毅力号之眼

编译 姚人杰

着陆过程的恐怖七分钟结束了。降落伞成功打开，空中吊车的反推火箭成功点火，火星车发出“砰”的落地声！毅力号这台由人类制造的火星车要在距离地球十分遥远的红色星球上进行科学研究，此刻它的车轮终于接触到火星表面。

昵称为“珀西”的毅力号现在睁开了它许多只眼睛，环顾四周。毅力号火星车上拥有很多摄像头，着陆器抛背罩上有3个摄像头，降落器有1个摄像头，无人直升机“机智”号上有2个摄像头，总数是25个。大多数摄像头的作用是帮助火星车安全行驶；一些摄像头近距离观察火星上的古老岩石和砂砾，寻找火星上曾经存在生命的迹象；一些摄像头能看见色彩与纹理，与人类看见色彩与纹理的方式几乎一样，但摄像头能看见更多东西——火星车上的摄像头所想象的颜色超越了人类眼睛和大脑所能及的色彩，然而，人类的大脑依然得去弄懂那些摄像头传送回来的照片。

为了寻找生命留下的迹象，你得去一个曾经可能适合生命栖息的地方。在火星上，那个地方便是耶泽罗撞击坑（Jezero Crater）。三四十亿年前，那儿是一处浅浅的湖泊，沉积物从坑壁顺流而下。如今那儿是约45米高的悬崖，沉积物分散在古老的三角洲上，逐渐变干，形成条纹和多种颜色。

那些颜色是一种地质学信息图。它们代表了时间一层层地累积下来，一个地层又一个地层代表了一世又一世；它们也代表化学，美国宇航局（NASA）科学家将摄像头指向它们，就能说出他们看到的是什么矿物，也许还能说出小小的火星生物是否曾经称呼那些沉积物为家园。“假如火星上存在沉积岩，沉积岩又保存了远古生物圈存在过的证据，那么我们会在那儿找到证据。”亚利桑那州立大学的行星科学家吉姆·贝尔（Jim Bell）说道，他也是火星车上一组摄像头的课题负责人，“证据应该存在于这个地方。”

他们在寻找生命存在的证据，但他们不会看见那些证据。因为在那50米长的真实信息图中，一些最有趣的颜色是看不见的，至少对身在地球上的你我而言是看不见的。光线被物体反弹或者绕过物体或者穿过物体后，再击中我们的眼睛，我们才看见颜色。然而，火星上的光与地球上的光略有不同。而毅力号火星车的“眼睛”能看见人类眼睛看不见的光——由反射后的X射线、红外线、紫外线构成。这些光线的物理学原理是一样的，但感知起来不一样。

贝尔的团队负责桅杆变焦相机系统（Mastcam-Z），一组装在毅力号最高点的科学用双镜头。“我们为火星车研发了桅杆变焦相机系统，那辆火星车要去火星上一个从未中选过的地点，因此我们不得不在设计时想着各种可能性——用最优化的镜头去捕捉火星上任何地点的地质情况。”梅丽莎·赖斯（Melissa Rice）说道，她是西华盛顿大学的一位行星科学家，也是桅杆变焦相机系统项目的主要负责人。

对于近景，桅杆变焦相机系统能看清大约1毫米宽的细节；而在100米开外，它能识别出仅有4厘米宽的特征。这种能力好过你我的视力。它也能更好地看见色彩——或者该说成以“多光谱方式”捕捉到人类习以为常的宽频段可见光谱，但也能捕捉到大约十几种窄频段非常规“颜色”。

该系统的两台相机用柯达制造的现有标准图像传感器实现这了不起的“超级视觉”，那些图像传感器和你手机里的电荷耦合器件（CCD）没啥两样。使得它们很特别的是滤色镜。在电荷耦合器件前面有一层拾取红色、绿色和蓝色的像素。想象一个正方形网格——上面的格子拾取蓝色和绿色，底下的格子拾取绿色和红色，现在将这种网格延伸成重复的马赛克图案，这被称作拜尔阵列，是人眼中三种能感受颜色的光感受器的电子版本。

火星与地球沐浴在相同的日光——拥有每个波长光线、一模一样的大杂烩——之下，然而火星获得的日光较少，因为火星离地球更远。另外，地球有厚厚的、充满水汽的大气层，能反射和折射日光，而火星只有少量大气，大气中还充满微红色的尘埃。

火星上有许多红色和棕色的景象。但在火星上看见这些红色和棕色景象就像增加了另一套知觉过滤器。“我们讨论过要不要显示接近真实颜色的图像——基本接近于我们拍摄下的原始颜色图像。”赖斯说，“但人眼进化的目的是在地球光照下看见周围景象。假如我们想再现火星在人类眼睛里的样子，我们应该模仿地球光照条件到火星上。”

于是，图像处理团队一方面研究毅力号发回的原始数据流，调整火星上的颜色为地球风格的颜色。或者，团队可以模拟火星光线击中火星上物体后的光谱。那会让照片看上去有点不一样，不那么真实，但也许更像人类在火星上会实际看见的景象。（火星人会看见什么景象就说不准了，因为假如火星人有眼睛，它们的眼睛会进化得适合在火星天空下看色彩，它们的大脑也会是迥异的。）

但赖斯对这两种做法都不怎么感兴趣。“对我来说，结果在某种意义上甚至不是视觉图像。我感兴趣的结果是定量的。”她说。赖斯在寻找的答案是：多少特定波长下的光被火星岩石中的东西反射或吸收。这一“反射值”能准确告诉科学家他们在寻觅的答案。拜尔滤色镜对于波长超过840纳米的光——也就是红外线——是透明的。在那层滤色镜前面，有一个装有另一套滤色镜的色轮；它们负责阻挡人类可见的光线颜色，这样你就得到了一台红外线相机。拾取到几段狭窄的波长后，你就能确定和区分不同种类的岩石以什么方式反射不同波长的红外线。

在毅力号出发前，桅杆变焦相机系统研究团队必须准确弄清相机是如何看见那些差别的。他们创造了一个“地质板”（Geo Board），通过设计人员的头脑风暴会议，汇集供参考的色彩样本和实际的正方形片状岩石。“我们搜集了各种岩石板，包括火星上人类已知的所有类型材料和我们希望在火星上发现的材料。”赖斯说，“譬如，在那块 ‘地质板’ 上有碧玄岩和石膏。在普通的彩色图片中，碧玄岩和石膏看起来都像亮白色的岩石。”这两种矿物的主要成分都是钙元素和硫元素，但石膏混入了更多水分子，而水对某些波长的红外线反射得多过其他物质。“当我们用设定了更长波长的桅杆变焦相机系统拍摄伪色图像，图像变得像白昼一样清澈，难以区分二者。”赖斯说。

桅杆变焦相机系统尽管能执行多光谱的多项任务，但它也有局限之处。它的分辨率对于观察岩石纹理很管用，但它的视野只有大约15度宽，而且它很低的上传带宽会让你家里的路由器咯咯窃笑。毅力号将给地球传回许多壮观的图片，桅杆变焦相机系统的成果看上去真不算什么。至少说，无法一眼看到它的优点。所有展望都受制于技术和地球火星之间遥远距离的瓶颈。“伙计，咱们的工作如同分诊，”贝尔说，“我们利用图片的颜色来判断有没有值得进一步探究的东西，就像‘嘿，那很有意思。也许那儿有些化学上的新东西，也许有一种不一样的矿物，一些不一样的岩石纹理’。”

月球车的狭隘视野意味着，准确来讲，科学家无法见到他们希望看见的所有景象。贝尔和研究团队在加州南部沙漠中进行的模拟中，领略过那种视野限制。“权且当作笑话，但也是一条客观教训，我的同事在一次野外测试中将一根恐龙骨头放在火星车路径的旁边。”他说，“结果我们操纵火星车从恐龙骨旁径直驶过，它根本没发现。”

要鉴别出实际的元素——更重要的是弄清这些元素是否曾为生命提供栖息之处——你需要更多颜色，部分颜色甚至更加不可见。那就是X射线光谱学的用武之处。

具体而言，毅力号手臂上有一个传感器，名叫行星X射线岩石化学分析仪（PIXL）。负责它的研发团队期望能将矿物元素组成和细粒纹理结合起来。科研人员正是依靠这两者才发现叠层石（也就是拥有极小的圆顶状和圆锥状结构的沉积层，只能来自活体微生物）。地球上的叠层石提供了一些地球最早的生命存在的证据，负责毅力号的科学家希望他们能在火星上实现相同的发现。

PIXL研发团队的领导者是喷气推进实验室的天文生物学家及野外地质学家阿比盖尔·奥尔伍德（Abigail Allwood）。她以前就做过这类工作，利用这项技术，再结合沉积物的高分辨率图片，在澳大利亚找到地球上已知最早生命存在过的迹象，并且判定格陵兰岛上的类似沉积物不是远古生命留下的证据。在格陵兰岛上做这种研究并不容易，那儿的环境甚至比火星更加严酷。

X射线与人眼所能看见的光都属电磁波谱，但X射线的波长要小得多——甚至比紫外线更加小。X射线属于电离辐射，只有当你是氪星人的话，X射线在你眼中才是一种颜色。X射线导致多种不同原子以特有的方式发出荧光。“我们生成X射线，让岩石处在X射线下，再检测信号，研究元素化学。”奥尔伍德说。PIXL和团队也准备了一台白光闪光灯。“前面的照明在一开始只是一种让岩石更容易看清楚的办法，是为了让岩石的化学组成与可见的岩石纹理结合起来，以前从未在火星上做过这种事。”奥尔伍德说道。颜色一开始有点让人烦恼——热与冷都会影响灯泡。“我们最初尝试了白光LED灯，但随着气温变化，它无法生成同样色度的白光。”她说道，“于是给我们供应相机的丹麦研究人员向我们提供了彩色LED灯。”这些LED灯包括红色、绿色、蓝色和紫外线灯。这些颜色组合在一起，可以构成更好、更加稳定的白光。

这种组合的LED灯也许能找到火星上的叠层石。在确定有希望的目标地点——大概全靠桅杆变焦相机系统慢摇镜头扫描撞击坑——火星车会侧向移动，靠近目标，伸出手臂，PIXL开始工作。最细小的特征、颗粒和纹理能显示岩石到底是火成的，还是沉积而成的，或者像炖菜一样融合在一起，又或是像三明治一样显现层状。各层的颜色以及其他特征会给出每层年代的线索。最理想的情况下，可见的颜色和纹理的地图与由X射线生成的、不可见且只有数字的地图会达成一致。当正确的结构与正确的矿物成分对应一致，奥尔伍德就能判断她到底获得了像澳大利亚那样的生命迹象，还是格陵兰岛类型的失败结果。奥尔伍德说：“我们发现PIXL真正有意思的地方在于，它通过化学分析，展示出你看不见的东西。那会成为探索的关键。”

奥尔伍德希望PIXL的扫描产生丰硕的成果——在仪器如同邮票大小的视野中，生成一幅拥有6 000个位点的红外线地图，每个位点都代表多个光谱分析结果。她称其为“超光谱数据立方”。

当然，毅力号上还有其他镜头和仪器，其他扫描器也在岩石和风化层中寻找有意义的细微迹象。在PIXL旁边就有一台以另一种方式审视岩石的仪器，靠向岩石时发射出激光，让岩石的分子振动，而那就属于拉曼光谱学。毅力号收集到的数据会是超光谱的，但也是多面向的。当我们送机器人去另一颗星球，就会发生这种事。

一位地外行星研究者告诉我，让人类来承担探索任务，或者通过火箭将取回的样本送回地球的话，会产生最好的、贴近地面真相的数据。稍逊一筹的是X射线和拉曼光谱学分析得出的数据，更不济的是火星车摄像头、轨道飞行器上的摄像头拍摄下的画面。当然，所有这些设备要在火星上无间地合作。

奥尔伍德说：“在火星上寻找生命不会是像 ‘某某仪器看见了些东西’ 这样。它会是像这样—— ‘所有仪器都看见了这个、那个和其他迹象，解读之后，火星上存在过生命是个合理判断’。火星上没有无比确凿的证据，只有繁杂的数据和信息，犹如一块缂织壁毯。”而就像上好的缂织壁毯一样，最终的全貌只有将不同颜色的经线与纬线小心翼翼地编织在一起，才会浮现。

资料来源 Wired