李会超：火星上发现了液态湖？这事还没有板上钉钉

在人们的印象中，水是以液态存在的、可以流动的物质。虽然人们早就发现了水在火星的存在，却鲜见能够流动的液态水。火星表面的大气压强仅有地球海平面大气压的0.6%。在这种环境下，液态水不是被蒸发就是被迅速的冻结，很难以液态形式存在。最近，意大利的科学家利用欧空局“火星快车”探测器，在火星南极发现了液态水构成的地下湖泊存在的证据，首次在火星找到了大规模存在液态水的迹象，受到了全世界媒体的密集关注。然而，在为新发现兴奋和喝彩的同时，我们仍应该注意一个关键问题：地下湖是否真的存在，目前还没有彻底证实。

从格陵兰岛到火星南极

按照目前的探测，水在火星上主要以冰的形式存在，在南极和北极，都有大面积的冰盖结构。其中北极冰盖直接裸露在火星表面，而南极冰盖则隐藏于固态二氧化碳构成的干冰盖之下。科学家们推测，在38亿年前，火星的大气层比现在要更浓密，温度也比现在更高，能够允许大量的液态水存在于火星表面，甚至还形成了海洋。在火星表面，能够找到不少可能由水的流动而形成的地貌特征。然而，在现今的火星上，除了零星出现的液态水特征外，很难见到像南北极冰盖这样大规模的液态水分布。

（火星的南极冰盖）

三十年前，行星物理学家史蒂夫·克利福德提出了火星可能存在地下湖泊的假说。在地球上，地质学家们已经在南极洲和格陵兰岛的冰层下发现了地下湖。来自地球内部的热能融化了冰川的底部，从而形成了这些隐藏的湖泊。克利福德推测，在火星的南北极冰盖下可能也存在类似的过程。

2003年，欧空局发射的火星快车探测器给了科学家们证实这个假说的机会。火星快车上搭载的MARSIS仪器，能够发射0.8-6MHz的无线电波并接收火星表面和电离层的反射回波，利用合成孔径雷达等技术探测火星表面的地形地貌和电离层性质。更有趣的是，MARSIS仪器装备了两个设置不同的回波接收天线。通过对两个天线接收到的信号进行综合处理，MARSIS可以去除火星表面的回波，“过滤”出表层以下的内部结构回波，从而使科学家们能够货值火星内部的秘密。

（火星快车探测器，探测器周围伸出的杆状天线即为MARSIS仪器接收回波信号的天线）

从2008年开始，科学家们开始从MARSIS仪器在火星南极的观测数据中发现一些异常强烈的回波信号。在地球上，这种回波信号意味着冰层下方存在着液态水。然而，当时数据中的强回波区分布的并不连续。在分析仪器工作流程后，科学家们发现问题可能出自MARSIS的数据处理机制上：为了减小数据传输量，MARSISI会对观测数据做平均处理，可能导致了强回波区结构被抹平。为了进一步对强回波区进行研究，这些科学家在火星快车的存储器中专门开辟了一块区域，用以存储南极地区的高分辨率探测数据。

（意大利科学家通过MARSIS仪器得到的回波增强数据）

在收集了3年共29轨的数据后，科学家们开始了另一场“战斗”。由于他们收集到的仅仅是雷达回波信号，而不是直接反映物质构成的信息，他们必须不断排除如二氧化碳干冰层等其他造成类似回波特征的可能。最终，在对比了地球上的地下湖回波特征后，科学家们推断他们探测到的的确是液态水富集的火星地下湖。地下湖的直径不超过20公里，隐藏在南极冰盖表面以下约1.5公里的位置。地下湖水的温度处于零下数十度，但是其较高的含盐量量使其保持液态而没有冻结。

火星上的另一双“眼睛”没有看到这个地下湖

由于地下湖的发现是由间接证据得到的，不少科学家也对这个发现的可靠性表示了质疑。例如，提出火星地下湖假设的行星物理学家克利福德就对本次发现的科学意义表示了冷静。他认为，虽然目前的探测数据“很有说服性”，但并不是“绝对的、确切的”证据，因为一些其他我们尚未了结的物质和结构也可能引起这样的回波。 本次利用MARSIS数据发现地下湖的意大利科研团队也承认，冰盖下淤积的污泥也可能产生类似的回波，MARSIS的数据并不能排除这种可能性。

在火星上工作的另一台探测器发回的数据也为地下湖的存在增加了疑点。除了火星快车外，NASA的火星勘测轨道飞行器（Mars Reconnaissance Orbiter）也正在火星工作。与好奇号、机遇号等活动范围有限的火星车不同的是，火星快车、火星勘测轨道飞行器等探测器都是在环绕火星的轨道上飞行的探测器，能够通过累积的探测获得火星的全球特征。

火星勘测轨道飞行器上搭载的SHARAD探测器与MARSIS同为意大利空间局设计制造，工作原理基本相同，也同样具有穿透火星冰盖、探测火星表面以下结构的能力。2016年，NASA的科学家曾利用SHARAD探测器，在火星的乌托皮亚平原表面之下发现了巨大的隐藏冰川，其面积足以与美国新墨西哥州相比。相比于火星南北极的冰盖，乌托皮亚平原下的冰川地理纬度较低，且该地区地势平坦，特别适合航天器着陆进行科学探测，或建立用水和二氧化碳产生甲烷的火星燃料工厂，为往返地球和火星间的飞行器“加油”。

（火星勘测轨道飞行器上搭载的SHARAD探测器）

SHARAD同样对本次可能发现地下湖的地区进行过探测，但在SHARAD的探测数据中却并不存在如此强烈的回波。一些科学家认为，虽然SHARAD发射的探测信号频率比MARSIS发射的信号频率高，其能够探测的深度也不及MARSIS，但如果地下湖真的存在，那么像镜子一样光滑的湖面应该为信号的反射提供了绝佳的条件，SHARAD数据中应该能出现回波增强。而如果MARSIS探测到的是淤泥而不是地下湖，信号的反射条件将没有地下湖那么好，也就可以解释为什么强回波信号没有在SHARAD中出现。当然，这种推断同样也是一个可能的疑点，而无法彻底否定地下湖的存在。

探索未知的不确定性

颠覆性的科学发现面对的都是前人从未探索或涉足过的领域，没有既有的检验可以参考。科学家是人不是神，我们的科学探测仪器的性能指标也存在着这样或那样的局限，因此科学发现总是伴随着不确定性。在公布对火星地下湖的发现之前，意大利的科研团队花了两年的时间分析原始观测数据，尽力排除其他可能性。有关这次发现的论文在去年12月13日就已经投稿给了国际顶级学术期刊《Science》，经过半年多的同行评议才得以在7月25日接收发表，说明虽然结果仍然具有不确定性，但其分析过程和科学价值已经得到了学术界的认可。我们还需要新的飞船、性能更好的探测仪器乃至宇航员在火星的登陆，才能彻底搞清液态水在火星表面是否存在的问题。

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