距离“海盗1号”着陆器首次从火星表面拍摄图像已近50年。然而，直到最近，那片景象对人类的耳朵来说仍然一片寂静。现在，得益于“毅力号”火星车上的两个麦克风，研究人员可以从一百多万英里之外收听，探测红色星球的奇异大气和独特的声音传播模式。
天文学和天体物理学等领域长期以来一直使用电磁波谱（从伽马射线到无线电波以及其间的一切）来探测外太空。相比之下，宇宙的声学探索才刚刚开始。
尽管我们在地球上使用声波来绘制海底地图、推断风型、追踪闪电并完成其他任务，但美国宇航局仅为少数任务配备了专用麦克风。第一个于1999年飞往火星的麦克风在坠毁中烧毁，第二个于2007年发射的麦克风出现了技术问题。直到2021年初“毅力号”着陆，收听的研究人员才开始拼凑出火星的声音景观。（任何人都可以收听美国宇航局网站上令人毛骨悚然的音频记录。）他们于4月1日在《自然》杂志上发表的一项研究中分享了他们的发现。
捕捉火星声音
洛斯阿拉莫斯国家实验室的博士后、该研究的主要作者之一巴蒂斯特·希德说，说服美国宇航局相信麦克风是“毅力号”有效载荷中值得添加的，这费了一番功夫。
希德于2020年在图卢兹大学获得博士学位，与行星科学家西尔维斯特·莫里斯和戴维·米蒙合作，他们与洛斯阿拉莫斯的一个团队合作建造了一个名为SuperCam的仪器。SuperCam安装在“毅力号”的桅杆上，并装有火星车两个麦克风中的一个；另一个麦克风位于火星车侧面的一台摄像机中。希德作为一名博士生，负责设计科学依据，以说服美国宇航局这些麦克风确实是宝贵的资产。风险很高：希德的整个论文项目都取决于将这些麦克风送入太空。他说：“这是一场冒险的赌博”——但最终取得了成功。
（图片来源：NASA/JPL-Caltech/Shutterstock）
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没有人类和动物的喧嚣，火星几乎一片寂静，除了阵阵大风。因此，SuperCam团队还决定分析来自他们自己科学设备的声音。
SuperCam的部分任务是用激光照射附近的岩石，并记录反射回来的声学和光学信号，以确定硬度和化学成分。麦克风还能捕捉到更远的声音，包括美国宇航局“机智号”直升机旋翼的嗡嗡声——这是第一架在另一个星球上进行动力、受控飞行的飞机。
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解读噪音
根据激光和直升机发出的噪音，研究人员能够确定火星上的声速比地球上慢得多。此外，不同频率的声音以不同的速度传播。在地球上，声音通常以每小时767英里左右的速度传播。然而，在火星上，高音调的声音以每小时559英里的速度传播，低音调的声音甚至更慢，以每小时537英里的速度传播。类似的现象在地球上也会发生，但只发生在我们的听力范围之外的频率，所以我们通常不会注意到这种差异。
希德说，低频和高频之间的这种速度差异在长距离上最为明显。例如，如果你在火星上参加一场音乐会，站在离舞台几百英尺远的地方，你会在低频声音到达之前几毫秒收到高频声音，这会导致声音失真。乐队也必须演奏得相当响亮才能让音乐传到你那里，因为火星上的声音传播距离远不如地球上那么远。
这些异乎寻常的声学模式是由于火星上独特的大气造成的。与主要由氧气和氮气组成的地球大气不同，火星大气中96%是二氧化碳（CO2），而且极其寒冷稀薄。这些因素的结合导致二氧化碳分子以一种方式振动，从而吸收高频声音，阻止这些噪音传播很远的距离。
鉴于温度对声音传播有如此巨大的影响，希德和他的同事们怀疑火星上的声速会因季节甚至一天中的时间而异。随着沙尘暴季节的临近，研究人员预计他们的麦克风将检测到额外的风和温度变化。SuperCam的麦克风具有前所未有的灵敏度，可以检测到比火星上以往任何记录小1000倍的压力波动。因此，麦克风可以感应到被称为“微湍流”的小型风涡流，这些涡流会卷起灰尘——塑造行星表面，混合大气中的化学物质和气溶胶，并通过吸收太阳辐射来控制温度。
超越理论
在这些声音记录（总计不到六小时）之前，火星声音景观的模型纯粹是理论性的，并提供了相互矛盾的预测。路易斯安那大学拉斐特分校的物理学家安迪·佩特库莱斯库研究行星大气的声学特性，他没有参与这项研究，他认为这项新研究是“一项突破”，将有助于开发更一致的声学模型。
鉴于寒冷、稀薄、富含二氧化碳的大气使火星在声学上“不友好”，佩特库莱斯库对研究人员能够从他们的麦克风中获得如此清晰的信号印象深刻。他主张为未来的航天器配备声学传感器，以便更多地了解其他大气的声学特性。例如，土星最大的卫星土卫六拥有更稠密的大气和大量的背景噪音可供记录，包括甲烷暴雨。2027年，美国宇航局计划发射“蜻蜓号”任务，该任务将在其气象实验中携带两个麦克风，以补充来自惠更斯探测器的先前记录。
“声学研究在行星科学中正日益成熟，我们正在学习声音在不同大气中传播的新知识，”最近这项研究的合著者、SuperCam首席研究员罗杰·维恩斯解释说。
他补充说，在人类踏足红色星球之前，了解声音的物理学非常重要，以便推断风向和风速等信息——甚至通过聆听科学仪器运行时发出的声音来评估它们的健康状况。当人类最终到达那里时，我们可能不得不使用收音机等设备进行交流，因为声音传播不了很远。正如维恩斯所说：“你不能对街区另一边的人大喊大叫。”更何况，你还得从太空头盔里喊出来。
