成功，一切順利，發射圓滿成功~
這是NASA第一次在加州范登堡空軍基地發深空探測器，而之前都在佛羅里達州卡納維拉爾角。
洞察號是NASA的知名摳門項目 Discovery項目的成員之一，有多摳門呢？就是每項預算一般不超過4.5億美元。什麼概念呢？作為旗艦項目之一的好奇號花了25個億，卡西尼花了39個億，真·沒有對比就沒有傷害。
不過平心而論，NASA對洞察號實在不算摳門了，花了8.3億美元，遠遠超過了Discovery項目的預算標準，即使在中檔預算的新疆界項目里也能排得上號了（探測冥王星系統及柯伊伯帶小天體的新視野號也就花了7個億而已）。
雖然成本低，但Discovery項目的每個任務都是短准狠：任務設計壽命短（一般不超過36個月，當然儀器狀態良好的話會延長，有些會延長很久），探測目標精簡明確，而且大多成果驚人。近些年例如探測小行星穀神星和灶神星的黎明號，探測月球全球高解析度重力場的GRAIL，尋找系外行星的開普勒望遠鏡……這些探測器無一不在短短几年裡就刷新了人類對它們所探測天體的認知，名副其實的「發現新世界」。
洞察號也不例外。
目前為止，人類對火星的了解不可算是不多：探測火星表面地形、地貌特徵和重力場的火星全球探勘者號(MGS)、火星勘測軌道飛行器(MRO)，探測火星水冰和礦物分布的火星奧德賽號、火星快車號，探測火星大氣層和空間粒子的MAVEN，甚至還有鳳凰號、勇氣號、機遇號和好奇號幾輛著陸器和火星車實地考察火星的地質狀況……但這些都還始終停留在火星表面和大氣層，火星的內部是什麼樣的？我們幾乎一無所知。
雖然重力場和一些粗略的地球物理數據（平均密度、慣量矩等）數據隱約向我們透露了一點火星內部的樣子，我們知道火星像我們的地球和月球那樣有殼幔核的分層結構，知道火星內部的熱能已經不足以維持它的自發磁場和各種活躍地質活動，但更多的呢？一共分了多少層？殼幔核每一層有多深？每一層的固液狀態是怎樣的？火星內部的熱能到底還剩多少？火星的熱量是以什麼樣的形式和速率耗散的？火星的熱演化歷史是怎樣的？為什麼火星幾乎沒有板塊活動？
一個真正的地球物理探測器勢在必行。
千呼萬喚始出來的洞察號，人類已經等待你很久了。
洞察號會著陸在哪裡？
和之前這些火星著陸器不同，洞察號是一枚純·地球物理探測器，因此，洞察號的選址比NASA之前幾枚火星車和著陸器要純粹得多，它幾乎不需要考慮具體的科學目標（比如好奇號著陸在蓋爾撞擊坑是為了尋找水和生命、鳳凰號著陸在北極是為了探測極區水冰，巡迴車還需要考慮整個路徑的安全性和可移動性……這些科學目標本身最先限制了選址範圍），從這個角度來說，洞察號的選址更有代表性。
洞察號選址經過了長達四年的考察和探討。首先是基於工程上考慮（著陸、安全、功能）的初步篩選，例如：考慮太陽能的供給，著陸區劃定在赤道附近（北緯3-5°）；考慮著陸過程中必須經過足夠厚的大氣層來保證降落傘的緩衝需要，著陸區地理位置要盡量低；地形要平坦（坡度小於15°）、石頭不能太多、風化層較鬆軟（方便著陸和熱流探測器鑽5米深的孔），等等等等……
初步篩選之後，選定了埃律西昂平原西部的16個區域。然後才逐區域排除直到選定最終的著陸區域。
也就是說，不出意外的話，洞察號將於今年11月26日降落在火星這片平坦的赤道區域。這裡距離好奇號的探測區也很近，每當火星勘測軌道飛行器(MRO)從天上飛過的時候，可以一次關照到倆，省心。
洞察號要探測什麼？
洞察號（InSight），全名是利用地震、大地測量和熱流的火星內部結構探測器（Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport），這樣一看它的探測目標可以說是一目了然了。
工欲善其事，必先利其器。想要探測什麼，當然要帶好對應的裝備。看看洞察號都帶了些什麼儀器吧。
首先是整體上，洞察號機身的設計很大程度上直接繼承了之前的鳳凰號著陸器，這也是洞察號可以如此低成本的原因之一。
再看局部載荷。洞察號此去一行的主要探測目標有兩個：一個是火星內部結構，另一個是火星內部的熱狀態。針對這兩個目標，洞察號配備了一台火震儀和一台熱流和物理性質探測儀（HP3）。
火震儀
火震儀會在洞察號著陸之後被固定在火星表面上，然後用一個罩子罩起來減少外界風和熱的干擾。
https://www.zhihu.com/video/976122450208043008
洞察號火震儀安裝演示圖。來源：NASA，剪輯、壓制：haibaraemily
為什麼探測火星的內部結構需要地震儀（劃掉，在火星就叫火震儀了）呢？簡單來說，就是當固態天體發生震動的時候，震動產生的波（地震波）在不同密度的地層中傳播速度不同，那麼通過測量不同地層傳來的地震波之間的時間差，就可以反推內部每一層的厚度和密度了。
https://www.zhihu.com/video/976122532033761280
火星地震一分鐘速覽。來源：NASA，聽譯、壓制：haibaraemily）
火星幾乎沒有板塊活動，而且和其他大多數火震形式一樣，這些震動幾乎無法準確判斷震源位置，為此，洞察號想出了一個巧妙的辦法：
探測隕石撞擊引起的火震。
在火星勘測軌道飛行器(MRO)探測器高解析度影像的配合之下，一旦發生隕石撞擊引起的火震，洞察號將會迅速搜索到新產生的隕石坑的精確位置，也就確定了震源的坐標，進而測量地震波的行進時間。
當然，單個地震儀觀測會有很多局限性，因為地震儀數目越多，分布越廣，才能探測到越深、越準確的內部結構。事實上，即使當年的阿波羅登月任務安裝了四台月震儀，也還是沒能克服這一問題，因為這些月震儀實在是靠得太近了，全部扎堆於月球近月面的低緯度區域，造成的後果是：我們很難探測到遠月面的月震，也無法探測到深於1100-1300km的具體結構了，也就是說儘管我們知道內部的分層狀況和各層狀態，但對下月幔和月核的深度和密度還是有很大的不確定性。
（左上）阿波羅任務在月球上安置的幾個月震儀，其中Apollo 11僅工作了三周就壞了，Apollo月震數據主要來自於12, 14, 15和16，Apollo 17處安置了一個重力儀（Kawamura et al.，2015）。（右上）四個月震儀觀測到的月震情況，到1977年四台月震儀停止工作期間，共記錄下了12558次月震（包括9次人工月震）（Nakamura et al., 1982）。（左下）目前認為的月球內部波速和密度隨深度的（粗略）關係(Weber et al., 2011).（右下）月球內部結構（Wieczorek et al., 2006），近月面四個綠色點（A12/14，A15，A16）表示阿波羅號安裝的四個月震儀的緯度。
只不過，如今的洞察號，有更靈敏的地震儀，也有更高解析度的MRO影像幫助定位震源位置，它希望能夠單槍匹馬，做的比阿波羅號更好。
還有一個問題，雖然每多觀測到一次撞擊，我們就能多了解火星內部一點點，但洞察號的設計壽命只有1個火星年（約2個地球年），而隕石撞擊畢竟是純概率事件，這2年期間能觀測到多少次強度足夠大的隕石撞擊引起的火震呢？說不好。
只能說，或許我們需要一點耐心，還需要一點運氣。
熱流探測儀
至於熱流和物理性質探測儀（Heat Flow and Physical Properties Probe，簡稱HP3）嘛，就簡單粗暴多了。它會直接把一隻「溫度計」插進火星表面，這隻溫度計的鑽頭被稱為「鼴鼠」，足足可以打5米深的洞，也就是說，可以測量火星表面到地下5米深的溫度隨深度的變化。這也將是有史以來人類在火星打的最深的洞了。
https://www.zhihu.com/video/976122711123066880
洞察號熱流探測儀工作示意圖。來源：NASA，剪輯、壓制：haibaraemily
火星曾經也像地球一樣有過地質非常活躍的時期，但隨著內部熱量的不斷耗散，火星也就慢慢「沉寂」了。而通過測量火星淺表層溫度隨深度的變化，可以幫助我們重建火星的熱演化歷史，推算火星內部還有多少熱，火星已經失去了多少熱，火星這幾十億年來經歷了怎樣的熱變化，火星為什麼沒有板塊活動等等重要問題。
哦對了，和火震儀一樣，熱流探測儀這事兒NASA也不是第一次幹了，算是頗有經驗。阿波羅13、15、16和17號登月任務也都攜帶了熱流探測儀，不過只有15和17號安裝成功（13號壓根就沒登月直接回去了），而且阿波羅15號的熱流探測儀在鑽孔的過程中發現這裡的風化層比預想得硬，鑽不動……結果探針並沒有插到計劃的深度。考慮到阿波羅15號的前車之鑒，這次洞察號選址的時候就充分考慮了測區的風化層厚度和岩石硬度(Warner et al., 2017)，確保可以鑽到5米那麼深……
除了火震儀和熱流儀，洞察號還帶了一台「自轉和內部結構探測儀」（RISE）——它將通過多普勒頻移測量火星的自轉速度和自轉軸變化。自轉參數也是約束行星深層內部結構的重要依據之一。
有了這些數據，我們就能更好地推測火星內部是啥樣啦。
而且——
不止火星。
洞察號的探測結果可以幫助人類加深對整個內太陽系所有岩質天體（水星、金星、火星、地球、月球）演化的認識，追溯整個內太陽系早期的熱演化歷史和熱分異過程。
從這個角度來說，洞察號還將是人類追溯整個內太陽系歷史的一台，時光機。
結語
如果說，好奇號是迄今為止最偉大的火星地球化學家和地質學家的話，那麼洞察號將會是火星第一位偉大的火星地球物理學家。
人類火星探測的最後一塊空白，將被洞察號探測器填上。
PPS：之前在船票上留了名字的各位，您的太空之旅已經起航~坐穩扶好咯~
公眾號haibaraemily_planets同步發布，歡迎聯繫我開白~
致 謝
本文感謝知友 @鸑鷟鵷鶵 @太空精釀 @劉博洋 @雲舞空城 的審稿和對本文內容提升所做的幫助。
參考文獻
- Golombek, M., Kipp, D., Warner, N., Daubar, I. J., Fergason, R., Kirk, R. L., ... & Campbell, B. A. (2017). Selection of the InSight landing site. Space Science Reviews, 211(1-4), 5-95.
- Kawamura, T., N. Kobayashi, S. Tanaka, and P. Lognonné (2015), Lunar Surface Gravimeter as a lunar seismometer: Investigation of a new source of seismic information on the Moon. J. Geophys. Res. Planets, 120, 343–358. doi: 10.1002/2014JE004724.
- Nakamura, Y., Latham, G. V., & Dorman, H. J. (1982). Apollo lunar seismic experiment—Final summary. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 87(S01).
- Weber, R., C., Lin, P., Y., Garnero, E., J., Williams, Q., Lognonné, P., (2011) Seismic Detection of the Lunar Core. Science 331, 309. DOI: 10.1126/science.1199375
- Wieczorek, M.A., B.L. Jolliff, A. Khan, M.E. Pritchard, B.P. Weiss, J.G. Williams, L.L. Hood, K. Righter, C.R. Neal, C.K. Shearer, I.S. McCallum, S. Tompkins, C. Peterson, J.J. Gillis, B. Bussey (2006), The Constitution and Structure of the Lunar Interior. Reviews on Mineralogy and Geochemistry, , v. 60, p. 325
- Warner, N. H., Golombek, M. P., Sweeney, J., Fergason, R., Kirk, R., & Schwartz, C. (2017). Near surface stratigraphy and regolith production in southwestern Elysium Planitia, Mars: Implications for Hesperian-Amazonian terrains and the InSight lander mission. Space Science Reviews, 211(1-4), 147-190.
- Langseth, M. G., Clark, S. P., Chute, J. L., Keihm, S. J., & Wechsler, A. E. (1972). The Apollo 15 lunar heat-flow measurement. The Moon, 4(3-4), 390-410.
- Getting InSight on the Interior of Mars
- 360 Video: Tour a Mars Robot Test Lab
- NASA Sets Sights on May 5 Launch of InSight Mars Mission
- Testing the InSight Mars Landers Solar Arrays
- Voyage to the Red Planet
- Atlas 5 launches NASA InSight Mars lander - SpaceNews.com
- InSight Launch Press Kit
「科普中國」是中國科協攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權威品牌。
本文由科普中國融合創作出品，轉載請註明出處。
推薦閱讀：