到火星「深」度探索——洞察號出發!

 
2018/05/10 邱惠玲 | 國立鳳新高級中學     2,546
2018年的「InSight洞察號計畫」是NASA火星探測任務的重要里程碑,這是繼好奇號後再次讓探測設備登陸火星。而在前一年年底,NASA還舉辦了「留名火星」的活動,公開募集全世界民眾的姓名,準備刻在晶片上讓洞察號一起帶去。活動如此盛大,不禁讓人好奇,到底洞察號和先前的任務相比,有什麼特別之處?讓我們一起來看看吧!
 
 
你會用什麼樣的方式認識自己居住的這塊土地?可能是親自走一趟,好好觀察環境或與人交談。如果想認識地球的「內在」,一般民眾就很難完成了,這需要一些技術:人們先是挖洞鑿井,然後學會使用地震波探知地球內部的分層。如果觀察的對象是月球,或是更遠的火星呢?我們能不能探訪、挖洞、布置儀器,甚至與「人」交談呢?
 
美國國家航空暨太空總署(National Aeronautics and Space Administration,以下簡稱NASA)進行一系列火星探測任務,任務中大多是讓飛行器在軌道上觀測,僅少數如好奇號,能成功登陸並進行地表的採集與實驗。然而,針對火星地底結構的直接探測,一直沒有進行,因此有了「InSight(洞察號)」的計畫。
 
 
   InSight洞察號任務概要
 
NASA一直希望能如同登月一樣,讓太空人登陸火星,更進一步能在火星尋找或建立適合人類居住的環境。因此,火星任務訂了一個重要目標,就是2030年將人類送到火星上。這個目標需要許多任務探路或鋪路,洞察號就是其中一個。原本洞察號要在2016年3月發射,可是洞察號放置地震儀的儲藏室出現裂縫,嚴重到會影響實驗數據。每一次的太空任務都要花費很多的經費,當然不可以就這樣讓它去火星。依據地球和火星對應位置,下一個適合發射的日期是26個月後,於是發射日期改為2018年5月5日。洞察號發射後,將降落在火星的赤道附近,並在登陸火星後進行至少728天(地球日)的任務。
 
 
洞察號英文原名InSight-Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport,說明了洞察號的三個重要的工作:使用地震波探測火星結構、針對火星做大地測量,以及了解火星地底下的熱傳導與熱散失速率。也就是要藉由洞察號,了解「火星自身的生命跡象」,看看火星的脈搏、體溫和反射神經,幫火星做個斷層掃描。
 
不像過去的火星車能到處跑來跑去,洞察號是定點登陸,降落後必須將自己固定在火星赤道附近,以確保一整年都有充足的太陽能使用。因應在火星上預計進行的地球物理實驗,洞察號主要攜帶的儀器有三個:熱流偵測器、地震儀和RISE定位天線。熱流偵測器能主動深入到至少5公尺深的地底下,偵測來自火星內部的熱流量和熱散失速率;地震儀則能利用地震波偵測火星地底的波速變化,分析出火星內部各層的大小、厚度、密度和結構,同時藉由地震波確認火星目前是否有板塊活動,以及火星受隕石撞擊的現況;RISE定位天線可以讓我們精確追蹤洞察號的位置,藉此測量火星極北軸因繞太陽公轉而產生晃動的程度,就能定出火星內部鐵核的大小。
 
探測熱流量和火星的分層,不只解決了我們對火星的疑惑,也有助於了解類地行星的分異過程(可以想像成行星形成時的內部分層過程)。為什麼呢?因為目前的學說支持,太陽系行星在形成過程中,藉由各種微行星碰撞或合併而逐漸長大。在這個假設下,類地行星比類木行星保留更多訊息,而類地行星中又以火星最適合研究,因為火星大小適中,大到能完整經歷吸積、內部加熱及分異的過程,卻又小到能保存這些記錄長達40億年。此外,火星的地質活動和地球比起來較不活躍,這些蛛絲馬跡較不受破壞,我們應該還能找到太陽系演化的資訊,也因此洞察號計畫將火星的形成與演化,列為重點科學研究目標。
 
   承先啟後的重要角色
 
首先我們必須知道,火星探測任務是一系列的,每個任務都有階段性目標。有可能是為了知道什麼地方適合登陸,有可能是為了了解哪邊有水或冰,也有可能是為了知道生命是不是曾經出現、未來會不會出現這種問題。不同年代遭遇的問題不一樣,要解決的困難也不一樣。所有看似並不相關的任務,實際上彼此環環相扣。洞察號任務,也有其承先啟後的角色定位。
 
過去了解火星的地質,是先觀測火星的地表,然後和地球一樣使用截切、疊置或水平沉積定理,逐漸將火星的地質狀況推論出來。因此,火星上不同地貌的年齡,是利用年代地層學做出來的相對地質年代,而年代的區隔,則假設越老的地方越多撞擊坑,用撞擊坑的密度區分出火星的地質年代。地球上能使用放射性同位素進行定年,火星卻沒辦法,因為我們還拿不到樣本。顯示了地球上的規準,在火星上不見得完全適用,必須有更多火星的數據,說起火星的事情才有可信度。
 

 
以水手峽谷的形成為例,1970年代認為是永凍土解凍後的熱喀斯特作用造成。科學家認為,當時的火星環境液態水不易存在,即使曾有人提出水手峽谷為河道或水侵蝕而成的說法,卻不是那麼多人能接受。隨著觀測技術進步,研究資料變多,目前認為水手峽谷是張裂後發生山崩,或張裂後被侵蝕而產生。可是,這樣的說法缺乏足夠的動力或熱力資料佐證。又比方說,我們認為火星具有地殼、地函和地核的結構,但這也是先知道火星質量後,使用轉動慣量推算出可能的分層和厚度,細部結構仍不確定。
 
 
洞察號在火星任務中,扮演一個穿針引線的重要角色,延續著過去的計畫,也為未來的計畫鋪路。由於過去鳳凰號成功的在極區登陸,進行生命與水冰的探測,因此洞察號的飛行器就沿用鳳凰號的技術,不再外加新系統,以降低飛行器在火星登陸的風險。降落地點也是根據各個火星任務總結的結果,挑選出最適合登陸的地點。除了硬體設備,實驗技術也是承接過去的任務而來,例如地震儀技術和地球物理實驗,是月球上物理實驗的進階版,地震儀的布置與地震波測量地層的方法,過去在阿波羅計畫中已進行過。承接這些經驗,科學家才能安排這樣的一個計畫——畢竟洞察號是第一個在火星上直接接收地底資訊的登陸器。
 
 
洞察號的任務中,還有一個訊號中繼站的小測試。當洞察號發射時,同時會攜帶兩個小型的飛行器「MarCO(Mars Cube One)」一起去火星。這兩個飛行器都是由6個10公分大小的立方衛星(Cubesat)組成,到達火星以後,他們會按照各自的飛行軌道繞著火星公轉,作為洞察號與地球聯繫的中繼站。
 
 
過去如果想讓與火星上的登陸器彼此聯繫,必須依賴放在火星上空的衛星——火星勘測軌道衛星(Mars Reconnaissance Orbiter,以下簡稱MRO)。登陸器和地球聯繫時,訊號會先傳到MRO,讓MRO處理訊息後再傳回地球。這段過程並不是即時的,因為訊息處理會有約1小時的延遲,由地球丟訊號過去也是一樣的情況。如果只是叫登陸的機器去哪邊轉轉還不打緊,萬一是飛行器登陸前發生什麼事,根本無法應變。使用MarCO的話,訊號的處理延遲大概10多分鐘,雖然還是延遲,但比起MRO快很多。更重要的是,立方衛星較為便宜,將它作為訊號中繼站的花費,絕對比發射一個大型軌道衛星划算。如果這次的試驗成功,未來登陸其他行星,就可以比照辦理,帶著立方衛星一起去,而不必大費周章先設置通訊衛星。那萬一這次的測試失敗呢?火星上空還有MRO備用著呢!
 
   洞察號之後
 
有點像是打怪練經驗一樣,這一系列的火星探險任務,幫助我們逐一了解了火星的大氣成分、地質條件、分層構造、磁場分布、內部的熱流,以及熱對流可能伴隨的板塊運動,甚至希望能了解太陽系的起源。接下來呢?我們還想做什麼?緊接著洞察號之後將進行的火星計畫,是研究火星是否具有「生命發展潛能」的火星2020探測車任務(Mars 2020 rover mission)。這項任務會到處收集火星的岩石和土壤樣本,想辦法帶回地球研究。若計畫順利,或許真的能在2030年將人類送到火星,再持續進行一些實驗測試,也許有生之年我們就能去火星度假或拓荒了。如果你覺得等待太漫長,太空好遙遠……NASA近年的計畫都會安排活動讓民眾參與,比如幫任務命名,或是像洞察號,把你的名字放在晶片一起帶到火星之類的,雖不見得流芳萬世,至少能參與任務,共襄盛舉!這麼有趣的事情怎麼能錯過呢?就讓我們一起持續關注太空計畫吧!
 
(本文由科技部補助「科普資源整合運用與推廣整合型計畫」執行團隊執行編輯)
審校:黃崇源|國立中央大學天文研究所