據(jù)報(bào)道，目前，美國(guó)宇航局“毅力號(hào)”火星車首次通過(guò)傳聲器捕捉到火星聲音，一項(xiàng)最新研究揭示了關(guān)于火星聲學(xué)和聲音特征的重大發(fā)現(xiàn)，使人們更全面深入地認(rèn)知這顆紅色星球。

1976年7月20日，“海盜1號(hào)”火星探測(cè)器在火星表面著陸，它是首個(gè)成功登陸火星的探測(cè)器，隨后向地球傳回兩張清晰的火星照片，照片中的火星表面遍布巖石，存在與地球相似的沙漠區(qū)域，盡管后續(xù)其他探測(cè)器拍攝到大量火星照片，但在接近50年的時(shí)間里，人們對(duì)火星的認(rèn)知僅限于視覺(jué)勘測(cè)。現(xiàn)在“毅力號(hào)”火星車改變了人們對(duì)火星的傳統(tǒng)認(rèn)知，該火星車裝配兩個(gè)傳聲器，可使地面工作人員聆聽(tīng)到火星聲音，探測(cè)到火星獨(dú)特的大氣層和聲音傳播模式。

長(zhǎng)期以來(lái)，天文學(xué)和天體物理學(xué)等領(lǐng)域的科研人員一直利用電磁波譜(伽馬射線到無(wú)線電波之間所有波譜)，來(lái)探測(cè)地外太空環(huán)境，相比之下，人類對(duì)宇宙聲學(xué)探索才剛剛開(kāi)始……

【資料圖】

盡管研究人員利用聲波測(cè)繪地球海底環(huán)境，推測(cè)大氣層風(fēng)力模式，跟蹤閃電，以及完成其他科學(xué)勘測(cè)任務(wù)，但是美國(guó)宇航局僅在少數(shù)太空任務(wù)中配備專用傳聲器，據(jù)悉，在“毅力號(hào)”火星車之前，至少有2次火星任務(wù)在設(shè)計(jì)中都安裝了傳聲器，第一次安裝的傳聲器是1999年美國(guó)宇航局“火星極地號(hào)”著陸器，不幸的是，它在火星表面墜毀；第二次安裝的傳聲器是2007年發(fā)射升空的“鳳凰號(hào)”火星探測(cè)器，但是傳聲器未順利啟動(dòng)，記錄火星聲音的任務(wù)再次以失敗告終。

直到2021年初，伴隨著“毅力號(hào)”火星車著陸火星表面之后，研究人員才開(kāi)始拼湊火星表面的環(huán)境聲音，2022年4月1日，《自然》雜志發(fā)表研究報(bào)告稱，“毅力號(hào)”火星車首次捕捉到火星聲音，目前人們可以在美國(guó)宇航局網(wǎng)站收聽(tīng)到奇妙怪異的火星聲音。

捕捉火星聲音

該研究作者之一、美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室博士后巴蒂斯特·齊德(Baptiste Chide)稱，我們耐心說(shuō)服了美國(guó)宇航局，讓該機(jī)構(gòu)相信在毅力號(hào)有效載荷中添加傳聲器具有重要價(jià)值。

在行星科學(xué)家西爾維斯特·莫里斯(sylveststre Maurice)和戴維·米蒙(David Mimoun)的幫助下，2020年，齊德取得了法國(guó)圖盧茲大學(xué)博士學(xué)位，他們與洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)合作，設(shè)計(jì)了超級(jí)相機(jī)(SuperCam)，隨后超級(jí)相機(jī)安裝在“毅力號(hào)”火星車桅桿上，該火星車其中一個(gè)傳聲器就安裝在超級(jí)相機(jī)上，另一個(gè)傳聲器則安裝在火星車側(cè)面的相機(jī)上。

齊德在博士生期間研究方向就是設(shè)計(jì)太空探測(cè)裝置，他們?cè)O(shè)計(jì)的傳聲器被美國(guó)宇航局采用，盡管傳聲器裝配在火星車上風(fēng)險(xiǎn)較高，但美國(guó)宇航局仍信心十足，認(rèn)為它具有一定的科研價(jià)值，齊德說(shuō)：“我的博士論文課題就是傳聲器設(shè)計(jì)，這是一個(gè)冒險(xiǎn)的賭注，但也是一個(gè)有高回報(bào)的賭注！”

沒(méi)有人類和動(dòng)物的喧囂，火星幾乎是一顆寂靜星球，只有陣陣疾風(fēng)，因此，毅力號(hào)任務(wù)超級(jí)相機(jī)團(tuán)隊(duì)決定分析捕捉神秘的火星聲音。超級(jí)相機(jī)的部分任務(wù)是使用激光轟擊附近巖石，并記錄反射聲波和相關(guān)光學(xué)信號(hào)，從而確定火星巖石硬度和化學(xué)成分，此外，揚(yáng)聲器還能接收到更遠(yuǎn)處的聲音，包括：美國(guó)宇航局“機(jī)智號(hào)”火星直升機(jī)葉片的嗡嗡聲，這是第一架在其他星球?qū)崿F(xiàn)動(dòng)力控制飛行的直升機(jī)。

破解火星噪音

依據(jù)火星激光器和直升機(jī)產(chǎn)生的噪音，研究人員能夠確定火星聲速比地球聲速慢，此外，不同頻率的聲音以不同速度傳播，在地球上，聲速達(dá)到1236千米/小時(shí)(343.2米/秒)，但在火星表面，高音聲速達(dá)到900千米/小時(shí)，低音聲速則傳播較慢，864千米/小時(shí)。此類高低音聲速差異現(xiàn)象也存在于地球，但其頻率超出了人類聽(tīng)力范圍，因此我們通常不會(huì)注意到這種差異。

齊德指出，低頻和高頻聲音之間的速度差異在遠(yuǎn)距離傳播過(guò)程中最為明顯，例如：如果我們?cè)诨鹦巧蠀⒓右魳?lè)會(huì)，距離舞臺(tái)幾百米的區(qū)域，在聽(tīng)到低頻信號(hào)前幾毫秒會(huì)聽(tīng)到高頻信號(hào)，這將導(dǎo)致聲音傳播失真，為了讓音樂(lè)傳到觀眾的耳朵，樂(lè)隊(duì)還必須將音量調(diào)至最大，因?yàn)榛鹦潜砻媛曇魝鞑ゲ](méi)有地球那么遠(yuǎn)。

事實(shí)上火星獨(dú)特的聲音傳播模式是由于火星特殊大氣層所致，與地球大氣層主要是由氧和氮構(gòu)成不同，火星大氣層96%是二氧化碳，而且稀薄，溫度極低，這些因素結(jié)合在一起導(dǎo)致二氧化碳分子以一種吸收高頻聲音的方式發(fā)生振動(dòng)，從而阻止火星噪音傳播到更遠(yuǎn)的區(qū)域。

考慮到溫度對(duì)聲音傳播具有如此顯著的影響，齊德和同事們懷疑火星聲音傳播速度會(huì)隨季節(jié)甚至一天不同時(shí)間段，而出現(xiàn)明顯變化，隨著近期火星沙塵暴氣候臨近，研究人員預(yù)計(jì)傳聲器將探測(cè)到火星風(fēng)力和溫度變化。超級(jí)相機(jī)的傳聲器具有前所未有的靈敏度，比之前火星記錄壓力波動(dòng)范圍精準(zhǔn)1000倍，因此，該傳聲器能感應(yīng)到叫做“微湍流”的微型風(fēng)旋渦，它攪動(dòng)著塵埃，塑造著火星地貌，混合了火星大氣中的化學(xué)物質(zhì)和溶膠，并通過(guò)吸收太陽(yáng)輻射來(lái)控制火星表大氣溫度。

刷新認(rèn)知理論

在“毅力號(hào)”火星車捕捉到火星聲音之前(相關(guān)錄音文件時(shí)長(zhǎng)不到6小時(shí))，科學(xué)界對(duì)于火星聲景模型的認(rèn)知程度僅是理論概念，甚至部分研究人員提出相互矛盾的預(yù)測(cè)。美國(guó)路易斯安那大學(xué)拉斐特分校物理學(xué)家安迪·佩特勒斯庫(kù)(Andi Petculescu)擅長(zhǎng)研究行星大氣的聲學(xué)特性，他認(rèn)為，這項(xiàng)最新研究是一個(gè)“認(rèn)知突破”，將有助于研發(fā)更一致的火星聲學(xué)模型。

考慮到低溫、稀薄、富含二氧化碳的火星大氣層會(huì)使火星聲學(xué)模型顯得“不太友好”，佩特勒斯庫(kù)對(duì)火星傳聲器獲得如此清晰信號(hào)感到驚訝，在接受媒體采訪時(shí)，他建議未來(lái)太空飛船盡可能裝配聲學(xué)傳感器，從而更多地了解其他星球大氣的聲學(xué)特征。例如：土衛(wèi)六擁有密度較高的大氣層，以及豐富的背景噪音記錄，包括：甲烷暴雨。據(jù)悉，美國(guó)宇航局計(jì)劃2027年發(fā)射“蜻蜓號(hào)”探測(cè)器任務(wù)，它是一個(gè)類似直升機(jī)的無(wú)人機(jī)裝置，將飛越土衛(wèi)六，它在相關(guān)氣象實(shí)驗(yàn)中配備兩個(gè)傳聲器，能彌補(bǔ)“惠更斯號(hào)”探測(cè)器之前的勘測(cè)記錄。

該研究報(bào)告合著作者、火星超級(jí)相機(jī)首席研究員羅杰·維恩斯(Roger Wiens)解釋稱，行星科學(xué)中的聲學(xué)研究日臻成熟，我們正在了解聲音在不同星球大氣層中傳播的新模式。

他強(qiáng)調(diào)指出，在未來(lái)人類踏上這顆紅色星球之前，深入了解聲音物理學(xué)對(duì)于推斷火星風(fēng)向、風(fēng)速之類的信息，甚至通過(guò)科學(xué)儀器運(yùn)行產(chǎn)生的聲音來(lái)判斷是否出現(xiàn)故障，都是至關(guān)重要的。事實(shí)上，當(dāng)人類最終登陸火星表面，可能必須使用無(wú)線電等通訊設(shè)備進(jìn)行交流，因?yàn)槁曇舨粫?huì)傳播很遠(yuǎn)。就像人類不能在道路另一側(cè)朝著認(rèn)識(shí)的人大喊大叫，更不用說(shuō)，在火星表面人類必須佩戴著頭盔。

關(guān)鍵詞： 超級(jí)相機(jī) 研究人員