意大利天文學家羅伯托·奧羅塞
2018年7月25日，在意大利博洛尼亞大學和意大利天體物理學研究所工作的天文學家羅伯托·奧羅塞（RobertoOrosei）與合作者們共同在《科學》（Science）雜志上發表論文《火星冰川下液态水的雷達證據》（RadarEvidenceofSubglacialLiquidWateronMars）。論文一經發表，立刻在全世界範圍内引起了轟動，登上各大媒體的頭條。在地球的近鄰火星上到底有沒有液态水存在，這首先是一個讓科學家們陷入一場持續了幾十年時間争論的重要問題，這個發現可能成為這場争論最終的裁決證據；其次，火星湖的發現也有助于人們理解火星氣候變遷的曆史，這可能為人類在未來探測火星，甚至是移民到火星提供全新的思路；而最為重要的一點是，在火星上發現液态水，可以說是人類尋找火星生命，乃至地外生命過程中的一個重大進展。
怎樣在火星上尋找水
能夠做出這個發現絕非妙手偶得，其中凝結了科學家們十多年的辛勤工作。從2003年12月開始，歐洲空間局（ESA）發射的“火星快車”（MarsExpress）探測衛星開始在火星軌道上進行探測，在這顆衛星上搭載了一個簡稱為“Marsis”的“火星次表面和電離層探測先進雷達”（MarsAdvancedRadarforSubsurfaceandIonosphereSounding）。這是人類第一個在其他行星軌道上工作，進行地質勘測的衛星。它向火星的表面和次表面區域周期性地發射低頻電磁脈沖信号，通過收集和分析反射信号的被反射時間和強度以判斷火星的地質結構。
外形獨特的Marsis雷達主要由兩個20米長的發射和接收天線，外加一個7米長的雜波消除裝置構成。在15年的時間裡，它在距離火星表面800公裡的火星軌道上孜孜不倦地對火星進行探測。一開始，探測過程并不順利，因為火星快車衛星所攜帶的計算機功能的限制，Marsis隻能将自己多次探測的數據取平均值之後發回地球，這導緻科學家們雖然能夠發覺在數據中存在着引人注意之處，卻無法做出确切判斷，沒能發現火星湖。
直到2012年5月份，科學家們對火星快車衛星的電腦系統進行了軟件升級，Marsis得以把未經處理的原始探測數據以一種緩慢的方式通過自身的偶極天線發回地球，這樣科學家們終于可以對火星的某個區域進行細緻的勘察。最令人感興趣的是火星的極地區域。Marsis在3年多的時間裡，對火星的南極高原（PlanumAustrale）一個大約有200公裡寬的區域進行詳細探測，為地球收集到了總共29組數據。科學家們仔細分析了這些數據，通過計算雷達信号發出和返回的時間，返回信号的強度，發現這個區域的淺層地表主要是由多層的冰和灰塵構成。同時科學家們在通過探測信号所繪制的地圖中又發現了一個特别明亮的區域，經過反複檢查，人們認定在這個區域的冰層下可能存在着大量液态水。
當電磁波信号射入火星的表面，因為物理特性的不同，在不同物質的交界處就有可能對電磁信号進行不同程度的反射。根據人們此前對地球的南極和格陵蘭區域進行地質探測的經驗，液态水對于電磁信号的反射要比岩石和沉積物等其他物質的反射更強，而且液态水底部對于電磁信号的反射又要強于頂部，這就讓液态水在通過雷達探測信号所繪制的圖像中顯得格外明亮。借助在地球上進行探測的經驗，科學家們正是基于這樣的原理得以繪制出火星南極區域淺層地表的地圖，并且發現在這個區域的冰川表面1.5公裡以下，可能存在有20公裡寬、大約幾十厘米深的大量液态水。
這個發現非同小可。早在30年前，最開始是由行星科學研究所（PlanetaryScienceInstitute）的資深科學家史蒂夫·克利福德（SteveClifford），因為人類在南極和格陵蘭區域的冰山下發現液态水而得到啟發，推測在火星的南極區域有可能也存在着類似的現象。這個想法雖然新奇，卻因為在當時的技術條件下根本無從被證實，隻能淪為口舌之争。幾十年來，關于在火星的南極區域，乃至在火星的表面，是否存在液态水，根據各種不同的證據，科學家們一直存在着激烈的争辯。這次火星地下湖的發現可能終于讓這場争論結束，從而開啟一個火星探索的新時代。
一眼望去，火星的表面幹涸枯竭，隻是一顆了無生氣的紅色行星，但是在它46億年的曆史中卻并非一直如此，在火星表面顯而易見的河道痕迹就說明了在它的表面也曾存在過液态水。實際上，火星的早年也和地球的環境類似，是一顆被大氣層所包裹的溫暖濕潤的行星。在當時它擁有足夠多的液态水，足以覆蓋其表面面積的五分之一。但是因為火星小于地球，其自身的引力大約隻有地球的三分之一左右，無法在表面維持一個厚實緻密的大氣層，導緻自身的水資源不斷流逝，氣候也随之改變。
随着其大氣層的逐漸消失，火星表面大部分的水分都逐漸蒸發到宇宙中，最終隻剩下少部分的水，大多以冰川的形式留在火星，還有極少部分以水蒸氣的形式存在于火星微薄的大氣之中。在38億年的時間裡，火星的外表看起來與地球迥異，成為一顆幹涸貧瘠的紅色星球。
天文學家通過衛星探測信号，首次在火星南極區域發現了一個地下液态水湖（視覺中國供圖）地下湖與火星生命
發現這個位于火星南極區域的地下湖究竟意味着什麼，現在恐怕還說不清楚，這取決于人們在之後還能做出什麼樣的發現。這個地下湖之所以如此引人注目，一個重要的原因就在于其儲水量極大。在湖裡可能存儲着上百億立方米的液态水，這說明它不隻是在火星岩層間小部分滲水的彙集而已。此前在“鳳凰号”火星探測器（PhoenixLander）上也曾發現有水冰凝結（也有可能這是“鳳凰号”自身所融化的水重新凝結），但是發現如此巨大的地下湖，情況則完全不同。人們需要追問，這個地下湖是如何形成，又是如何保存下來的？是否在幾十億年的時間裡它都一直存在？它是否是火星唯一的一個地下湖？其中有沒有可能支撐起一個生态系統，保存下火星的原始生命？
要回答這些問題并不容易，目前人們首先想要弄清的還是關于這個地下湖盡量詳細的信息。相比于地球，火星是一個寒冷的行星，它的平均溫度隻有大約零下60攝氏度，而在南極區域溫度更低，平均溫度大約是零下68攝氏度。在這樣的條件下，一個位于火星南極冰層以下的湖，科學家們判斷其内部的溫度在零下10攝氏度到零下30攝氏度之間。在這樣的溫度條件下還能保持液态，可能是因為當地一系列極其特殊的地質條件。首先，湖水上方1.5公裡厚的冰層對下邊的液态水形成巨大的壓力，這會使水的凝結點降低；另外，在火星土壤中存在着大量的鹽分，例如此前在火星土壤中發現過的含有鎂、鈣、鈉等元素的化合物都會大量溶解到水中，這會使水的凝結點進一步降低。有可能正是在多重因素的作用之下，才使火星的南極區域形成和保存了一個地下湖。
一方面，人們擔心這樣一個高鹽分的環境，對于生命的維持不利；而另一方面，位于地下深處的液态湖卻也可以躲過在火星表面高強度宇宙射線的襲擊，更容易保存下生命的種子。無論如何，依照“跟随水的痕迹去尋找生命”的原則，這個地下湖已經成為目前最吸引科學家們的興趣點，也是火星最有可能發現生命現象的區域。這就又涉及到了另外一個問題：這個地下湖究竟是在何時形成的？它是火星上唯一的一個地下湖，或是隻是火星衆多地下湖中的一員？目前Marsis還隻探測了火星南極高原一個極小的區域，要得到關于這個問題的确切答案，非得對火星進行全面勘測才行。
無論最終答案是什麼，都會開創出一個人類探測火星的新時代。奧羅塞認為，如果這個地下湖是火星唯一的地下湖，也就說明人們在偶然間發現了火星的一個地質奇迹，那麼它的存在必然是與非常特殊的地質環境有關，比如在地下湖的附近存在火星地殼的縫隙，火星内部的熱量由此散發出來，使得液态水可以存在；另一方面，如果這個地下湖隻是火星衆多地下湖中的一個，那麼情況又會完全不同。
這個地下湖的發現，無論引發人類怎樣的聯想，想要在此基礎上更進一步，人類都需要付出極大的努力，不僅要在技術上更進一步，還要做出更勇敢，也更有想象力的火星探測計劃。人類需要對火星表面進行長時間的全面勘測，力圖發現更多液态水和地下湖的痕迹；另一方面，人類也需要開始準備運送一個特殊的機器人到達火星南極高原冰面上，這個機器人将利用極其特殊的工具，鑽開厚達1.5公裡的冰面進入到湖水中，取得湖水樣本，并且進行分析。這樣的要求已經超出了人類現有的技術水平，想要達到這些目标，人們可能還需要數十年的努力。
在尋找地外生命的過程中，科學家們的興趣遵循着跟随水的原則，曾經一度遠離火星，轉移到了木星和土星的一些衛星之上——人們此前在太陽系的其他一些天體上發現了液态水，其中最引人矚目的就是土衛二“恩塞勒達斯”（Enceladus），人們發現它向太空噴射出冰水混合物，其中可能含有複雜的有機物，這說明在其内部已經具有産生生命的必要條件；在木衛二“歐羅巴”（Europa）也存在一個冰面下的海洋。而火星地下湖的發現，又把科學家們的興趣吸引回火星，這其中一個重要的原因就在于這個地下湖的發現過程與此前地球南極區域地下湖的發現過程有諸多的相似之處。
人類直到20世紀下半期，才意識到在地球南極附近的冰面下存在着世界最大的淡水湖之一——沃斯托克湖（LakeVostok）。這個230公裡長、50公裡寬、800米深的淡水湖儲水量與北美安大略湖相當。就因為它被深埋在大約3.7公裡的冰面之下，直到人類發現它之前，它已經與世隔絕了至少1500萬年。就是在這種沒有陽光照射、溫度低于0攝氏度的極端惡劣條件下，科學家們仍然從結凍的湖水中發現了衆多微生物的痕迹。科學家們發現在沃斯托克地下湖中形成了一個已經與世隔絕數十萬年的獨特的生态系統——以此類推，在火星的南極區域，低溫高鹽環境的地下湖中是否也可能保存有火星生命的痕迹？如果在火星氣候宜人的年輕時代曾經和地球一樣演化出了生命，那麼數十億年的時間是否足以讓火星生命演化出适應這樣惡劣生存條件的能力，在地下湖中保存生命的火種？
實際上，這并不是人類第一次在火星上發現疑似液态水的信号。此前美國航空航天局（NASA）在2005年發射的火星勘測軌道飛行器（MarsReconnaissanceOrbiter）所裝備的高解析度成像科學設備（HighResolutionImagingScienceExperimentCamera），在2011年就曾在火星表面發現疑似是季節性的高鹽度液态水流動所造成的痕迹，還有其他的一些觀測疑點是否可以證明火星上存在液态水，也早就成了科學家們經年讨論的問題。此次Marsis的觀測結果可以說是至今為止可信度最高的對于火星液态水的勘探結果，但因為對于數據的理解方式有所不同，仍有人對此持懷疑态度。
在論文中，奧羅塞詳細論述了他與合作者們根據雷達信号判斷冰層下的物質為液态水，不可能來自其他物質，例如固态的二氧化碳，但也有其他研究者懷疑對于這樣的探測信号可能還有其他解釋。另外，這個探測結果也還尚未獲得其他探測衛星的确認。例如火星勘測軌道飛行器曾經在火星南極附近進行三維斷層掃描成像，但它并未發現有液态水的痕迹。有可能是因為火星勘測軌道飛行器發射的信号在火星地表發生了散射，無法穿透到火星冰層的深處，因此并沒有發現液态水。但人們當然也會期待，未來如果能有更多的探測設備獲得更多的關于火星南極地下湖的探測數據，必定能讓這個結論更令人信服。
火星是地球的近鄰。在真正探測火星之前，人類曾經對這顆行星有種種浪漫的想象，随着對火星探測的逐漸深入，它所展現的各種謎團既讓人迷惑又讓人着迷。地球與火星今夕情況的對比，足以使人類自省，又能夠激發人類推動科學和技術進步。火星湖的發現隻是人類探索火星的過程中一個值得紀念的節點，人們有理由期待更多來自火星的驚喜
（本文寫作參考了《科學》雜志和相關機構的報道）