科技日報記者 劉霞
從行星科學的角度來看，火星宛如地球的“孿生兄弟”：它們的形成時間、內部結構，乃至形成初期的環境都極相似。
但在隨後幾十億年間，這對“兄弟”卻分道揚鑣：地球生機盎然；火星卻荒涼死寂。
火星為何會遭遇如此淒慘的命運？火星上是否曾有生命出現？是讓很多科學家輾轉反側的謎團。科學家一直希望能從火星采回樣本，進行研究，揭示火星的“前世今生”，解開這些謎團。多年醞釀，終於即將實施。
據美國《科學》雜誌網站11月22日報導，由美國國家航空航天局（NASA）和歐洲航天局（ESA）共同設計的“火星采樣返回”（MSR）任務現已敲定：耗資70億美元，分四步走，從火星上采集約600克樣本送回地球。
歐洲研製的地球返回軌道器將跟蹤並抓取在軌道上裝有樣本的容器。來源：美國《科學》雜誌
中國科學院國家天文台研究員、被稱為“火星叔叔”的鄭永春博士對科技日報記者表示：“2019年是阿波羅登月五十周年，火星采樣任務在某種程度上可與阿波羅計劃相比擬。”
勢在必行的火星采樣任務
為什麽要進行火星采樣任務呢？
鄭永春解釋說，在太陽系內，火星是與地球環境最為相似的星球，也是唯一有可能實現大規模移民的星球。目前，除了極少數火星隕石外，人類只能借助航天器進行遙感和原位探測。
雖然，人類在火星隕石中發現了有機物，在大氣層中檢測到了甲烷，但目前火星上是否仍然還有生命？火星上是否曾經繁衍過生命？這些問題依然沒有答案。而要想回答這些問題，只能寄希望於火星樣本的研究。
英國倫敦大學學院的空間科學家安德魯·科茨說：“火星采樣任務將是太空探索領域最重要的任務之一。”
據《科學》雜誌報導，歐洲航天局（ESA）22個成員國的部長下周將齊聚西班牙塞維利亞，通過該機構未來三年的預算方案。ESA載人航天與機器人探索總監戴維·帕克說，他打算在會議上要求為MSR任務頭幾年以及將於明年發射升空的“火星太空生物”計劃（ExoMars）的火星車提供6億歐元資助。他有信心能如願以償。
NASA則希望在川普政府向國會提交的2021年預算案中出現MSR任務的“身影”。該機構火星探測科學家邁克爾·邁耶認為，現在我們擁有一大批研製和操控火星車的科學家和工程師，執行這一任務恰逢其時；此外，我們也擁有一組仍然在正常運行的火星軌道器，可提供中繼通信，“萬事皆已具備”。
投資70億美元 分四步走
儘管如此，MSR任務負責人、NASA噴氣推進實驗室的布萊恩·穆爾黑德說：“這一火星采樣任務也和將人類送往月球一樣複雜。”
鄭永春介紹道，火星采樣返回任務非常複雜，要分為采樣、取樣、交接、返回四個步驟。目前，美國在火星著陸方面的技術已經基本成熟，明年發射的火星車將采集火星岩石和土壤樣本，並封裝在樣本管內；而2028年發射的另一輛火星車要把散落在火星表面的這些樣本收集起來，封裝在一個密封球體內，這個任務耗時很長，也很不容易。
鄭永春繼續強調說：“特別困難的是，火星采樣返回任務，要在火星上自動發射火箭進入火星上空，與軌道器進行交會對接。這些任務在地球上有人參與的情況下，都是風險很高的技術，而要在火星上無人參與的情況下實現，難度就更大了。”
返回火箭研發負責人、NASA馬歇爾太空飛行中心的安吉·傑克曼也表示：“讓樣本離開火星並非易事，這將是人類首次從另一顆行星發射火箭。”
火星采樣返回任務四個步驟。來源：美國《科學》雜誌網站
此外，據《科學》雜誌報導，為使用最少的燃料樣本送回地球，ESA希望借助離子推進器來推動地球返回軌道器。離子推進器將利用太陽能電池板產生的電能驅動離子，產生可持續數月的平穩脈衝，從而推動航天器前進。ESA的“貝皮·科倫坡”水星探測器正在使用這一方法前往水星。鑒於離子推進產生的推力較小，因此，這一行程預計歷時2年，而非9個月左右。歐洲航天局MSR負責人桑傑·維傑德拉姆說：“離子推進有缺點，但這意味著，我們可以利用歐洲現有技術完成這一任務。”
至於70億美元的費用問題，鄭永春表示：“阿波羅登月當時用了200多億美元，相當於現在的上千億美元。現在仍在火星上執行任務的‘好奇’號火星車，耗資26億美元。所以，如果能否實現火星采樣的話，70億美元實現人類歷史第一次，並不算很多。”
希望發現生命存在的證據
研究人員稱，他們現在很難確切預測十年後將如何研究這些樣本，但他們希望能發現火星上過去或現在存在生命的跡象。去年，“好奇”號火星車發現了兩個富含有機大分子的地點，但它搭載的儀器不能鑒別出這些分子究竟源於生命還是由地質過程產生。
西班牙馬德裡天體生物學中心的瑪麗亞-帕扎·佐爾扎諾也參與了MSR科學優先事項的認定工作。她說，地球上的科學家可以分析來自耶澤洛隕石坑中的樣本中同樣材料內的碳同位素，以確定其是否源於生命。
如果沒有在樣本內發現任何生命存在的跡象，科學家想知道具體原因。麻省理工學院行星科學家本傑明·魏斯問道：“是因為火星不宜居？還是因為生命並沒有產生過？”
科學家認為，數十億年前，隨著內核變冷，火星失去了自己的磁場，大氣因此逃逸，火星表面變得寒冷乾燥，並遭受強的太空異塵餘生的“侵蝕”。通過收集不同樣本的數據並測量它們的古磁場，以及它們形成的環境，他們可以驗證上述理論是否正確，以及如果上述情況屬實，那麽是否由於火星在很早之前就變得不宜居，以至於生命從來沒有開始過。
火星原始狀態或遭破壞
為更好地了解火星，人類真是費勁了心思。“好奇”號、“洞察”號，以及“火星采樣任務”中那些將陸續拜訪火星的火星車、著陸器等等，在火星上“你方唱罷我登場”，給荒涼孤寂的火星增添了幾分熱鬧和喧囂。
佐爾扎諾說，隨著人類探索火星的熱情與日俱增，研究這一行星原始狀態的機會變得日益渺茫。她說：“如果我們現在不介入，我們會錯過這個獨特的時刻。”
鄭永春對此也深表讚同，他說：“隨著世界各國對火星探測的興趣日益增加，會有越來越多航天器登陸火星。”
以2020年的火星發射窗口為例，就將有美國、印度、阿聯酋、以及歐洲和俄羅斯合作的“火星太空生物”計劃（ExoMars）的火星車發射；中國的火星探測器也將發射升空，並將實現環繞火星、登陸火星、火星車巡視勘察等任務。
鄭永春略帶憂心地指出：“這勢必會威脅火星現有的原始狀態，甚至還有可能把地球上的生命帶到火星上。如果是這樣的話，今後即便科學家在火星上找到了生命或生命的‘蛛絲馬跡’，也很難區分它們到底是不是地球上帶過去的。”
火星采樣任務4步走
1、采樣：目前，MSR任務的第一階段目標已接近完成：NASA耗資25億美元研製的“火星2020”火星車計劃於2020年7月發射，將在有40億年歷史的耶澤洛隕石坑（Jezero crater）著陸。耶澤洛隕石坑裡有保存完好的遠古河流三角洲的化石，該區域的岩石保存著關於火星漫長而多樣的地質歷史時期的信息。火星車可四處活動，完成科學實驗，鑽探小塊泥岩和其他岩石（這些岩石可能蘊藏著古老生命的“蛛絲馬跡”），采集岩心樣本。
每個樣本將包含20克岩石和粗砂，存儲於約手電筒大小的管內，NASA會將一些樣本管暫時寄存在火星表面；另一些則放在火星車上。
2、取樣：日歷向前翻到2028年！屆時，NASA另一個著陸器將攜帶返回火箭和ESA建造的取樣火星車抵達火星。著陸器將於2026年發射升空，於2028年8月登陸火星。
之後，像茶几大小的采樣火星車將從著陸器中駛出，尋找幾年前散落的樣本管。火星車將依靠太陽能供電，因此，在陽光日益減弱的冬季到來之前，它只有6個月時間完成任務。為此，它每天需要前進200米，並能自動導航。
一旦火星車取樣成功返回著陸器，由ESA製造的機械臂便會從車架子上取下樣本管，將其中30個置於籃球大小的鈦容器內，該容器只能容納約30個樣本。
3、交接：隨後，返回火箭將裝滿樣本的容器發射到距離火星表面300千米高的軌道內，以與ESA的地球返回軌道器“會師”。地球返回軌道器跟隨著陸器一起到達火星，目的是抓取進入火星軌道的樣本。
順利“會師”後，由NASA建造的機械裝置會將裝載樣本的球體放入一個密閉模塊中，隨後進行密封並消毒，該模塊最後會被放置於一輛名為“地球進入車”的盤形車內，盤形車隨後會在減震器的保護下，在沒有降落傘減速的情況下，降落於猶他州的沙漠。
4、返回：樣本將於2031年回到地球，之後將置於一個隔離設施中，使其不受地球微生物等的汙染。
來源：科技日報 文中圖片除注明外均來自網絡
編輯：陳可軒
審核：王小龍
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