火星|岩洞：火星殖民者的第一家园？
今年7至8月是火星探测器的发射窗口期 ， 中国、美国、阿联酋都计划在近期发射火星探测器 。
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NASA决定将它名为“毅力号”的火星探测器的发射时间推迟一周 ， 这使得它的发射时间十分接近它十分有限的发射窗口期 ， 即从7月17日至8月11日 。 如果错过这次机会的话 ， NASA要等到2022年才能再次尝试发射 。 图｜theverge
7月8日 ， 科学撰稿人锡德·珀金斯（Sid Perkins）在《美国科学院院报》（PNAS）网站发文 ， 《Lava tubes may be havens for ancient alien life and future human explorers》（直译为《熔岩管可能是古代外星生命和未来人类探险家的庇护所》） ， 建议将探测岩洞中的生命迹象作为火星探测计划的任务之一 ， 因为这些岩洞有可能是火星生命最好的庇护所 ， 也很有可能成为火星殖民者的第一家园 。
【火星|岩洞：火星殖民者的第一家园？】报道全文编译如下：
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月球和火星上的熔岩洞 ， 可以为航天探险者们提供栖息地以及地质勘探的机会 。 图片来源：Under Earth Images/Dave Bunnell（摘自原文）
在新鲜、荒凉、热气腾腾的地表下 ， 熔融的岩石仍然可以深入地下 ， 雕刻出可以延伸数十公里的洞穴 。 在地球上 ， 冷却后的熔岩管是对洞穴探险家的挑战；而在月球和火星上的熔岩管则引起了行星地质学家、天体生物学家和探险家的兴趣 。
除了提供一个了解地质历史的窗口 ， 熔岩管还提供了相对稳定的环境条件 ， 很可能比在行星表面发现的环境条件更宜人 。 这些管子也许能成为生命的庇护所 ， 从微生物直到来自地球的太空殖民者 。
如果火星曾经出现过生命 ， 它可能会随着星球的演化、地表条件的日益恶劣而进入这样的避难所 。 事实上 ， 一些研究人员认为 ， 在这颗红色星球的地下避难所里 ， 微生物可能还存在 。
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几十年来 ， 科学家们为了寻找远古生命的迹象 ， 一直在扫描火星表面 。 图｜NASA
“在火星和其他地方 ， 熔岩管有可能是生存与死亡的决定性因素 。 ”美国宇航局艾姆斯研究中心的行星研究员帕斯卡·李（Pascal Lee）说 。
李说 ， 无论在哪里发现熔岩管 ， 它们在科学上都是非常奇异的 。 他指出 ， 如果火星探测任务能兼顾地表与地下 ， “才是一举两得的好法子” 。
01
因熔岩流而生
由地下而来的熔岩流几乎可以在任何地方铸成熔岩管 ， 其中稳定的低粘度熔岩流最容易形成熔岩管 。
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熔岩是指被加热到足以使其变成浓稠液体的岩石 。 熔岩通常与火山的熔岩有关 。 图｜reference
熔岩管的成形与河流结冰差不多:流动的熔岩在散热 ， 它的表面会冷却和凝固；但在流动的边缘 ， 冷却的速度更快 ， 而熔岩的移动缓慢 。
李解释说 ， 最终 ， 熔岩流在海岸之间的陆地上冻结 ， 这会使下面的熔岩失去直接向上辐射热量 ， 或被风冷却的可能 ， 从而将其隔离 。
然后 ， 当熔岩的来源开始减弱 ， 或者当熔岩流掘进或融化到下面的岩石中 ， 或者两者兼而有之时 ， 熔岩就会从管道中流出 ， 留下一个光滑的、壁厚的洞穴 。
熔岩流会融化到下面的岩石中 。 今年2月 ， 在美国圣安东尼奥举行的第三届国际行星洞穴会议上 ， 德克萨斯大学圣安东尼奥分校地质学家艾伦·惠廷顿（Alan Whittington）发表讲话说 ， 如果熔岩流湍急 ， 熔岩每天可以向下侵蚀1米 。
因此 ， 长期、大量的熔岩流形成的管道可能是巨大的 。 地球上已知最长的熔岩管——65公里长的Kazumura洞穴 ， 位于夏威夷大岛上 ， 从基拉韦厄火山一直延伸到大海 。 在一些地方 ， 这根管子宽21米、高18米 ， 足够容纳一个大尺寸的房子 。
然而 ， 几乎可以确定 ， 月球和火星上的熔岩管会更大 。 30至40亿年前 ， 这两个天体都有频繁的火山活动 。 长期以来 ， 沟槽状地貌被怀疑是坍塌的熔岩管；最近 ， 更有力的证据出现了 ， 轨道探测器拍到了这些地下洞穴的入口 。
这些被称为“天窗”的开口 ， 很可能是在熔岩管的顶部塌陷时形成的 。 月球上第一个这样的特征——一个直径50米、深数十米的洞 ， 是在十多年前由日本赛琳娜轨道飞行器拍摄的图像中发现的 。
从那时起 ， 在月球上又发现了更多的天窗；在火星轨道飞行器拍摄的图像上也发现了数百个可能的天窗 ， 其中第一个天窗拍摄于20世纪70年代中期 。
地球上的熔岩管 ， 从夏威夷基拉韦厄火山熔岩管这样比较年轻的 ， 到几十万岁甚至更久的都有 。
一些刚形成的管道可能还没有被标记在地图上 ， 但在某些地区 ， 它们已经延伸了几十公里 。
例如 ， 在加州的熔岩床国家纪念馆 ， 800多个熔岩管总计延伸了至少350公里 。
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天窗投射到月球Mare Tranquillitatis下方的熔岩管中的阴影表明 ， 这可能有100多米深 。 图片来源：NASA/Goddard/Arizona State University（摘自原文）
02
人类的定居地？
数十年来 ， 研究人员一直推测 ， 月球和其他星球的熔岩管可能成为星际殖民者理想的居住空间 。
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科学家认为他们已经发现了通往月球极地冰层的熔岩管 。 图｜Science Alert
美国宇航局喷气推进实验室的地质学家劳拉·克伯（Laura Kerber） ， 在洞穴会议上解释说 ， 这些管子之所以吸引人有很多原因 。
首先 ， 保护环境免受宇宙射线、太阳高能粒子和紫外线等辐射的影响 。 第二 ， 岩石屋顶像是一个防护罩 ， 可以防止微陨石刺穿太空服和建筑物 。 此外 ， 和地球上一样 ， 地下环境也会减少温差的影响——在月球上 ， 温差变化极端剧烈 。
月球勘测轨道飞行器在2009年至2013年间收集的数据显示 ， 月球赤道附近的温度在白天可以达到120℃ ， 而在长达两周的夜间 ， 温度会骤降到零下130℃ 。
不过 ， 殖民者是否真的能利用这些好处是个问题 。 惠廷顿说 ， 考虑到天窗边缘的地质可能不稳定 ， 以及现有宇航服的移动性能有限 ， 要将人降到地下的岩洞里 ， 然后再把他们弄出来 ， 这将是一个很大的挑战 。
还有安全问题 。 尽管在洞里安家的想法听起来很浪漫 ， 但李说：“事实的真相是洞穴很危险 。 ”
尤其是在天窗附近 ， 洞穴顶部已经显示出坍塌的倾向 。 人类活动很可能会进一步破坏它们的稳定性 ， 或者导致天窗边缘周围的物质崩塌 。
“熔岩管可能是令人兴奋的探索 ， 但并非一个安全的住所 。 ”李说 。
03
无需钻井的探测通道
无论熔岩管是否可以成为星际殖民者的家园 ， 它们都将为地质研究提供大量素材 。 西南研究所的天体生物学家查理提·菲利普斯-兰德（Charity Phillips-Lander）在行星洞穴会议上说：“洞穴提供了进入地下的通道 ， 而无需在飞船中增加钻井器械的荷载 。 ”
阿波罗计划中登上月球的宇航员 ， 在月球表面收集岩石和土壤时 ， 钻入月球表面的深度从未超过2.9米 。
相比之下 ， 月球天窗的岩壁厚度可达数十米 ， 并且有明显的分层 。 克伯指出 ， 这些岩层中的一些可能是古代熔岩流形成的 ， 做年代分析可以测定火山活动发生的时间和频率 。
夹在这些地层之间的可能是一层层的风化层 ， 或者粉碎的岩石 ， 它们是由陨石不断撞击形成的 。 这些夹层的厚度有助于研究人员估计此类撞击发生的速率 。
这些撞击的速度和时间与地球所经历的大致相同 ， 因此它们可能会揭示出生命出现时地球的环境 ， 以及它是否在再次出现之前被扼杀 。
此外 ， 对这些物质进行详细的化学分析 ， 可能会揭示太阳风过去变化的信息 ， 因为太阳风的带电粒子也被困在风化层中 。 追溯太阳风的历史也可以揭示地球古代气候的变化——在活跃期的太阳会释放出更多的带电粒子辐射 ， 从而导致地球变暖 。
克伯和同事们提出了一个到达天窗层的想法：月球车部署一个索降机器人 ， 其轮子塞满仪器和传感器 。
研究人员尽可能接近天窗（洞口附近的斜坡不稳定 ， 且坡度可达20°） ， 月球车将机器人放下 ， 两者之间用一条长达300米的缆绳连接 ， 通过缆绳提供电力和通信 。 按照这个设想 ， 机器人携带的仪器包括三个高分辨率照相机、一个收集不同波长图像的显微镜和一个分析矿物成分的分光计 。
其他工具包括一个小磨床 ， 以清除表面锈迹和裸露的岩石 。
克伯指出 ， 限制这一任务进行的一大障碍就是时间 。 登陆器需要在大约14天的时间内（即月球的日出和日落之间）降落在月球上 ， 展开月球车 ， 并进行分析 。 因为月夜异常寒冷的条件 ， 可能会对脆弱的电子设备、传感器和电池造成严重破坏 ， 以致于它们无法在第二个月球黎明到来时恢复工作 。
04
火星家园
水生矿物的发现 ， 以及由轨道探测器、着陆器和探测器收集的其他数据表明 ， 数十亿年前的火星比现在更温暖、更潮湿、大气层更厚 。
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古火星曾经比较温暖潮湿 。 图｜NASA
如果生命曾经在这颗红色星球上进化 ， 如果它与地球上的生命相似 ， 那么今天它不可能在火星表面生活 ， 李说 。
除了寒冷和干旱 ， 火星地表还暴露在大量紫外线辐射下 。 火星缺乏强磁场 ， 这意味着来自太阳的宇宙射线和高能粒子可以自由流动 ， 增加辐射危害 。
火星上猛烈的沙尘暴中带有静电 ， 有助于产生一种名为高氯酸盐的活性化学物质 ， 这种物质对任何类地球生命都是有毒的 。
李指出：“但是当你把目光投到地下 ， 这些不利条件都消失了 。 ”
菲利普斯-兰德对此表示赞同：“如果那里有生命 ， 或过去曾有生命存在 ， 它最有可能出现在地下 ， 远离严酷的地表条件和变化 。 ”
就像在月球和地球上一样 ， 火星上的熔岩管可以提供一个相对稳定的环境 。
即使这种环境并不适合今天的生命生存 ， 它也可能是生命在一个垂死星球上最后的坚持 。 当大型地外物体撞击更为普遍的时候 ， 熔岩管也可以保护生命免受许多破坏性影响 。
因此 ， 菲利普斯-兰德在洞穴会议上提出 ， 美国宇航局火星探测计划的目标之一 ， 应该是确定熔岩管中是否有迹象表明 ， 过去或现在在火星上存在生命 。
这些迹象可能包括有机化学物质 ， 它们在一定波长的光下会发出荧光；或者微生物群落形成的可见生物膜残留 。 新墨西哥大学的矿物学家迈克尔·斯皮尔德（Michael Spilde）说 ， 如果没有这样明显的生命迹象 ， 那么过去生命的其他迹象——例如化石化的微生物细丝甚至化石细胞——可能会出现在洞穴壁上 ， 然后被保存下来 。
探索月球和火星上的熔岩管 ， 不仅可以提供有关这些天体及其撞击历史的信息 ， 而且可以获得有关地球和太阳的信息 。
克伯说 ， 这些特征“就像时间胶囊一般 ， 记录了太阳系的早期历史 。 ”
关于作者
锡德·珀金斯（Sid Perkins）是一名自由科学采访人员 ， 常驻田纳西州克罗斯镇 。 他擅长地球科学和古生物学 ， 但也经常涉及天文学、行星科学、材料科学和工程等主题 。
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