沉寂已久的火星是否仍有火山活動?

火星是太陽系中僅次於水星的第二小的行星,長期以來一直被認為是一顆死寂的星球。但最近的一系列發現使科學家們開始重新思考火星的內部活動是否仍在繼續。很久以前,火星是一個充滿災難的世界:巨大的火山噴發出熾熱的熔岩,摧毀了這顆紅色行星的表面。如今,這些火山十分安靜。由於缺乏任何熔岩存在的證據,科學家推測火星的火山活動在很久以前就停止了。

火星的英文名「Mars」意思是羅馬戰神,但它似乎不太像戰神,而更像是戰神的手下敗將,顯得陰冷、平靜且毫無生氣。

然而,近期的研究表明,關於火星一片死寂的假設是完全錯誤的。科學家從軌道飛行器的一系列探測結果中發現,火星的古老熔岩流並沒有原先想象的那麼古老,其中一些似乎是在過去幾百萬年里,甚至可能是在最近幾萬年里從火山坑或裂縫中噴發出來的。

沉寂已久的火星是否仍有火山活動?

毫無疑問,火星曾經有過火山活動。火星勘測軌道飛行器在奧林匹斯山底部發現了熔岩流的記錄(左),以及古代熔岩流留下的螺旋狀圖案(右)。

美國國家航空航天局(NASA)的「洞察號」(InSight)着陸探測器已經對火星內部結構進行了兩年的探測,並捕捉到了一些奇怪的地震信號,而這些信號來自一個年輕的火山活動地點。研究人員在2020年12月的一次會議上公布了這些結果,盡管尚無定論,但他們認為洞察號可能「聽」到了岩漿震動的聲音。根據此前的推測,火星的火山活動早在遠古時代就已經沉寂。

美國亞利桑那大學的行星科學家克里斯托弗·漢密爾頓說:「這是一個非常令人興奮的發現,如果得到證實,這將表明火星有機會躋身目前太陽系火山活動最為活躍的星球之列。」

如果未來的數據和分析證實火星確實存在岩漿,那將是一個革命性的發現。美國北卡羅萊納州立大學的行星科學家保羅·伯恩表示,這將成為十分有力的證據,支持科學家一段時間以來所持的一種猜測:一些火山活動看似完全停止的岩石行星其實並沒有「死」,它們還「活着」——或者換句話說,「這些世界的死亡非常緩慢」。

我們對行星內部幾乎沒有確切的認識,包括我們所生活的地球。這是一個不容忽視的問題。「行星的熱演化支配着一切,幾乎沒有例外,」伯恩說。從生物賴以生存的地表狀態,到行星大氣的演化,「這是同一個故事——行星正在冷卻。這是唯一重要的事情。」

火山活動是一顆行星內部熱量的外在表現,也是它散熱的主要方式。與此同時,火山噴發也給行星表面塗上了一層新的物質。如果能了解火星的火山如何形成,以及這些火山噴發岩漿的能力如何,我們就可以了解火星內部結構的演化,並將其與地球進行比較。因此,如果洞察號探測到的真的是岩漿,那我們就離真正了解火星和地球更近了一步。

沉寂已久的火星是否仍有火山活動?

1659年,荷蘭天文學家克里斯蒂安·惠更斯用自己設計的望遠鏡觀察了火星,並繪制了第一張火星表面的草圖。

新的裂痕

火星無疑是一個火山世界,它的表面覆蓋着令人印象深刻的熔岩山和壯觀的熔岩流。在45億年歷史的早期章節中,火星誕生了太陽系中最高的火——奧林帕斯山(Olympus Mons)。這座火山的規模大得離譜:高度幾乎是珠穆朗瑪峰的3倍;如果把它放在紐約之上,其邊緣幾乎可以從波士頓延伸到華盛頓特區。奧林帕斯山是盾狀火山,由流動性高的玄武岩質長期噴發累積而成,其山頂的破火山口是地下岩漿庫空了之後塌陷形成的。整個火山的坡度非常緩,巨大的寬度使得從火星表面無法見其全貌;也就是說,在山腳下,你是看不到山頂的,因為那遠在地平線之外。

奧林帕斯山的噴發似乎在很久以前就停止了。在很長一段時間里,研究人員認為火星所有火山活動的跡象都在數億年前結束了,甚至可能是數十億年前。這個假設的基礎是關於內太陽系演化的若干歸納。

以內太陽系的5個岩石星球為例。金星和地球差不多大;火星、水星和月球要小一些(火衛一和火衛二是火星的兩個土豆形狀的衛星,比地球的月球還小一個數量級)。

紐約州立大學布法羅分校的行星火山學家特蕾西·格雷格表示,當涉及如何為一個星球提供能源時,「最重要的是它的內部」。很久以前,這5個星球的內部都具有兩個豐富的熱量來源:一是在劇烈形成過程中遺留下來的原始熱量;二是放射性衰變所產生的熱量。這些熱量最終通過輻射和火山爆發釋放出來。

劇烈的火山爆發可以使行星降溫。對於更大的行星,如地球和金星,需要更長的時間來釋放內部熱量,因此保持火山活動的時間也更長。平均而言,地球上已知的任何時刻都有40座火山在噴發。對於金星,目前我們還無法透過厚厚的雲層看到其表面情況,但大量的間接證據表明,這顆行星幾乎肯定還在噴發。

較小的星球似乎會更快地耗盡燃料。自從人類第一次將望遠鏡對准火星以來,在四個世紀的時間里,我們一直沒有發現火星有火山爆發的跡象,研究者也因此假設火星的火山活動早已停止。

但近年來,科學家在估計火星陷入沉寂的確切時間時,發現了一些蹊蹺。2017年的一項研究表明,火星上另一座巨大火山——阿爾西亞山(Arsia Mons)——的破火山口中的熔岩可能出現在5000萬年前,那時候霸王龍已經在地球上滅絕了很久。

然後就是科珀洛斯槽溝(Cerberus Fossae)。

沉寂已久的火星是否仍有火山活動?

科珀洛斯槽溝是火星上具有數條狹長裂縫的區域,也是火星上最年輕的部分之一。最近的發現提出了一種可能性,即該地區至今仍有活躍的地質活動。

2019年,研究人員對幾次「火星震」事件進行了分析,發現這些事件都可以追溯至科珀洛斯槽溝。該地區具有數條狹長的裂縫,寬數百米,總長超過一千公里,是火星上發現的第一個活躍的斷層帶。這是這個行星上非常奇怪的一個地方。

估計一顆行星表面年齡的最好方法是分析岩石,利用其元素的放射性衰變作為地質時鍾。但目前為止,我們在地球上所見的火星岩石都是以隕石的形式出現的,而這些隕石可能來自火星表面的任何地方。因此,研究人員不得不依賴撞擊坑計數來進行估算。簡單地說,如果像火星這樣的行星上沒有顯著的侵蝕過程,那麼更古老的表面應該有更多的撞擊坑。很顯然,撞擊坑計數無法給出絕對的年齡,只能給出相對的年齡。

科珀洛斯槽溝明顯缺乏撞擊坑,「它絕對是火星上最年輕的表面之一,」格雷格說。早期對科珀洛斯槽溝的軌道勘測表明,就地質特徵而言,某種流體曾在不久之前沖刷過該地區。在一段時間內,研究人員無法確定這種流體是水還是熔岩。但在分析了過去20年來由高分辨率攝像機拍攝的圖像後,「我們能夠確定這兩種東西來自不同的時期,」格雷格說。

漢密爾頓指出,阿薩巴斯卡谷(Athabasca Valles)熔岩流是其中一次明顯的噴發,時間就在不到2000萬年前。在幾個星期的時間里,一股熔岩急流噴薄而出,覆蓋的面積超過了英國的面積。

漢密爾頓在不久前與人合著了一篇論文,目前正在進行修改,准備發表在《伊卡洛斯》(Icarus)期刊上。他們研究了科珀洛斯槽溝的一個較小的火山沉積區域。這些沉積物可能來源於一次劇烈的噴發,當時火山灰覆蓋了這一地區。細致的撞擊坑計數表明,該區域的年齡可能只有100萬年,甚至是更加年輕的53000年——從行星歷史的角度,這簡直就像是昨天。

沉寂已久的火星是否仍有火山活動?

這張地圖顯示了火星的火山區域,包括科珀洛斯槽溝(2)和奧林帕斯山(4)。

這篇論文的第一作者、亞利桑那州圖森市行星科學研究所的研究者大衛·霍瓦特表示,學術界長期以來一直懷疑科珀洛斯槽溝是一個非常年輕的火山活動場所,「我們只是在堆砌證據來支持這一觀點」。

不過,隨着對火星火山活動的年齡估計越來越年輕,又有了一個令人好奇的問題:火星現在是否仍有火山活動?

監聽火星地震

2018年11月26日,美國國家航空航天局的洞察號火星探測器在距離科珀洛斯槽溝約1600公里的火星埃律西昂平原(Elysium Planitia,又稱極樂平原)着陸。探測器的有效載荷包括一個熱流儀、一個磁力計和一個地震儀,這使它成為第一個裝備齊全的「星際地球物理學家」。它將人類對地球內部的理解匯總起來,並將其完全應用到另一個星球上。

從地震的角度來說,火星比地球安靜得多。但洞察號的地震儀仍然捕捉到了一連串強度不一的火星地震信號。有些信號是斷層滑動,但更多信號並沒有明確的來源。在2020年12月美國地球物理聯盟的年會上,NASA噴氣推進實驗室的行星科學家沙侖·凱達爾及其同事提出了一種引人關注的可能性:一些低頻率的火星地震信號可能是地下深處岩漿流動的聲音。

他們的報告只展示了尚未經過同行評議的初步結果,因此不能作為明確的斷言。該論文最近已被《地球物理研究雜志》(Journal of Geophysical Research)接收,但在發表之前,相關研究人員拒絕接受媒體的采訪。其他研究者表達了對這一發現的興趣,盡管他們還在等待更多的數據。格雷格說:「認為這可能源於岩漿其實並不離譜。」

在地球上,地震學家可以通過使用多個地震儀來確定地下的震動聲。只要測量地震波在三個或更多地點的准確到達時間,我們就可以對震源進行三角定位。盡管在火星上只有一個地震儀,但這無疑是一個非常強大的地震儀。日本東京工業大學地球-生命科學研究所的全球地震學家克里斯汀·豪澤說:「他們並沒有隨便發射一台地震儀,而是派出了有史以來最靈敏的地震儀之一。」

「我更願意稱之為納米地震學,因為我們真的是在觀察原子尺度上的運動,」美國馬里蘭大學的地球科學家尼古拉斯·施默爾說道。他參與了洞察號的探測工作。在火星上,洞察號的地震儀甚至能捕捉到沙塵暴在寒冷沙漠上盤旋時發出的微弱轟隆聲。

沉寂已久的火星是否仍有火山活動?

洞察號探測器的有效載荷包括一個熱流儀、一個磁力計和一個地震儀,這使它成為第一個裝備齊全的「星際地球物理學家」。

洞察號的地震儀通過兩種方法來估計火星地震波的來源。第一種方法就像通過測量雷聲的延遲時間來估計雷擊的距離。地震波的兩個分量——縱波(P波)和橫波(S波)——以不同的速度傳播,它們之間的時間差可以使科學家計算出到震源的距離。

此外,地震波具有極化的特性:其一個分量為東西方向振動,另一個分量為南北方向振動,第三個分量則是垂直運動的。洞察號測量了每個分量的相對強度,從而揭示了地震波的方向。沙侖·凱達爾的團隊分析了5個神秘的火星地震事件。其中兩個事件具有強烈的極化信號,使得它們可以比較明確地追溯至科珀洛斯槽溝。這兩次地震似乎是常規的普通構造地震。

其他三個地震事件的信號很弱,因此研究人員只能測量P波和S波到達時間的差異。研究團隊也因此得出了一個距離。參與洞察號工作的英國布里斯托大學地震學家安娜·霍勒斯頓表示,在這一半徑范圍內,科珀洛斯槽溝是最有可能產生地震信號的地方,但這些信號仍可能有其他來源。

這三個信號類似於地球上與流動的流體有關的信號。研究人員嘗試模擬產生這些信號的現象,發現不能排除一種特殊的流體——岩漿。他們模擬了岩漿在60公里深處的狹窄通道中流動時產生的信號。

格雷格描述了這些岩漿運動時產生噪音的一種方式:「當岩漿通過一個管道流動時,管道就會震動,就像你將空氣推入聲帶一樣。你的聲帶會振動,然後發出聲音。無論是水還是岩漿,發出的聲音都應該是不同的,就像你吸過氦氣時聲音也會改變一樣。」

漢密爾頓表示,在地下60公里處,任何流體都必須是岩漿,而不是水。但加州大學聖克魯斯分校的行星科學家米沙·克雷斯拉夫斯基指出,這些微弱的信號並不包含足以提供精確震源深度的詳細信息。

地震信號也可能不是表面上看起來的那樣。美國西華盛頓大學的地震和火山學家傑姬·卡普蘭-奧爾巴赫指出,當地震波通過地面振盪時,其高頻分量會比低能量分量更快地損失能量。也許在從科珀洛斯槽溝到洞察號旅程中,這些信號的高頻部分變弱了,使其看起來就像低頻事件,而這通常與移動的岩漿有關。

不過,即使考慮到這些因素,科學家們依然對不能排除岩漿的存在感到興奮。克雷斯拉夫斯基稱,到目前為止所得出的一切推測都是完全合理的。霍勒斯頓則持保留意見,但她補充道,這並不是說火星地下沒有岩漿。所有人都注意到,這些隆隆聲很可能來自火星上最年輕的火山部分,這不太可能是巧合。「這太棒了,」格雷格說,「我是說,這很有道理,對吧?」

當然,科學家們還有很多工作要做,也需要更多的地震數據來完善這一假設。但不可否認的似乎,洞察號獲得的數據正在改變我們對火星內部的了解。

重新思考地球

近期有關火星的研究向我們強調了一個事實:我們對各個星球內部的情況了解甚少。「我們不知道內太陽系放射性元素的分布情況,」格雷格說,「我們什麼都不知道。」如果假設火星具有與地球誕生時相同數量的放射性元素,那麼一個寒冷的火星就是不合理的。但對於這種假設,「誰又能說它是真的呢?」

火星也不像地球那樣具有分裂的地殼:它缺乏可移動的構造板塊,而這些板塊會讓熱量通過裂縫逸入太空。也許這有助於保持火星內部的余溫。

如果能測量火星的內部溫度,我們或許就能更容易地計算出火星的火山活動能力。但洞察號的熱傳感物理特性箱——被親切地稱為「鼴鼠」(mole)——未能挖得足夠深,無法得到准確的讀數。然而,洞察號的地震數據表明,火星內部的溫度可能足以讓火山保持活躍,但方式與地球不同。

沉寂已久的火星是否仍有火山活動?

在科珀洛斯槽溝發現的火星表面裂縫穿過山丘和火山口,這意味着它們肯定比其他表面特徵更加年輕。

即使存在火山活動,科珀洛斯槽溝下的岩漿也可能永遠不會再噴發到火星表面。盡管火星的巨型火山令人印象深刻,但許多岩漿似乎都注入了火星的上地殼,並停留在那里,有時會產生巨大的火山突起。

不過,火星表面的噴發是可能的。可能不像地球表面那樣每天都噴發,但與地球一樣,火星也會時不時地發生史詩般的熔岩流——每次爆發之間相隔數百萬年。漢密爾頓說:「如果在500萬到1000萬年內火星上沒有另一次大規模的地表噴發,我會感到不可思議。」

如果火星現在仍然有火山活動,那麼另一顆較小的星球也可能如此。月球上有一塊區域看起來像一個由水銀液滴組成的大碗,而這些火山泡沫可能只有1億年的歷史。「火星的直徑只有地球的一半,」格雷格說,「我們甚至不能肯定地說,只有地球四分之一大小的月球已經完全死寂。」

「我認為月球在未來的某個時候還會再次噴發。」伯恩說,「我想水星也會,為什麼不會呢?」這些星球可能並不像我們習慣認為的那樣安靜。也許它們的火山在爆發之間停頓了太長時間,以至於人類沒有注意到——火山爆發不斷的地球反而像是一個異類。「從各個方面來看,地球都是很奇怪的一顆星球,」格雷格說。

來源:cnBeta