“火星车”好奇号测量山的重力


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“火星车”好奇号测量山的重力

图像描绘了NASA的好奇号火星车(左图)和阿波罗16号任务期间驾驶的月球车。
Credits: NASA/JPL-Caltech

阿波罗17号宇航员于1972年在月球表面驾驶月球车(moon buggy),用特殊仪器测量重力。火星上没有宇航员,但是一群聪明的研究人员意识到他们正在操控的火星车上有工具可以进行类似的实验。

在“科学”杂志的一篇新论文中,研究人员详细介绍了他们如何重新利用用于驱动好奇号探测器的传感器,并将其转换为重力测量仪,用于测量重力的变化。这使得他们能够测量夏普山(Mount Sharp)下部岩层的微弱引力。夏普山距离盖尔陨石坑(Gale Crater)底部5公里,好奇号自2014年以来一直在攀登。结果如何?事实证明,这些岩层的密度远低于预期。

就像智能手机一样,好奇号带有加速计(accelerometer)和陀螺仪。移动智能手机可以让这些传感器确定其位置和面向的方向。好奇号的传感器做同样的事情,但精度要高得多,在每个火星表面的导航起着至关重要的作用。了解火星车的方向还可以让工程师准确地指向其仪器和多向高增益天线(multidirectional, high-gain antenna)。

巧合的是,好奇号的加速计可以像阿波罗17号的重力仪(gravimeter)一样使用。只要好奇号静止不动,加速计就会检测到行星的重力。利用任务前五年的工程数据,该论文的作者测量了火星在火星车上的引力拖曳。当好奇号登上夏普山时,这座山增加了额外的引力,但没有科学家预期的那么多。

主要作者、约翰霍普金斯大学的Kevin Lewis说:“夏普山的低层意外的多孔。我们知道这座山的底层随着时间的推移而被埋没,这使它们变得更紧密。但这一发现表明它们并没有被我们认为的那么多的材料所埋没。”

来自火星车的科学

阿波罗17号宇航员驾驶他们的月球车越过了陶拉斯-利特罗谷(Taurus-Littrow Valley),定期停下来进行了25次测量。Lewis使用NASA轨道器收集的数据研究了火星重力场,也熟悉了阿波罗17号的重力仪。

“科学”上的论文使用了好奇号加速计的700多个测量值,采集于2012年10月到2017年6月之间。这些数据经过校准以滤除杂讯(noise),例如温度的影响和火星车在爬升过程中的倾斜。然后科学家将计算结果与火星重力场模型进行比较以确保准确性。

计算结果还与好奇号的化学和矿物学仪器(通过使用X射线束来表征岩石样品中的结晶矿物)的矿物密度估算结果进行了比较。这些数据有助于了解岩石的多孔性。

神秘之山

火星上的陨石坑或峡谷内有许多山脉,但很少接近夏普山的规模。科学家们仍不确定这座山是如何在盖尔陨石坑里形成的。一个猜测是陨石坑曾充满沉积物。被填充了多少仍然在争论,但主流思想是数百万年的风和侵蚀最终挖掘了这座山。

如果陨石坑已经被填满到了边缘,那么所有这些材料都应该压实下面多层的细粒沉积物。但是这篇新论文表明,夏普山的下层仅仅被压缩了1至2公里,比撞击坑完全填满的预计要少得多。

论文的共同作者、NASA喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory,JPL,位于美国加利福尼亚州帕萨迪纳市)的好奇号项目科学家Ashwin Vasavada说:“关于夏普山的发展历史仍有许多问题,但是这篇论文为谜题增加了一个重要的部分。” JPL管理火星科学实验室任务且好奇号是其中一部分。他补充道,“我很高兴有创造力的科学家和工程师仍然在寻找创新的方法来用火星车探索新的科学发现。”

Lewis说,除夏普山之外,火星有很多神秘色彩。它的地形就像地球一样,但风沙的足迹比水的雕刻更多。它们是行星兄弟姐妹,既熟悉又截然不同。

他说,“对我而言,火星是地球的恐怖谷,它与地球很相似,但是由不同的过程塑造,所以我们的地面体验感觉非常不自然。”

有关好奇号的更多信息,请访问:https://mars.nasa.gov/msl/

有关NASA火星计划的更多信息,请访问:https://mars.nasa.gov

参考:
[1]:http://science.sciencemag.org/content/363/6426/535/tab-pdf
[2]:https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7323

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