火星洞察号着陆器的生命于去年结束，因为它的太阳能电池板被灰尘覆盖，而且它的电力供应慢慢减少。经过四年的研究和数据收集，NASA 于 2022 年 12 月正式宣布任务结束。
然而，洞察号留下了令人难以置信的遗产，它提供了有史以来最好的火星内部观察，并且是地震仪首次在另一个星球上使用。为了了解单个小型着陆器如何能够透视整个行星，我们采访了洞察号团队的两位领先科学家，不列颠哥伦比亚大学的凯瑟琳·约翰逊和美国宇航局喷气推进实验室的马克·潘宁。
为什么要研究火星内部？
了解像火星这样的行星的内部不仅仅是一种抽象的好奇心。事实上，要了解从行星大气层到历史的各种主题，我们需要了解它的内部。 “如果你想了解火星是如何演化的——为什么它过去的大气层与现在的大气层不同？为什么过去的火山活动量与最近的地质活动量不同？ ——你必须了解内部结构，”约翰逊说。
但使用漫游车分析火星表面的样本已经够困难的了——你怎么可能知道位于数亿英里之外的行星的内部是什么样的呢？幸运的是，我们知道如何做到这一点，因为我们有研究地球的实践。我们通过观察地震波如何穿过地球来了解地球的内部结构，我们可以在火星上做同样的事情。
这就是在洞察号着陆器上安装地震仪的理由，洞察号着陆器是有史以来第一个着陆在另一个星球上的地震仪。如果你原谅我用双关语的话，它的结果已经超出了这个世界。
因地震而摇晃
地球的构造板块在数百万年的时间里不断移动，当它们相互摩擦时就会引发地震。今天的火星没有板块构造，但它会被称为火星地震的类似地震所震动。这意味着合适的仪器可以研究这些地震以及它们在地球内部反弹的方式，以更多地了解其结构。
为了检测表面的微小震动，你不需要一个四处移动的漫游车。相反，你想要的东西能够在同一个地方停留数月或数年，这就是 InSight 是固定着陆器的原因。它也位于一个非常安静的地区。
当谈到选择地震测量的着陆点时，“你基本上想要一个尽可能无聊的地方，”约翰逊说。 “并且尽可能安静，因为你正在进行这些极其敏感的测量。”
为了考虑到日常环境差异，InSight 还使用天气传感器测量温度、压力和风速等因素，因此可以从地震数据中减去这些因素。作为奖励，这意味着洞察号也是一个小小的火星气象站，并提供了其所在的极乐平原地区的多年天气数据。
如何测量火星地震
地震仪是一种相当基本的设备，考虑到我们在地球上使用它们的丰富经验，在火星上调整它们在概念上很简单。设计人员需要针对不同的重力水平进行调整，并且仪器需要极其灵敏，以捕捉微小的震动。但这是最容易的部分。
困难的部分是如何仅使用其中之一来实现。当您在学校时，您可能已经了解到测量地震需要三个站点，以便您可以对地震的起源进行三角测量。但火星上只会有一个着陆器，而且它必须自行收集所有所需的数据。
潘宁说：“有多种方法可以通过单个站点来定位地震，”但通常不会这样做。因此，弄清楚这种方法在火星上的效果如何是让任务被接受的一个重要部分。 “我们花了很多时间讨论如何通过一个站点来定位事件。”
要让人们相信“洞察号”能够独自探测到有用的信息并不容易，特别是考虑到地震仪从未被放置在其他星球上。但自 2018 年登陆火星以来，它已经记录了数百次地震事件。潘宁说，在这方面，“历史已经证明了我们”。 “我们已经能够定位到很多地震。”
了解地震波
要了解 InSight 的工作原理，您需要了解地震波。地震波有两种类型，称为 P 波和 S 波。当波穿过地球时，它们可以以不同的方式移动： 对于 P 波，物质沿与波移动的方向相同的方向前后移动。对于 S 波，材料相对于波的方向从一侧移动到另一侧。
考虑一下紧身衣。您可以沿着 slinky 的长度推动波浪，这相当于 P 波，或者您可以从一侧到另一侧摆动 slinky，这相当于 S 波。
洞察号可以检测到这两种类型的波，并用它们来检测火星震的来源。要了解地震起源的距离，您可以查看地震波到达着陆器的时间，因为两种类型的波以不同的速度传播。 P 波和 S 波到达之间的时间间隔即可得出距离。
确定源的位置有点复杂。该过程使用了一种称为地震波极化的特性，它指的是波内的运动方向。 “因此，例如，如果 P 波从东方传入，它的粒子运动将沿东西方向移动。他们不会从北向南行驶，”潘宁解释道。
您可以使用该偏振来计算出波的来源方向。潘宁说：“因此，如果我们知道地震距 P 和 S 的时间有多远，并且我们知道地震从波的极化方向进入哪个方向，那就可以确定位置。”
窥视内部
一旦找到地震源，您就可以使用此信息来了解地球的内部。我们知道火星的内部结构是由多个层组成的，由熔融的核心、地幔和地壳组成。但在 InSight 之前，我们并没有很好地了解每一层的厚度。
尽管听起来很抽象，但了解地球的深层内部对于理解从地球历史到当今状态的各种问题至关重要。约翰逊说：“地球是如何冷却的，它发生了什么，它过去是否有磁场，今天是否有磁场——这些问题很大程度上取决于其内部深处。”
因此，洞察号从火星地震中获取数据来测量各层的深度。由于每一层都有不同的材料特性，每一层都与不同波中的地震波相互作用。这使得研究人员能够计算出每层的厚度和特性。
为了研究地壳，您可以使用一种称为接收器函数的技术。当 P 波撞击边界（例如地壳边缘）时，其中一些会转换为 S 波。然后你可以看到转换后的 S 波能量比 P 波晚一点到达，这可以告诉你地壳有多厚。
为了研究熔化的地核，您需要寻找从地核和地幔之间的边界反弹的能量。大地震可能会产生 S 波，该 S 波撞击此边界、反射并反弹回接收器。您可以寻找具有正确偏振的入射波，以便将其识别为这种特殊类型的波（称为 ScS 波），这可以让您计算出核心的半径。
为了研究地幔，研究人员想知道波穿过这一层的速度有多快，从而让他们了解地幔的温度。为此，您需要寻找从行星表面反弹的波，称为 PP 波。您可以看到这些反射比原始 P 波晚到达接收器，这可以告诉您波的传播速度。
展望未来
这就是洞察号能够收集迄今为止有关火星内部的最准确信息的方式，找到地壳内的不同子层并精确定位核心的大小。这是了解地球的一大进步，并且是在洞察号运营的短短几年内实现的。这是洞察号将为火星科学留下的遗产。
约翰逊说：“每次任务都会使我们的理解发生巨大的飞跃——在这种情况下，这是我们对火星内部和着陆器表面环境的理解的巨大飞跃。”
洞察号对火星内部的更深入了解将为未来的任务提供支持，从计划中的火星样本返回任务到宇航员最终亲自访问这颗红色星球的长期计划。着陆器的结果仍在用于发现，例如最近发现火星每年旋转得更快。
因此，尽管洞察号任务已经结束，约翰逊和她的团队对任务所取得的成就以及火星科学的未来持乐观态度。
“任何任务都是一次令人难以置信的旅程，”约翰逊说。 “当事情结束时，总是令人悲伤的时刻。但你也会花很多时间思考这次任务如何促成下一步的调查。”