NASA 的 MAVEN 火星探測器在去年 12 月 6 日飛到火星背面時,狀態其實相當良好。這次例行的「掩星」(occultation)原本預計不到一小時就會結束,但當 MAVEN 應該重新與地球建立聯繫時,地面團隊卻怎麼也收不到訊號。訊號中斷觸發了緊急應變計畫,工程師開始嘗試恢復與 MAVEN 的連線——它當時正於距離地球超過 2 億英里的火星軌道上運行。他們盲發指令、聆聽微弱訊號,但始終徒勞。隨著時間流逝,救援的希望越來越渺茫,NASA 官員於週三宣布他們正式放棄搶救。「NASA 已停止搜尋 MAVEN 探測器的行動,並開始進行任務除役作業,」位於馬里蘭州 NASA 戈達德太空飛行中心的 MAVEN 計畫經理 Mike Moreau 說。
訊號消失 工程師需要一段時間才能釐清火星大氣與揮發物演化(MAVEN)探測器究竟出了什麼問題。這個探測器於 2013 年從地球發射,2014 年抵達火星軌道,目的是研究火星大氣與太陽風之間的交互作用。MAVEN 是一個徹底成功的任務,在火星上運作了 11 年,遠遠超過原先設定的主要任務期。但這次突如其來的故障著實令人意外。NASA 許多行星探測任務都能運作數十年。基於現有的少量資訊,調查人員可能永遠無法確切找出 MAVEN 故障的原因。調查團隊正仔細檢視探測器在火星遮蔽訊號前所傳回的資料,並且工程師在 MAVEN 從行星背面重新出現後,成功回收了部分遙測片段。「作為調查的一部分,噴射推進實驗室的團隊成員成功從探測器上回收了一些遙測資料片段以及都卜勒頻移資料,」Moreau 說。「這些資料是從訊號消失後數小時內所記錄到的訊號中擷取出來的。」地面控制人員在當下並未即時察覺這些微弱的訊號。它們是另一項科學活動所記錄的——該活動目的是蒐集火星高層大氣的密度與動力學資訊,因為大氣會使穿透其中的無線電訊號產生失真。「我們能夠確認的其中一個關鍵數據是慣性速率測量,顯示探測器當時以每分鐘約 2.7 圈的速度自旋,」Moreau 說。「我們也確認這與我們在資料中看到的都卜勒訊號特徵一致。這個速度比探測器原本預期的旋轉速度更快,代表探測器可能遭遇了無法自行恢復的問題。」由於無法將太陽能板對準太陽,失控翻滾的探測器很可能在數小時內就耗盡了電池電力。「這個數據點幫助我們理解探測器可能已進入一個無法支持繼續運作的電力狀態,」Moreau 說。「這些是我們所掌握的事實。異常審查委員會仍在釐清究竟是哪個環節啟動了這次故障。」MAVEN 目前在橢圓形軌道上繞行火星,近火點距離火星表面 110 英里(180 公里),遠火點則達 2,500 英里(4,000 公里)。這個約小汽車大小的探測器,將在這條軌道上停留 50 到 100 年,最終自然墜入火星大氣層燒毀。
失去了什麼? 這個問題有兩個層面的答案。MAVEN 當初被打造出來,目的是作為研究平台,協助科學家了解火星大氣在數十億年間如何變化。在 MAVEN 之前,科學家已經知道火星在遠古時代必然更溫暖、更潮濕,並擁有更厚的大氣層。今日的火星大氣太稀薄,無法支撐液態水存在於地表,但已有大量證據顯示數十億年前火星曾佈滿湖泊與河流網絡。MAVEN 找到了剝離火星高層大氣分子的機制證據,這個過程被稱為「大氣逃逸」(atmospheric escape)。探測器的科學儀器監測了火星大氣如何回應來自太陽大規模噴發所噴出的帶電粒子流。「MAVEN 11 年的資料讓我們首次在任何一顆行星上觀察到一種叫做『濺射』(sputtering)的大氣逃逸過程,」MAVEN 首席研究員、科羅拉多大學波德分校大氣與太空物理實驗室的 Shannon Curry 說。「這是指帶電粒子撞入高層大氣,把中性大氣物質像跳入泳池濺起水花一樣撞出來。我們的團隊利用惰性氣體同位素,確認這個過程在數十億年間一直是主導的大氣逃逸機制。」2024 年的一場太陽風暴猛烈衝擊火星。「我們觀察到大氣逃逸量增加了幾個數量級,甚至拍攝到整顆行星閃爍極光的影像,」Curry 說。MAVEN 的科學傳奇已然確立,但對參與這個 2006 年就首次向 NASA 提案的科學家團隊而言,告別並不容易。「我認為團隊真的經歷了像失去一位摯愛那樣的痛楚,伴隨著任務的終結,」Moreau 說。「與此同時,我們對過去十年所達成的科學成就感到無比自豪,」Curry 說。「MAVEN 是整個太陽系中最頂尖的大氣逃逸觀測者。我們現在對火星大氣逃逸的理解,比對太陽系中任何其他行星——包括地球——都更透徹。」
第二個層面的答案則比較不確定。在火星的大部分時間裡,MAVEN 探測器為 NASA 各個火星表面探測車與登陸器提供資料中繼服務,將它們上傳的科學數據轉送回地球。這個中繼功能讓 NASA 能從「毅力號」(Perseverance)與「好奇號」(Curiosity)等探測車回收遠比直接對地球通訊更多的資料與影像。少了 MAVEN 之後,NASA 還有四個軌道器可以執行這項關鍵的無線電中繼任務。但官員們並不確定它們還能撐多久。其餘四個中繼軌道器中,有三個比 MAVEN 還老。MAVEN 由於位於較高的軌道,在中繼網路中扮演了超出比例的重要角色。「在整個任務生涯中,MAVEN 支援了探測車與登陸器超過 8% 的中繼時段,但貢獻了近 18% 的資料回傳量,足見它在傳回大量資料時的實用性,」NASA 火星探索計畫總監 Tiffany Morgan 說。現有的網路仍有充足能力支援毅力號與好奇號的運作,只是有一些小限制。「我們確實還有可用資產,這些資產已調整它們回傳的資料量,探測車也調整了它們與這些資產連線的排程,」Morgan 說。「偶爾會出現輕微的延遲,因為可見的資產變少了,科學資料回傳的時間會拉長;MAVEN 對於回傳科學資料(相對於運作資料)尤其關鍵。但火星中繼網路在此時此刻,大致上仍具備足夠韌性來承受 MAVEN 的損失,只是會多一點延遲。」
NASA 正在邀請商業公司開發火星中繼網路的替代方案。這個名為「火星電信網路」(Mars Telecommunications Network)的新商業系統,預期將為 NASA 未來的紅色星球任務提供更高的傳輸量與更廣的覆蓋率。「與其讓每個任務各自設計通訊方案,我們將打造一套更有能力的架構,專門為火星而設計,」NASA 太空通訊與導航辦公室能力發展副主任計畫經理 Greg Heckler 說。「它會建立在 MAVEN、其他軌道器、所有在這個環境中運作任務的經驗教訓之上,包括目前在火星上運作的探測車,以及我們在月球周邊日益擴展的活動。」NASA 希望火星電信網路能在 2030 年代正式運作。該機構上個月已發出徵求建議書(RFP)。「我認為……有急迫性,」Heckler 說。「我認為 NASA 建立這套基礎設施,對於延續目前火星任務的科學運作,以及讓我們執行未來更大、更多的新任務,將極為關鍵。」
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