美國火星2020任務(wù)“毅力號”（Perseverance）火星車于2021年2月18日著陸點(diǎn)火星。截至2021年10月8日，毅力號和它攜帶的“機(jī)智號”（Ingenuity）直升飛機(jī)已經(jīng)在火星表面度過了225個(gè)火星日。

   毅力號火星車有什么特別？它與之前的火星車任務(wù)有什么不同之處？為什么要著陸在耶澤羅撞擊坑？在登陸火星后的日子里，毅力號表現(xiàn)如何，做了什么，要去往哪里？這篇文章（上下兩部分）將為你一一揭曉。

火星采樣返回——一個(gè)漫長的期待

   將火星樣品送回地球一直是國際火星學(xué)界的頭號期盼，但礙于技術(shù)和成本原因一再推遲。為應(yīng)對高昂的探測成本，美國宇航局最終與歐空局于2018年簽署了聯(lián)合火星采樣返回合作協(xié)議，提出了“三步走”采樣返回計(jì)劃概念。整個(gè)計(jì)劃歷經(jīng)約10年，先后包括三次獨(dú)立的發(fā)射任務(wù)。

   毅力號火星車是整個(gè)計(jì)劃的第一步。毅力號負(fù)責(zé)采集樣品并將封好的樣品管留在地面上。2026年7月第二次發(fā)射，將一輛“樣品取回火星車”（ESA研發(fā)）和一個(gè)搭載有上升火箭的“樣品返回著陸器”（NASA研發(fā)）降落在毅力號附近。著陸器預(yù)計(jì)2028年8月著陸火星，新抵達(dá)的火星車會(huì)把毅力號封裝好的樣品管收集起來送回上升火箭。如果屆時(shí)毅力號仍在運(yùn)行，也將幫助運(yùn)送樣品。2026年9月的另一次發(fā)射還將發(fā)送一個(gè)“樣品返回軌道器”（ESA研發(fā)）。軌道器搭載著NASA提供的樣品捕獲裝置，可捕獲上升火箭送至環(huán)火軌道的火星樣品罐，并將其轉(zhuǎn)至地球返回艙中。如果一切順利，返回艙將于2031年9月在美國猶他州著陸。一個(gè)題外話是中國的“天問”系列任務(wù)也計(jì)劃于2030年左右從火星表面采集樣品，這將是繼“天問一號”之后中國的第二個(gè)火星探測任務(wù)。

   此次NASA/ESA聯(lián)合火星采樣返回任務(wù)造價(jià)高昂。三次發(fā)射的整體造價(jià)保守估計(jì)約70~80億美元——這還不包括樣品返回后的儲(chǔ)存設(shè)施建設(shè)。對于火星返回的樣品，需要在樣品的儲(chǔ)存和處理過程中執(zhí)行最嚴(yán)格的行星保護(hù)策略——即假設(shè)火星樣品中真的存在地外生命，并且這些生命對地球生命而言非常危險(xiǎn)。為了有效保護(hù)地球的生態(tài)系統(tǒng)不受潛在的外來生命的侵害，對火星樣品的儲(chǔ)存和處理等設(shè)施的要求非常高。

   那以這樣高昂的代價(jià)去取回火星樣品，值得嗎？非常值得！火星采樣返回將前所未有地推進(jìn)和深化對火星和太陽系的研究和理解。通過火星樣品，科學(xué)家團(tuán)隊(duì)可以建立火星的絕對地質(zhì)年代，對火星是否存在（過）生命或前生命給出明確結(jié)論，理解火星的地質(zhì)和氣候的演化等等。采樣返回也是載人探火的必經(jīng)之路，返回的樣品將幫助科學(xué)和工程團(tuán)隊(duì)評估火星表面環(huán)境對宇航員的潛在危害和未來登火可以就位利用的資源，從而制定切實(shí)可行的載人探火任務(wù)。

毅力號的采樣緩存系統(tǒng)

   毅力號計(jì)劃采集35個(gè)巖石土壤樣品。毅力號的采樣緩存系統(tǒng)由三個(gè)部分組成：一條長達(dá)2.1米的機(jī)械臂（5個(gè)自由度），機(jī)械臂末端的工具組件（SHERLOC和WATSON，PIXL，氣體吹掃工具，接觸感應(yīng)器和采樣鉆頭），以及車身上的采樣緩存系統(tǒng)。采樣緩存系統(tǒng)是毅力號火星車上的第二套機(jī)器人系統(tǒng)，用于完成復(fù)雜的采樣和緩存操作，也是整個(gè)采樣系統(tǒng)的控制核心。

   火星車的采樣緩存過程大約可分為五步：選擇目標(biāo)、鉆取樣品、采樣封裝、暫存樣品管，直到最后把（部分或全部）樣品管（及質(zhì)量控制對照管）從車身釋放，放置在取回點(diǎn)。由于采樣量非常有限，采樣團(tuán)隊(duì)需要盡量采集具有代表性和地質(zhì)多樣性的樣品，使得地球上的科學(xué)家們能有機(jī)會(huì)全面深入的認(rèn)識(shí)火星。在采樣之前，火星車?yán)盟鶖y帶的多種科學(xué)載荷對所采目標(biāo)旁邊的類似物進(jìn)行綜合就位分析。綜合分析包括先用研磨鉆頭刮掉表層的塵土和風(fēng)化層，再用氣體吹掃工具將表面吹干凈，接著用SHERLOC、WATSON和PIXL獲取目標(biāo)的礦物化學(xué)組成和特征圖像。之后SuperCam還將通過激光獲取目標(biāo)的光譜數(shù)據(jù)，桅桿主相機(jī)也將獲取目標(biāo)的高分辨圖像。采樣時(shí)，火星車機(jī)械臂將鉆取巖芯或表土（土壤、塵埃、碎石等），每個(gè)樣品約重15克（類似一支粉筆大�。Ｈ油瓿珊�，采樣緩存系統(tǒng)將立刻對所采樣品進(jìn)行測量拍照，樣品管加蓋密封，并儲(chǔ)存在樣品儲(chǔ)存架里。采樣過程中和采樣后的綜合就位分析和樣品測量，不但可以幫助科學(xué)家們?nèi)媪私馑杉瘶悠沸再|(zhì)特征，還為未來樣品返回地球?qū)嶒?yàn)室后的數(shù)據(jù)分析，以及未來科學(xué)儀器的研發(fā)提供寶貴的數(shù)據(jù)資料。

毅力號現(xiàn)在在哪，未來要去哪里？

   在2021年6月1日之前的調(diào)試階段，毅力號順利完成了各項(xiàng)檢查，完成了機(jī)智號直升機(jī)的試飛和就位制氧實(shí)驗(yàn)，還傳回了75000幅影像和麥克風(fēng)記錄的火星表面聲音。6月1日，毅力號正式進(jìn)入科學(xué)探測階段。從Octavia E. Butler著陸點(diǎn)，毅力號陸續(xù)向南行進(jìn)了約1.5千米，抵達(dá)了一個(gè)昵稱為“坑底破碎粗糙“（Cratered Floor Fractured Rough）的地質(zhì)單元（約4平方千米范圍）。為什么要來這里而不是直接向著著陸點(diǎn)西北的三角洲挺進(jìn)呢？因?yàn)檫@里保存著耶澤羅撞擊坑中最古老的地質(zhì)單元（早~中諾亞紀(jì)）。這里比鄰近的塞塔（Seitah）地質(zhì)單元（中諾亞紀(jì)）更古老，比三角洲單元（早西方紀(jì)）可能老上幾億年。這也將是迄今為止所有巡視任務(wù)在火星表面探查過的最古老地質(zhì)體。如果能夠?qū)⑦@些珍貴的古老樣品送回地球?qū)嶒?yàn)室，將令整個(gè)火星學(xué)界欣喜若狂。相鄰的塞塔地質(zhì)單元也值得探查，這里存在著基巖、山脊、層狀巖石和大量沙丘。如果讓毅力號穿越這個(gè)區(qū)域會(huì)非常危險(xiǎn)，因此這里主要由機(jī)智號從空中探查。

   2021年8月，毅力號進(jìn)行了首次采樣嘗試。采樣目標(biāo)是位于“撞擊坑底破碎粗糙”地質(zhì)單元的基巖“Roubion”。在采樣正式開始之前，毅力號對采樣目標(biāo)進(jìn)行全方位的綜合測量。這塊看起來較亮的巖石表層被打磨工具磨開后，微區(qū)相機(jī)記錄下巖石表層較紅的物質(zhì)和指示著水作用的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。鉆取后的巖石粉末呈現(xiàn)灰色，指示著還原的環(huán)境特征。鉆取結(jié)束后，毅力號再次拍攝了鉆孔內(nèi)的情況，以便為樣品分析提供鉆取深度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但是，令人意外的是，樣品緩存相機(jī)在對樣品管拍照時(shí)發(fā)現(xiàn)管內(nèi)空空如也，樣品并沒有裝進(jìn)管中。采樣團(tuán)隊(duì)仔細(xì)評估了所有傳回的數(shù)據(jù)，認(rèn)為取芯器本身沒有任何異常，在取芯器經(jīng)過的工作區(qū)域也沒有發(fā)現(xiàn)掉落的巖芯或巖芯碎片；通過對鉆孔內(nèi)的圖像分析，采樣團(tuán)隊(duì)認(rèn)為應(yīng)該是巖石本身不夠堅(jiān)固，鉆樣過程中僅產(chǎn)生了巖石粉末和小碎片，沒有產(chǎn)生巖芯。雖然這次采樣遇到了意想不到的情況，但采樣團(tuán)隊(duì)毫不氣餒，決定繼續(xù)前往南塞塔區(qū)域，開展第二次采樣嘗試。此外，雖然沒有采集到巖芯樣品，但封裝在樣品管中實(shí)際裝入了火星大氣�；鹦谴髿鈽悠芬彩钦滟F的火星樣品，一旦返回地球，它將幫助科學(xué)家們深入理解火星的大氣變化和氣候演化。

   8月26日左右，毅力號在“Artuby”山脊附近的Citadelle區(qū)域物色到了第二個(gè)采樣目標(biāo)—— 一塊昵稱為“羅切特”（Rochette）的巖塊。和上一次采樣目標(biāo)不同，這塊巖石看起來棱角分明，表面有風(fēng)沙留下的擦痕，說明這塊巖石足夠堅(jiān)硬。當(dāng)磨去“羅切特”表層仔細(xì)觀察，可以初步判斷這是一塊玄武質(zhì)的火山巖。這塊巖石的表面曾經(jīng)與水相互作用，巖石內(nèi)部可見水蒸發(fā)后留下的少量硫酸鹽。

   在判定這塊巖石足夠堅(jiān)硬之后，采樣團(tuán)隊(duì)在這塊巖石上采集了一對巖芯（“Montdenier”和“Montagnac”）。“羅切特”屬于耶澤羅撞擊坑中較為年輕的玄武巖，通過準(zhǔn)確定年，可以幫助科學(xué)家們重建耶澤羅的地質(zhì)歷史時(shí)間線，特別是耶澤羅撞擊坑的形成、古湖的出現(xiàn)和消失以及過去火星表面的氣候變化等等。鹽顆粒中還可能捕獲了古代火星水或保存有古代生命的跡象，可能為火星古代氣候和宜居性提供重要線索。

   攜帶著兩個(gè)火山巖芯，毅力號繼續(xù)前往下一個(gè)潛在的采樣區(qū)“南塞塔”。南塞塔的地質(zhì)年齡比Citadelle區(qū)域更加古老。10月初，由于日凌（地球和火星運(yùn)行至太陽兩側(cè)且三者近乎處于一條直線上），所有的火星任務(wù)都進(jìn)入了為期幾周的休眠期。在這之后，毅力號將繼續(xù)在南塞塔區(qū)域開展探測。

   一旦完成對這兩個(gè)古老地質(zhì)單元的考察，毅力號將重新返回最初的著陸點(diǎn)，并從那里向西北的內(nèi)雷特瓦（Neretva）三角洲挺進(jìn)。“三岔口”是毅力號第二次科學(xué)活動(dòng)的起始點(diǎn)，從那里毅力號可以到達(dá)古三角洲底部，并沿著山谷向三角洲的上層爬升，直到穿過三角洲區(qū)域進(jìn)入內(nèi)雷特瓦河谷。這將是人類首次對火星的三角洲和古河道開展就位探測。如果狀態(tài)良好，毅力號還有機(jī)會(huì)向著耶澤羅的坑緣前進(jìn)，在這里可以探訪到耶澤羅撞擊坑最初形成時(shí)的物質(zhì)。如果毅力號可以走出耶澤羅撞擊坑，它還將有望進(jìn)入更廣闊的尼利高地，繼續(xù)探訪這片古老高地。■

（作者系中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所月球與行星科學(xué)研究中心研究員）