寻找火星生命：NASA毅力号任务图解

本文来自微信公众号：Nature Portfolio（ID：nature-portfolio），原文作者：Alexandra Witze，作者：Nature Portfolio，原文标题：《一起去火星吧！NASA毅力号任务图解》，头图来自：NASA

大概在39亿年前，一颗不规则岩石撞向火星，在火星表面砸出了一个45千米宽的巨坑，人们称其为耶泽罗陨石坑（Jezero Crater）。美国当地时间2月18日，NASA的最新火星车在这个陨石坑着陆。

NASA的目标是探索火星上这片过去温暖潮湿，甚至可能很宜居的区域。遍布这个陨石坑的各种地质构造暗示这里曾经有水，包括一个湖泊和一个河流三角洲的遗迹。目前尚无探测器抵达过这片区域，研究这里的岩石构成将给NASA一个绝佳机会，回答火星上是否有过生命这一存在很久的问题。

“毅力号”将探索耶泽罗陨石坑（上图为艺术再现图），这里也是人类迄今在火星上探索过的最古老地形。来源：NASA/JPL-Caltech

“耶泽罗非常特别。” 印第安纳州普渡大学的行星科学家、该任务科学组成员Briony Horgan说。

NASA这台六轮火星车取名“毅力号”（Perseverance），它将以机器人地质学家的身份遍访耶泽罗陨石坑，先研究那些露出头的部分，再挖取灰尘和岩石放入火星车腹部的一盘样本管中。如果一切顺利，当“毅力号”在火星表面待满一个火星年（略少于两个地球年）时，它将行进超过15公里。它还将采集一组非常珍贵的样本，把它们放在火星地表，留待未来的探测器将其取回——这也将是火星岩石首次被带回地球。

目的地：耶泽罗

还有两项任务也在2月抵达了火星。阿联酋的“希望号”探测器在2月9日入轨火星，隔天中国“天问一号”也加入其中——这对阿联酋和中国来说都是第一次。但“毅力号”的目标是成为2012年以来首个登陆火星的火星车。2012年，NASA的“好奇号”（Curiosity）探测器降落在盖尔陨石坑（Gale Crater），这个陨石坑是一个干涸的湖床，距离耶泽罗约3700公里。（“天问一号”计划最早在5月让一台火星车降落，而“希望号”没有降落计划。）迄今为止，只有8台探测器成功降落在火星表面并开展工作（见“着陆”）。

着陆

截至目前，成功在火星着陆并运行的探测器只有8台，第一台是1976年的“海盗号”（Viking）双子着陆器 。“毅力号”将在当地时间2月18日前往一个尚且“无人问津”的区域。

来源：USGS Astrogeology

“毅力号”让科学家们激动不已，因为它可以回答关于火星过去的种种问题，这些问题到目前都纯属猜测。耶泽罗的远古裂缝地层将是人类在火星上探索过的最古老地形。“火星上的这个区域是非常古老的，”加州喷气推进实验室的行星地质学家、“毅力号”科学组成员Vivian Sun说，“这里之所以很重要，是因为火星最古老的时期也是我们认为生命最可能存在的时期。”

古老地貌

“毅力号”将在耶泽罗陨石坑内一个7.7×6.6千米的椭圆形区域着陆——不是在其计划探索的古代河流三角洲旁边，就是在三角洲的顶部。

来源：ESA/DLR/FU-Berlin

在约41亿年到37亿年前，火山喷出的气体进入了火星大气，变厚的大气捕获了热量，形成云层和降雨。水辟蹊径，形成了河谷和湖泊——科学家如今仍能从火星表面看到这些遗迹。但是，火星后来开始变冷变干，宜居性大大下降。

火星环绕器拍下的照片显示，该时期形成的一条河流曾穿过耶泽罗陨石坑的西部边缘。这条河流应该将一些沉积物的微小颗粒从很远的上游带了下来。当河水流入陨石坑时，沉积物留在了河里，形成了一个延伸到东边的三角洲。这个三角洲和湖泊的内部以及周围条件应该足以支持微生物的生存。后来，这条河流慢慢干涸，剩下的地层也变成了现在的岩石。

三角洲勘探

“毅力号”探索的就是耶泽罗的这个古代三角洲。它的一个目标是寻找三角洲岩石里的有机物，这或许能用来判断这里是否有过微生物或其他生命形式。地球上的密西西比河三角洲就有大量有机物，这些有机物是上游的植物等物质腐烂后的残余。如果耶泽罗三角洲也保存了这类有机物，“毅力号”就能通过在地层上勘察和钻取，发现有机物的迹象，田纳西大学地质学家、“毅力号”科学组成员Linda Kah说。

潮湿的过去

亿万年前，一条河流从西面流入耶泽罗，形成了一个注满陨石坑的大湖。沉积物从河水中析出，形成了一个扇形的三角洲。

来源：NASA/JPL-Caltech/MSSS/JHU-APL/Brown University

寻找火星过去生命迹象的另一个地方是这个古代湖泊的沿岸——“毅力号”也将勘探这个三角洲沿岸以及与陨石坑边缘平行的一排岩石。此前环绕器的观测显示，这些岩石可能是由碳酸盐矿物组成的，碳酸盐矿物在火星上很少见，但在地球上很常见。碳酸盐（包括石灰岩）经常与珊瑚礁等生物有关，还与保存了过去的有机物（如微生物）的化石有关。“碳酸盐让我们这些地球生物学家喜不自胜。”Kah说。

前进之路

一旦着陆成功，“毅力号”的最大挑战是如何快速高效地侦察所有目标区域，并采集样本。NASA只给了“毅力号”一个火星年（将近两个地球年）的时间来完成这一初步任务。

为此，团队的科学家已经拟定了“毅力号”着陆后的可能行进路线。“很多情况都将取决于我们在这个8千米宽的目标区域的降落位置。”Kah说。

“毅力号”的旅程

“毅力号”的一个可能路线是降落在陨石坑底，再穿过这个古代河流三角洲，沿路采集不同地点的岩石，之后驶离耶泽罗，把采集的岩石样本丢在某处，等待未来的火星任务把它们带回地球。

来源：NASA/JPL-Caltech/USGS

“毅力号”的一个可能着陆点是陨石坑底，正好在三角洲峭壁的前面。科学家尚不清楚陨石坑底的组成成分，但那里的岩石似乎颜色较深，较光滑，可能是一次火山泥石流。如果是这样，采集样本就成了任务组科学家心中的首要目标：当样本最终返回地球时，他们就能通过分析确定形成这些岩石的火山喷发的日期，这有助于理解耶泽罗各类地质事件的发生时间。

火星车还可以从陨石坑底往上爬，爬到三角洲上去，在那里采集富含粘土的样本和其他岩石。在这之后，火星车还能开到可能富含碳酸盐的岩石上进行钻取，再开到耶泽罗的边缘巡视一番。

如果火星车按照这个路线走，它将行进超过15公里，至少能采集15到20管不同类型的岩石样本。

在这个视频中，科学家Ken Farley带领观众俯瞰了“毅力号”将探索的地形。来源：NASA/JPL-Caltech

岩石采集器

为了获得岩石和土壤样本，“毅力号”将借助机械臂上的一个钻头（见“探索工具”）。它将重复采集最重要的样本，一式两份。当“毅力号”抵达耶泽罗陨石坑的边缘时，它会将其中一份样本留在地上，把另一份塞进自己的腹部。这么做是为了确保这些首批样本能被未来的火星任务轻松带回地球。

如果火星车在第一个火星年后状态良好，它将从陨石坑边缘前往周围的尼罗高原（Nili Planum）。这部分任务旨在探索迄今探测过的最古老地形，包括一些超大块岩石，这些岩石是近40亿年前另一颗巨大小行星撞击时从火星深处炸出来的。这些岩石可能不仅来自火星壳，还可能来自更深的火星幔——这一部位还没有被科学家直接探测过。“它们静静地待在那里，可能已有30多亿年了，等着我们去发现它们。”Horgan说。

探索工具

汽车大小的“毅力号”上还搭载了许多探测仪器，用来采集岩石样本的钻头位于机械臂的末端。

来源：NASA/JPL-Caltech

根据之前的观测结果，尼罗高原上还有古代水热系统的遗迹，这里的热水曾渗透到火星壳。地球上，像是怀俄明州黄石国家公园等，这些水热区域充满了各种微生物生态系统——火星上或许也有过这番景象。因此，尼罗高原可能有着与耶泽罗陨石坑完全不同的宜居环境。

如果这些“扩展任务”都进展顺利，“毅力号”将把带着的所有采样管都装满。除了在耶泽罗陨石坑边缘留一份样本外，其他样本管将被留在尼罗高原的某处，等待被取回。

该视频模拟了“毅力号”的直升机将在火星上完成的任务：提前侦察和拍摄地形，帮助“毅力号”导航。（该视频包含机械和直升机叶片在原本静默无声的火星上发出的声音。）来源：NASA/JPL-Caltech

“毅力号”还将在火星上执行其他任务，包括试飞第一架在其他星球起飞的直升机——这是为了侦察火星地表的哪条路最安全。此外，“毅力号”还将用不同方式提取火星大气中的氧气，为未来的人类探索开发资源。不过，它的首要任务还是采集那些样本，以便有一天能被带回地球。

欧洲航天局和NASA 正在规划将这些样本返回地球的两项任务。这些任务最早将在2026年启动，届时会向耶泽罗陨石坑或尼罗高原发送一个火星车去取回“毅力号”留下的样本管，再发送一个环绕火星的轨道探测器。火星车会把样本管放在火箭上，将它们送入火星轨道，等待轨道探测器的接应，并于最早2031年把样本送回地球。

“毅力号”是这一长串任务的第一步——也是科学家几十年来翘首以盼的一步。“‘毅力号’将首次有望回答其他火星车无法回答的重大问题：火星上有过生命吗？我们能否找到象征生命存在过的证据？”Sun说。“我超级激动。”

原文以The hunt for life on Mars: A visual guide to NASA’s latest mission标题发表在 2021年2月16日的《自然》的新闻版块上

本文来自微信公众号：Nature Portfolio（ID：nature-portfolio），原文作者：Alexandra Witze