一年多来，一艘 3.5 吨的宇宙飞船一直在火星周围进行一系列不规则的环绕。现在，经过 1000 次环绕，微量气体轨道器 (TGO) 已经到达研究火星大气的理想位置，并进行了首次科学观测。它准备解决火星科学中最具争议的谜团之一：为什么甲烷（一种可能的生命迹象）正在红色星球上释放出来。
TGO 是 ExoMars 任务的一部分，该任务是欧洲航天局 (ESA) 和俄罗斯航天局 Roscosmos 之间的合资项目。该轨道器于 2016 年 3 月发射，并于 当年 10 月抵达该行星，是第一艘专门设计用于研究构成该行星寒冷、干燥大气层不到 1% 的气体的飞船，包括甲烷、水蒸气和臭氧。TGO 于本月初到达其计划的圆形轨道，并在 4 月 21 日开始收集科学数据之前进行了一系列工程测试。
火星大气几乎完全由二氧化碳组成，但研究人员对其其他成分特别感兴趣 - 尤其是甲烷。这些微量气体可能是生物或地质活动的信号，它们提供了有关该行星气候历史的线索。
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气体来源
科学家们 15 年来一直在使用地球上的望远镜、火星轨道器和NASA的好奇号探测器 捕捉火星大气中甲烷的迹象。随着气体证据的积累，关于其起源的争论也愈演愈烈。密歇根大学安娜堡分校的行星科学家苏希尔·阿特里亚说：“地球大气中近 95% 的甲烷来自现在和过去的生物活动。因此，很自然地会问火星上的甲烷是否也具有生物来源。”
火星上存在这种气体令研究人员感到惊讶，因为大气中的化学反应应该在几个世纪内破坏那里的任何甲烷分子。可测量的甲烷含量表明必须有一个活跃的来源正在补充这种气体。
好奇号现在经常 检测到 大气中平均为 0.5 十亿分率 (p.p.b.) 的甲烷背景水平（相比之下，地球的水平约为 1,875 p.p.b.）。但阿特里亚说，火星的浓度会随着时间的推移而意外地变化。观测还表明存在浓度为 45 p.p.b. 的 大型羽流，而好奇号检测到大约 7 p.p.b. 的快速消散的喷发。“我们没有预料到火星上会有甲烷，除非存在活跃的来源和活跃的汇，否则它不应该是可变的，”加州理工学院帕萨迪纳分校的行星科学家贝瑟妮·埃尔曼说。
研究人员提出了几种可能的来源。这些峰值可能来自地下的 岩石和水之间的化学反应，进入大气层的富碳陨石，或来自火星表面下储层的突然释放。最令人兴奋的是，这些峰值可能具有生物起源。“这真是一个谜，”埃尔曼说。
科学有效载荷
TGO 携带四个主要的科学仪器，这些仪器将收集数据以创建微量气体的全球地图，以前所未有的细节展示它们在行星周围和随时间的变化。
轨道器的主要光谱仪 NOMAD 在电磁光谱的红外、紫外和可见光部分工作。它将能够从航天器的轨道高度向下穿过大气层到达地表，距离约为 400 公里。每轨道两次，当 TGO 处于火星的明暗两侧的边界时，NOMAD 将能够穿透行星大气层并朝向太阳看。这个位置通过允许探测器穿过更大的大气层部分来提高灵敏度——“比向下看地面高出 30 倍”，NASA戈达德太空飞行中心在马里兰州格林贝尔特的行星科学家、NOMAD 的联合研究员迈克尔·穆玛说。研究人员应该能够使用它收集的数据来识别各种气体的光谱特征，这些气体在不同的波长下吸收光线。
航天器的彩色相机 CaSSIS 将构建行星地形的详细 3D 地图。如果其他仪器确定了甲烷浓度峰值，研究人员将能够浏览 CaSSIS 的存档，以查找大致在同一时间拍摄的图像，以尝试识别火星表面上可能的来源。“我们正在寻找诸如撞击坑或岩石滑坡或着陆点或地面上的大裂缝之类的事物——那将非常好，”英国米尔顿凯恩斯开放大学的行星科学家马尼什·帕特尔说，他致力于 NOMAD 和 CaSSIS 的研究。
埃尔曼说，关于氢及其较重的近亲氘在水中如何随高度和季节变化的比例数据对于理解火星上的水历史至关重要。穆玛希望这些信息将有助于阐明火星上假设的古代水海洋可能发生了什么——例如，水是否蒸发并从大气中逸出。
帕特尔说，下一个主要步骤是找出仪器的灵敏度是否如预期的那样。欧洲空间局在荷兰诺德维克的欧洲空间研究与技术中心 ExoMars TGO 项目科学家 Håkan Svedhem 说，TGO 的设计目的是检测至少低至 1 p.p.b. 的微量气体浓度和低至 0.02 p.p.b. 的甲烷浓度。但灵敏度（团队应在下个月内了解）最终将取决于大气中的温度和灰尘水平等因素。“对于团队来说，这是一个非常令人紧张的时刻——这是八九年工作的结晶，”帕特尔说。欧洲空间局计划将 TGO 的科学任务运行到 2020 年底，然后该航天器将作为该机构计划的 ExoMars 探测器的数据中继站，该探测器应于 2021 年抵达。
在最初的几个月里，帕特尔希望能够绘制出甲烷水平图，并开始提供研究人员渴望的线索。“关于这一切的争论已经进行了十多年——它应该回答这个问题，”他说。
本文经许可转载，并于 2018 年 4 月 23 日首次发表