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钱学森参与的实验室,正在南极冰下测试,欲到木卫二找外星生命

钱学森参与的实验室,正在南极冰下测试,欲到木卫二找外星生命
2020年03月28日 18:01 新浪网 作者 探索万物奥秘

  当你仰望星空之时,会不会思考我们在宇宙中是否“唯一”?这个问题一直困扰着人类,同时也推动我们不断地探索和找寻答案。

  2019 年年末,美国国家航空航天局(NASA)的科学家们在南极完成了对 “冰下探索浮力探测车” Bruie 的实地测试,他们希望有一天这个探测车能前往木卫二,探索这颗星球上的“冰下海洋” 是否拥有生命的存在。

  Bruie 是 NASA 喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory)设计的、用于冰下探测的原型设备。而该实验室的诞生,还和被誉为 “中国航天之父” 和“中国导弹之父”的钱学森有着密切联系。

  钱学森参与的实验室,正在南极冰下测试,欲到木卫二找外星生命

  图 | NASA 喷气推进实验室官网截图(来源:NASA)

  当年,钱学森在获得了麻省理工学院航空工程的硕士学位之后,转到加州理工学院航空系学习,并成为了世界著名科学家西奥多 · 冯 · 卡门(Theodore von Kármán)的弟子。

  钱学森和另外四名加州理工的学生一起在校内试图制造火箭燃料,差点把宿舍都烧光了。但学校没有开除他们,而是把他们赶到了学校附近河谷中的一个农场里,在冯 · 卡门的指导下继续研究。随后,这个河谷中逐步发展的实验基地,在今天就成为了 NASA 著名的喷气推进实验室。

  目前,这所实验室的项目主要包括火星科学实验室任务、“卡西尼 - 惠更斯”土星探测计划、火星侦查与探测计划,以及各种行星发现、NuSTAR X 射线望远镜和斯皮策太空望远镜(Spitzer Space Telescope)等。

  喷气推进实验室设计这样一个用于冰下探索的浮态探测车,是因为木卫二可能存在的、待发现的“外星生命”,一直吸引着科学家们的目光。

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  图 | 木卫二(来源:NASA)

  木卫二,也叫 “欧罗巴(Europa)” 是木星的天然卫星之一。在 1610 年被伽利略发现,并用希腊神话中一位美丽的腓尼基公主之名为其命名,它也是 4 颗伽利略卫星(木卫一 / 伊奥、木卫三 / 盖尼米德和木卫四 / 卡利斯托)中最小的一颗。木卫二比月球稍小一些,主要由硅酸盐 岩石构成,并具有水 - 冰地壳,以及一个可能的铁-镍核心。它有稀薄的大气层,主要由氧气组成;并且表面有大量裂缝和条纹,却极少有陨石坑,是太阳系已知星体中表面最光滑的。

  它看似拥有着形成生命的几点要素:大量的水、可能的化学与潮汐加热而成的能量,这是一种由 “引力拖船” 作用于星球的现象。其不仅能够驱动化学反应,还能通过热液喷口帮助化学物质在岩石、地表和海洋之间移动。

  不过,木卫二的表面温度在其赤道附近平均为 -163 ℃,而两极更低,只有 -223 ℃;所以其表面的水是永久冻结的。但是科学家早期推测,潮汐力所提供的热能可能会使表面冰层以下的水保持液态。而随着人们对其不断探索,越来越多的证据表明,在冰冻的表面之下存有广阔的“海洋”,甚至其规模可能是地球上海洋的二到三倍。

  2013 年 12 月,NASA 宣布在木卫二表面发现黏土质矿物或可育成新生命;2016 年 9 月,NASA 的专家杰夫 · 尤德(Jeff Yoder)称,木卫二的地下海洋被认为是太阳系中最有希望存在生命的地方。

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  图 | 太平洋的深海热液喷口生物群落,也是对木卫二上生命的假象类比(来源:National Undersearch Research Program,NURP)

  这次对 Bruie 进行 “实地” 检测的地点,NASA 选择在了南极洲东部。六名科学家和工程师在一群企鹅的围观下,将探测车从冰层的一个裂口中投入到冰冷的海水中。这个裂口通向的深度接近两米的冰层之下,即便是美军的海豹突击队潜入都会有极大的风险。

  NASA 喷气推进实验室的科学家们自 2017 年开始,就一直在开发冰下探索浮力探测车。其设计将儒勒 · 凡尔纳(Jules Verne)在写科幻小说时的创造力,与制造设备的最简单结构相结合:仅通过一根轴连接着两个披萨饼大小的轮子而组成。

  “冰下浮力”的意思,就是海洋把它压在冰架的腹部;当探测车行进时,它的传感器会收集数据。在南极东部澳大利亚基地卡西站(Casey Station)附近的奥布赖恩湾(O'Brien Bay)冰层下进行的野外测试中,探测车 Bruie 成功经受了 3 次时间均为 3 小时的严酷环境考验。

  第 4 次关键测试,研究人员将探测车浸没在冰下长达 42 小时 30 分钟。该项目的首席工程师安迪 · 克莱斯(Andy Klesh)使用笔记本电脑来操控探测车。尽管探测车 Bruie 可以通过卫星连接进行导航控制,但在执行此任务期间,机械工程师丹 · 贝里斯福德(Dan Berisford)还是小心地给它系上了一条黄色细绳。

  探测车 Bruie 在冰下缓慢而平稳地游动着。一台机载摄像机将视频传输到安迪的笔记本电脑上,揭示了一个比南极表面更陌生的地方。除了好奇的企鹅,这片大陆一片荒芜,几乎没有生命。但在下方几米处,Bruie 发现有巨大的褐色海藻网紧贴在冰上,鱼会在其周围游动并蚕食它。随着光合作用的积聚,其周边氧气气泡也在逐渐积累。

  不过,尽管这一次对 Bruie 的实测结果十分成功,但目前尚不确定在何时能让它访问木卫二。这并没有阻止 NASA 的工程师和科学家们积极地开发新技术来帮助其太空探索任务。

  从地球来的宇宙飞船要在木卫二着陆需要花费几年的时间,NASA 的伽利略计划在 20 世纪 90 年代对木卫二进行了密切的研究。而下一个造访的探测器将是木卫二快船(Europa Clipper),其计划在 2025 年之前发射。在发射的几年后,当快船到达时,它将绕着木星轨道运行,并在不同的角度与木卫二相遇数十次,以便彻底扫描并绘制出星球的地图。

  NASA 喷气推进实验室的该项目负责人凯文 · 汉德(Kevin P. Hand)对外表示:“在木卫二冰层下的海洋里建造一艘像 Bruie 这样的浮力探测车或其他潜水器等交通工具是我们的长期愿景,我们希望有一天能实现它。探测车任务将在木卫二快船和到达火星表面的登陆器之后进行。目前这些前期工作将为穿越冰层、到达海洋奠定基础。””

  在木卫二上,真正的行动都会在冰下海洋中进行,如果有一个能实现冰下行走并检测的探测车会十分有帮助。同样,还可以去探求木卫二表面的辐射化学和地球物理学可能为其深处的生命提供氧气的机制。

  钱学森参与的实验室,正在南极冰下测试,欲到木卫二找外星生命

  图 | 下水之前的探测车 Bruie (来源:Nasa / jpl-Caltech)

  “为了进行这类研究,任何海底探测车都必须是非侵害性的。虽然冰下探索浮力探测车 Bruie 可能会近距离遭遇从冰盖底部散落下的脆弱藻类,但 Bruie 会非常绅士地踮起脚尖躲避开来。”曾与加州理工学院和西澳大利亚大学合作的技术专家丹尼尔 · 亚瑟(Daniel Arthur)如此解释道。

  “但探测车 Bruie 可能会存在电力短缺的问题。”丹尼尔 · 亚瑟补充道,“所以要尽可能地让探测车在工作时少消耗能量,尤其这还是一种潜艇型的无人设备。我们不希望因探测车没电而抹杀掉人类与外星生命的初次相遇。”

  南极科学家艾莉森 · 默里(Alison Murray)表示:“地球上的冰和海洋的界面是物理、化学与生物学相互作用的区域,该区域富含各种微生物。我们想了解这些界面的可居住性,以及该区域的生物多样性;通过探测车 Bruie 在地球上的实验,也会让人们能更好地推测木卫二的黑暗水域中是否真的能维持生命。”

  项目负责人汉德希望他们在探测车 Bruie 等设备上的工作能够推动机器人的发展,以便探索冰与海洋交界处的地球冰冻圈。“我希望,从工程学角度出发,先在地球上完成相同的工作,以便获得能在探索木卫二的冰下海洋时起到作用的能力。”他说道。

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