发现火星湖
意大利天文学家罗伯托·奥罗塞
2018年7月25日，在意大利博洛尼亚大学和意大利天体物理学研究所工作的天文学家罗伯托·奥罗塞（Roberto Orosei）与合作者们共同在《科学》（Science）杂志上发表论文《火星冰川下液态水的雷达证据》（Radar Evidence of Subglacial Liquid Water on Mars）。论文一经发表，立刻在全世界范围内引起了轰动，登上各大媒体的头条。在地球的近邻火星上到底有没有液态水存在，这首先是一个让科学家们陷入一场持续了几十年时间争论的重要问题，这个发现可能成为这场争论最终的裁决证据；其次，火星湖的发现也有助于人们理解火星气候变迁的历史，这可能为人类在未来探测火星，甚至是移民到火星提供全新的思路；而最为重要的一点是，在火星上发现液态水，可以说是人类寻找火星生命，乃至地外生命过程中的一个重大进展。
怎样在火星上寻找水
能够做出这个发现绝非妙手偶得，其中凝结了科学家们十多年的辛勤工作。从2003年12月开始，欧洲空间局（ESA）发射的“火星快车”（Mars Express）探测卫星开始在火星轨道上进行探测，在这颗卫星上搭载了一个简称为“Marsis”的“火星次表面和电离层探测先进雷达”（Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding）。这是人类第一个在其他行星轨道上工作，进行地质勘测的卫星。它向火星的表面和次表面区域周期性地发射低频电磁脉冲信号，通过收集和分析反射信号的被反射时间和强度以判断火星的地质结构。
外形独特的Marsis雷达主要由两个20米长的发射和接收天线，外加一个7米长的杂波消除装置构成。在15年的时间里，它在距离火星表面800公里的火星轨道上孜孜不倦地对火星进行探测。一开始，探测过程并不顺利，因为火星快车卫星所携带的计算机功能的限制，Marsis只能将自己多次探测的数据取平均值之后发回地球，这导致科学家们虽然能够发觉在数据中存在着引人注意之处，却无法做出确切判断，没能发现火星湖。
直到2012年5月份，科学家们对火星快车卫星的电脑系统进行了软件升级，Marsis得以把未经处理的原始探测数据以一种缓慢的方式通过自身的偶极天线发回地球，这样科学家们终于可以对火星的某个区域进行细致的勘察。最令人感兴趣的是火星的极地区域。Marsis在3年多的时间里，对火星的南极高原（Planum Australe）一个大约有200公里宽的区域进行详细探测，为地球收集到了总共29组数据。科学家们仔细分析了这些数据，通过计算雷达信号发出和返回的时间，返回信号的强度，发现这个区域的浅层地表主要是由多层的冰和灰尘构成。同时科学家们在通过探测信号所绘制的地图中又发现了一个特别明亮的区域，经过反复检查，人们认定在这个区域的冰层下可能存在着大量液态水。
当电磁波信号射入火星的表面，因为物理特性的不同，在不同物质的交界处就有可能对电磁信号进行不同程度的反射。根据人们此前对地球的南极和格陵兰区域进行地质探测的经验，液态水对于电磁信号的反射要比岩石和沉积物等其他物质的反射更强，而且液态水底部对于电磁信号的反射又要强于顶部，这就让液态水在通过雷达探测信号所绘制的图像中显得格外明亮。借助在地球上进行探测的经验，科学家们正是基于这样的原理得以绘制出火星南极区域浅层地表的地图，并且发现在这个区域的冰川表面1.5公里以下，可能存在有20公里宽、大约几十厘米深的大量液态水。
这个发现非同小可。早在30年前，最开始是由行星科学研究所（Planetary Science Institute）的资深科学家史蒂夫·克利福德（Steve Clifford），因为人类在南极和格陵兰区域的冰山下发现液态水而得到启发，推测在火星的南极区域有可能也存在着类似的现象。这个想法虽然新奇，却因为在当时的技术条件下根本无从被证实，只能沦为口舌之争。几十年来，关于在火星的南极区域，乃至在火星的表面，是否存在液态水，根据各种不同的证据，科学家们一直存在着激烈的争辩。这次火星地下湖的发现可能终于让这场争论结束，从而开启一个火星探索的新时代。
一眼望去，火星的表面干涸枯竭，只是一颗了无生气的红色行星，但是在它46亿年的历史中却并非一直如此，在火星表面显而易见的河道痕迹就说明了在它的表面也曾存在过液态水。实际上，火星的早年也和地球的环境类似，是一颗被大气层所包裹的温暖湿润的行星。在当时它拥有足够多的液态水，足以覆盖其表面面积的五分之一。但是因为火星小于地球，其自身的引力大约只有地球的三分之一左右，无法在表面维持一个厚实致密的大气层，导致自身的水资源不断流逝，气候也随之改变。
随着其大气层的逐渐消失，火星表面大部分的水分都逐渐蒸发到宇宙中，最终只剩下少部分的水，大多以冰川的形式留在火星，还有极少部分以水蒸气的形式存在于火星微薄的大气之中。在38亿年的时间里，火星的外表看起来与地球迥异，成为一颗干涸贫瘠的红色星球。
天文学家通过卫星探测信号，首次在火星南极区域发现了一个地下液态水湖（视觉中国供图）地下湖与火星生命
发现这个位于火星南极区域的地下湖究竟意味着什么，现在恐怕还说不清楚，这取决于人们在之后还能做出什么样的发现。这个地下湖之所以如此引人注目，一个重要的原因就在于其储水量极大。在湖里可能存储着上百亿立方米的液态水，这说明它不只是在火星岩层间小部分渗水的汇集而已。此前在“凤凰号”火星探测器（Phoenix Lander）上也曾发现有水冰凝结（也有可能这是“凤凰号”自身所融化的水重新凝结），但是发现如此巨大的地下湖，情况则完全不同。人们需要追问，这个地下湖是如何形成，又是如何保存下来的？是否在几十亿年的时间里它都一直存在？它是否是火星唯一的一个地下湖？其中有没有可能支撑起一个生态系统，保存下火星的原始生命？
要回答这些问题并不容易，目前人们首先想要弄清的还是关于这个地下湖尽量详细的信息。相比于地球，火星是一个寒冷的行星，它的平均温度只有大约零下60摄氏度，而在南极区域温度更低，平均温度大约是零下68摄氏度。在这样的条件下，一个位于火星南极冰层以下的湖，科学家们判断其内部的温度在零下10摄氏度到零下30摄氏度之间。在这样的温度条件下还能保持液态，可能是因为当地一系列极其特殊的地质条件。首先，湖水上方1.5公里厚的冰层对下边的液态水形成巨大的压力，这会使水的凝结点降低；另外，在火星土壤中存在着大量的盐分，例如此前在火星土壤中发现过的含有镁、钙、钠等元素的化合物都会大量溶解到水中，这会使水的凝结点进一步降低。有可能正是在多重因素的作用之下，才使火星的南极区域形成和保存了一个地下湖。
一方面，人们担心这样一个高盐分的环境，对于生命的维持不利；而另一方面，位于地下深处的液态湖却也可以躲过在火星表面高强度宇宙射线的袭击，更容易保存下生命的种子。无论如何，依照“跟随水的痕迹去寻找生命”的原则，这个地下湖已经成为目前最吸引科学家们的兴趣点，也是火星最有可能发现生命现象的区域。这就又涉及到了另外一个问题：这个地下湖究竟是在何时形成的？它是火星上唯一的一个地下湖，或是只是火星众多地下湖中的一员？目前Marsis还只探测了火星南极高原一个极小的区域，要得到关于这个问题的确切答案，非得对火星进行全面勘测才行。
无论最终答案是什么，都会开创出一个人类探测火星的新时代。奥罗塞认为，如果这个地下湖是火星唯一的地下湖，也就说明人们在偶然间发现了火星的一个地质奇迹，那么它的存在必然是与非常特殊的地质环境有关，比如在地下湖的附近存在火星地壳的缝隙，火星内部的热量由此散发出来，使得液态水可以存在；另一方面，如果这个地下湖只是火星众多地下湖中的一个，那么情况又会完全不同。
这个地下湖的发现，无论引发人类怎样的联想，想要在此基础上更进一步，人类都需要付出极大的努力，不仅要在技术上更进一步，还要做出更勇敢，也更有想象力的火星探测计划。人类需要对火星表面进行长时间的全面勘测，力图发现更多液态水和地下湖的痕迹；另一方面，人类也需要开始准备运送一个特殊的机器人到达火星南极高原冰面上，这个机器人将利用极其特殊的工具，钻开厚达1.5公里的冰面进入到湖水中，取得湖水样本，并且进行分析。这样的要求已经超出了人类现有的技术水平，想要达到这些目标，人们可能还需要数十年的努力。
在寻找地外生命的过程中，科学家们的兴趣遵循着跟随水的原则，曾经一度远离火星，转移到了木星和土星的一些卫星之上——人们此前在太阳系的其他一些天体上发现了液态水，其中最引人瞩目的就是土卫二“恩塞勒达斯”（Enceladus），人们发现它向太空喷射出冰水混合物，其中可能含有复杂的有机物，这说明在其内部已经具有产生生命的必要条件；在木卫二“欧罗巴”（Europa）也存在一个冰面下的海洋。而火星地下湖的发现，又把科学家们的兴趣吸引回火星，这其中一个重要的原因就在于这个地下湖的发现过程与此前地球南极区域地下湖的发现过程有诸多的相似之处。
人类直到20世纪下半期，才意识到在地球南极附近的冰面下存在着世界最大的淡水湖之一——沃斯托克湖（Lake Vostok）。这个230公里长、50公里宽、800米深的淡水湖储水量与北美安大略湖相当。就因为它被深埋在大约3.7公里的冰面之下，直到人类发现它之前，它已经与世隔绝了至少1500万年。就是在这种没有阳光照射、温度低于0摄氏度的极端恶劣条件下，科学家们仍然从结冻的湖水中发现了众多微生物的痕迹。科学家们发现在沃斯托克地下湖中形成了一个已经与世隔绝数十万年的独特的生态系统——以此类推，在火星的南极区域，低温高盐环境的地下湖中是否也可能保存有火星生命的痕迹？如果在火星气候宜人的年轻时代曾经和地球一样演化出了生命，那么数十亿年的时间是否足以让火星生命演化出适应这样恶劣生存条件的能力，在地下湖中保存生命的火种？
实际上，这并不是人类第一次在火星上发现疑似液态水的信号。此前美国航空航天局（NASA）在2005年发射的火星勘测轨道飞行器（Mars Reconnaissance Orbiter）所装备的高解析度成像科学设备（High Resolution Imaging Science Experiment Camera），在2011年就曾在火星表面发现疑似是季节性的高盐度液态水流动所造成的痕迹，还有其他的一些观测疑点是否可以证明火星上存在液态水，也早就成了科学家们经年讨论的问题。此次Marsis的观测结果可以说是至今为止可信度最高的对于火星液态水的勘探结果，但因为对于数据的理解方式有所不同，仍有人对此持怀疑态度。
在论文中，奥罗塞详细论述了他与合作者们根据雷达信号判断冰层下的物质为液态水，不可能来自其他物质，例如固态的二氧化碳，但也有其他研究者怀疑对于这样的探测信号可能还有其他解释。另外，这个探测结果也还尚未获得其他探测卫星的确认。例如火星勘测轨道飞行器曾经在火星南极附近进行三维断层扫描成像，但它并未发现有液态水的痕迹。有可能是因为火星勘测轨道飞行器发射的信号在火星地表发生了散射，无法穿透到火星冰层的深处，因此并没有发现液态水。但人们当然也会期待，未来如果能有更多的探测设备获得更多的关于火星南极地下湖的探测数据，必定能让这个结论更令人信服。
火星是地球的近邻。在真正探测火星之前，人类曾经对这颗行星有种种浪漫的想象，随着对火星探测的逐渐深入，它所展现的各种谜团既让人迷惑又让人着迷。地球与火星今夕情况的对比，足以使人类自省，又能够激发人类推动科学和技术进步。火星湖的发现只是人类探索火星的过程中一个值得纪念的节点，人们有理由期待更多来自火星的惊喜
（本文写作参考了《科学》杂志和相关机构的报道）