悬浮在火星空气里的奇异物质，一个大发现

　　它们可能是生命的产物。

在另一颗行星上寻找生命，只需寻找所谓的“生物标记”即可。生物标记是指与生物活动有关的化学光谱特征。事实上，我们在另一颗行星上找到过这样的标记。2003年，天文学家用望远镜在火星大气里发现了甲烷。但起初存在争议，以致于他们没有发表这一结果。直到最近，好奇号火星车证实了火星上确实存在甲烷。这是迄今为止人类掌握的最切实证据，表明我们在宇宙中可能并不孤独。

无论这些甲烷从何而来，都是一个非常令人激动的发现。甲烷分子在火星大气中的平均寿命只有大约300年，它很容易被阳光中的紫外线和其它气体破坏。火星大气理应在远古时代就已经失去了所有的甲烷。所以，要么火星上有什么东西在制造甲烷；要么这些甲烷形成于古代，且一直深埋地底，偶尔泄露。在地球上，95%的甲烷是生物制造的。所谓的产甲烷菌以有机物为食，甲烷是它们的排泄物。它们在地球的湿地中广为分布，制造出了全球大气中将近四分之一的甲烷。甲烷产量排在第二位的，则是奶牛肠道中的细菌。由此人们推测，火星上可能存在微生物，因而寻找甲烷也成了当务之急。

　　下面有什么？2004年，火星快车在这片名为“阿拉伯高地”的区域检测到了甲烷。NASA / JPL / 马林空间科学系统

即便这些甲烷并非源自生物，也足以让我们重新审视这个看上去死气沉沉的异世界。甲烷可以通过一种名为“蛇纹石化”的地质过程生产出来。这样的地质过程在地球上非常常见，我们尤其可以在大洋底部温暖的热液喷口附近找到它们。“蛇纹石化”需要两个条件，一个是地热，另一个是液态水。而这两者又恰好是生命的两大要素。

　　火星甲烷的神秘之处不仅仅是它出现在了一个不可思议的地方，更是由于它的浓度之高。这些甲烷分布在火星表面的许多地方，出现时间也各不相同。所以我们不但不知道它来自何处，更不知道它们因何汇聚在一起。揭示这种变化的首个明确证据出现在2003年天文学家Michael Mumma的报告中。随后几年，罗马行星空间物理研究所的Vittorio Formisano等人也公布了来自欧空局火星快车轨道器的检测报告。虽然数值要低许多，但他们也发现了火星甲烷的浓度会发生变化。火星快车检测到的全球甲烷平均浓度大约是15ppbv。我们可以把这个数值和地球作个比较，地球大气的全球甲烷平均浓度大约是1875ppbv。

火星确实是个活跃的地方，它的过去和现在都有可能存在显微生命。

这些数据，是科学家通过观测火星大气反射的阳光获得的。他们在光谱中寻找甲烷的红外特征。地面望远镜由于要穿透地球大气，而地球大气也包含甲烷，所以进行分析时，科学家必须把火星的甲烷特征和地球甲烷特征区别开来。在火星轨道上飞行的探测器不会遇到这样的问题，但也有它特有的困难，它必须避免甲烷的谱线和同一地区其它气体的谱线发生重叠。这两个科研团队的工作都相当仔细，但他们取得的成果却仍有争议。

　　甲烷嗅探器。这样一个可调式激光光谱仪被安装在好奇号上，它可以用来检测甲烷产生的脉冲。NASA / JPL-加州理工学院

为了解答这个问题，2004年时，NASA把一台设备安装在了好奇号火星车上。这是一台样本分析仪，其中包括一台可调式激光光谱仪。这台光谱仪能够测定火星大气中的甲烷含量。它首先会对火星的大气进行采样，把火星空气封装进一个咖啡杯大小的单元内，然后射出一道红外激光，测量气体对激光的吸收情况。在对各个波长进行扫描后，可以从中找到甲烷等气体产生的独特印记。只要甲烷的浓度在2ppbv以上，这台光谱仪就能依靠其自身的能力把它检测出来。为了获得更高的灵敏度，采集到的气体会用一些能够把大部分二氧化碳气体吸收掉的化学物质进行过滤，以丰富甲烷产生的信号，并将误差缩小到大约0.1ppbv。这种技术自1980年代后便已被人们采用，它曾被用来在空中测量蓄积在臭氧层空洞内的氯，曾被用来测量卷云中的氘-氢比例，也曾被用来在许多地方对甲烷进行测量。

但是这台仪器有一个潜在的出错根源。发射前几个星期，探测器及其搭载的仪器都会暴露在地球大气中，以便组装、测试，以及作发射前的准备。因此这台仪器的前光学腔（激光束要经过这里，然后再射入样本腔），残留了少量包含甲烷的地球大气。为了消除这一污染的影响，每一例样本检测，都要重复三次。第一次我们将样本腔内的火星大气抽干净，使之保持真空状态；在这种情况下，我们获得的甲烷数据只和这一小片偷渡而来的地球大气有关。随后我们注入火星大气，进行第二次检测。最后我们抽空样本腔，再检测一次。通过这种方法，我们可以排除地球大气污染物带来的影响。好奇号在火星上的这几年间，我们没有发现前光学腔内有泄漏迹象。因此这些污染物带来的影响是稳定的，它们和我们观测到的火星大气甲烷浓度变化没有关联。

这台仪器自好奇号2012年8月登陆在火星表面的盖尔陨坑以来便开始工作。在这三年多时间时间里，它观测到火星大气的背景甲烷浓度大约是0.5ppbv。这一背景浓度的数值和火星季节的轮替有关，所有针对甲烷的检测结果都呈现出了可重复性。这些背景甲烷可能来自周期性陨落在火星表面的彗星或陨石，它们携带的有机物在阳光紫外线的作用下被分解为甲烷。甲烷浓度的季节性变化可能和到达火星表面的紫外线流量变化有关，这也透露出许多和到达火星表面的有机物有关的信息。

令人吃惊的事发生了。在为期两个月的单一观测周期中，我们观测到了连续四次出现的7ppbv甲烷浓度峰值。这么高的数值很难用彗星、陨石或尘埃来解释。它们肯定是火星自己产生的――也许来自着陆点以北某处范围相对较小的地底。火星上有风，它们会把甲烷吹散，因此这个信号随后便消失了。甲烷浓度的波动也有可能来自更远的地方，有一个更大的发生源。如果是这样，那么其迅速消失也意味着必须存在另外一种未知的清除机制。和之前人们在火星大气顶部观测到的羽流一样，这些甲烷浓度的峰值让我们真切地感受到了火星的神秘之处。

这些针对甲烷的检测数据表明，火星确实是个活跃的地方，它的过去和现在都有可能存在显微生命。但是仍然存在许多疑问，解释这些潜在的生物标记，需要我们接下去做更多的细致工作。欧空局的ExoMars微量气体轨道器已于早前抵达火星，它带去了威力强大的甲烷探测仪，它既可以直接下向观测，也可以逆着阳光观测火星边缘处。这两种观测方法能够测定火星大气中的甲烷在不同的纬度及全球范围内的分布情况。与此同时，好奇号也将继续在火星地表工作。在它们的共同努力下，我们也许很快就能回答这样一个问题：好奇号观测到的甲烷浓度变化相对于火星全球而言是否具有典型性？随后我们也能够了解，我们是否真的和火星生命共享着这个太阳系。

　　作者Sushil K. Atreya，密歇根大学教授，JPL客座科学家。研究方向为行星大气起源和演化。曾参与旅行者、伽利略、卡西尼-惠更斯、金星快车、火星快车、好奇号和朱诺等探测任务。

　　作者Christopher R. Webster，JPL微型设备实验室主任。主要的工作方向是为气球、航空器和航天探测器研发可调式激光光谱仪。他主导了500多次航空地球探测任务和20次高空气球地球探测任务。主导开发的光谱仪被选中成为好奇号火星车搭载的装备。

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