从行星科学的角度来看，火星宛如地球的“孪生兄弟”：它们的形成时间、内部结构，乃至形成初期的环境都极相似。但在随后几十亿年间，这对“兄弟”却分道扬镳：地球生机盎然；火星却荒凉死寂。

火星为何会遭遇如此凄惨的命运？火星上是否曾有生命出现？是让很多科学家辗转反侧的谜团。科学家一直希望能从火星采回样本，进行研究，揭示火星的“前世今生”，解开这些谜团。

多年酝酿，终于即将实施。据美国《科学》杂志网站11月22日报道，由美国国家航空航天局（NASA）和欧洲航天局（ESA）共同设计的“火星采样返回”（MSR）任务现已敲定：耗资70亿美元，分四步走，从火星上采集约600克样本送回地球。

中国科学院国家天文台研究员、被称为“火星叔叔”的郑永春博士对记者表示：“2019年是阿波罗登月五十周年，火星采样任务在某种程度上可与阿波罗计划相比拟。”

势在必行的火星采样任务

为什么要进行火星采样任务呢？

郑永春解释说，在太阳系内，火星是与地球环境最为相似的星球，也是唯一有可能实现大规模移民的星球。目前，除了极少数火星陨石外，人类只能借助航天器进行遥感和原位探测。

虽然，人类在火星陨石中发现了有机物，在大气层中检测到了甲烷，但目前火星上是否仍然还有生命？火星上是否曾经繁衍过生命？这些问题依然没有答案。而要想回答这些问题，只能寄希望于火星样本的研究。

英国伦敦大学学院的空间科学家安德鲁·科茨说：“火星采样任务将是太空探索领域最重要的任务之一。”

据《科学》杂志报道，欧洲航天局（ESA）22个成员国的部长下周将齐聚西班牙塞维利亚，通过该机构未来三年的预算方案。

ESA载人航天与机器人探索总监戴维·帕克说，他打算在会议上要求为MSR任务头几年以及将于明年发射升空的“火星太空生物”计划（ExoMars）的火星车提供6亿欧元资助。他有信心能如愿以偿。

NASA则希望在特朗普政府向国会提交的2021年预算案中出现MSR任务的“身影”。该机构火星探测科学家迈克尔·迈耶认为，现在我们拥有一大批研制和操控火星车的科学家和工程师，执行这一任务恰逢其时；此外，我们也拥有一组仍然在正常运行的火星轨道器，可提供中继通信，“万事皆已具备”。

投资70亿美元，分四步走

尽管如此，MSR任务负责人、NASA喷气推进实验室的布莱恩·穆尔黑德说：“这一火星采样任务也和将人类送往月球一样复杂。”

郑永春介绍道，火星采样返回任务非常复杂，要分为采样、取样、交接、返回四个步骤。

目前，美国在火星着陆方面的技术已经基本成熟，明年发射的火星车将采集火星岩石和土壤样本，并封装在样本管内；而2028年发射的另一辆火星车要把散落在火星表面的这些样本收集起来，封装在一个密封球体内，这个任务耗时很长，也很不容易。

郑永春继续强调说：“特别困难的是，火星采样返回任务，要在火星上自动发射火箭进入火星上空，与轨道器进行交会对接。这些任务在地球上有人参与的情况下，都是风险很高的技术，而要在火星上无人参与的情况下实现，难度就更大了。”

返回火箭研发负责人、NASA马歇尔太空飞行中心的安吉·杰克曼也表示：“让样本离开火星并非易事，这将是人类首次从另一颗行星发射火箭。”

此外，据《科学》杂志报道，为使用最少的燃料样本送回地球，ESA希望借助离子推进器来推动地球返回轨道器。

离子推进器将利用太阳能电池板产生的电能驱动离子，产生可持续数月的平稳脉冲，从而推动航天器前进。ESA的“贝皮·科伦坡”水星探测器正在使用这一方法前往水星。

鉴于离子推进产生的推力较小，因此，这一行程预计历时2年，而非9个月左右。欧洲航天局MSR负责人桑杰·维杰德拉姆说：“离子推进有缺点，但这意味着，我们可以利用欧洲现有技术完成这一任务。”

至于70亿美元的费用问题，郑永春表示：“阿波罗登月当时用了200多亿美元，相当于现在的上千亿美元。现在仍在火星上执行任务的‘好奇’号火星车，耗资26亿美元。所以，如果能否实现火星采样的话，70亿美元实现人类历史第一次，并不算很多。”

希望发现生命存在的证据

研究人员称，他们现在很难确切预测十年后将如何研究这些样本，但他们希望能发现火星上过去或现在存在生命的迹象。

去年，“好奇”号火星车发现了两个富含有机大分子的地点，但它搭载的仪器不能鉴别出这些分子究竟源于生命还是由地质过程产生。

西班牙马德里天体生物学中心的玛丽亚-帕扎·佐尔扎诺也参与了MSR科学优先事项的认定工作。她说，地球上的科学家可以分析来自耶泽洛陨石坑中的样本中同样材料内的碳同位素，以确定其是否源于生命。

如果没有在样本内发现任何生命存在的迹象，科学家想知道具体原因。麻省理工学院行星科学家本杰明·魏斯问道：“是因为火星不宜居？还是因为生命并没有产生过？”

科学家认为，数十亿年前，随着内核变冷，火星失去了自己的磁场，大气因此逃逸，火星表面变得寒冷干燥，并遭受强的太空辐射的“侵蚀”。

通过收集不同样本的数据并测量它们的古磁场，以及它们形成的环境，他们可以验证上述理论是否正确，以及如果上述情况属实，那么是否由于火星在很早之前就变得不宜居，以至于生命从来没有开始过。

火星原始状态或遭破坏为更好地了解火星，人类真是费劲了心思。“好奇”号、“洞察”号，以及“火星采样任务”中那些将陆续拜访火星的火星车、着陆器等等，在火星上“你方唱罢我登场”，给荒凉孤寂的火星增添了几分热闹和喧嚣。

佐尔扎诺说，随着人类探索火星的热情与日俱增，研究这一行星原始状态的机会变得日益渺茫。她说：“如果我们现在不介入，我们会错过这个独特的时刻。”

郑永春对此也深表赞同，他说：“随着世界各国对火星探测的兴趣日益增加，会有越来越多航天器登陆火星。”

以2020年的火星发射窗口为例，就将有美国、印度、阿联酋、以及欧洲和俄罗斯合作的“火星太空生物”计划（ExoMars）的火星车发射；中国的火星探测器也将发射升空，并将实现环绕火星、登陆火星、火星车巡视勘察等任务。

郑永春略带忧心地指出：“这势必会威胁火星现有的原始状态，甚至还有可能把地球上的生命带到火星上。如果是这样的话，今后即便科学家在火星上找到了生命或生命的‘蛛丝马迹’，也很难区分它们到底是不是地球上带过去的。”

火星采样任务4步走

1、采样：目前，MSR任务的第一阶段目标已接近完成：NASA耗资25亿美元研制的“火星2020”火星车计划于2020年7月发射，将在有40亿年历史的耶泽洛陨石坑（Jezero crater）着陆。

耶泽洛陨石坑里有保存完好的远古河流三角洲的化石，该区域的岩石保存着关于火星漫长而多样的地质历史时期的信息。火星车可四处活动，完成科学实验，钻探小块泥岩和其他岩石（这些岩石可能蕴藏着古老生命的“蛛丝马迹”），采集岩心样本。

每个样本将包含20克岩石和粗砂，存储于约手电筒大小的管内，NASA会将一些样本管暂时寄存在火星表面；另一些则放在火星车上。

2、取样：日历向前翻到2028年，届时，NASA另一个着陆器将携带返回火箭和ESA建造的取样火星车抵达火星。着陆器将于2026年发射升空，于2028年8月登陆火星。

之后，像茶几大小的采样火星车将从着陆器中驶出，寻找几年前散落的样本管。火星车将依靠太阳能供电，因此，在阳光日益减弱的冬季到来之前，它只有6个月时间完成任务。为此，它每天需要前进200米，并能自动导航。

一旦火星车取样成功返回着陆器，由ESA制造的机械臂便会从车架子上取下样本管，将其中30个置于篮球大小的钛容器内，该容器只能容纳约30个样本。

3、交接：随后，返回火箭将装满样本的容器发射到距离火星表面300千米高的轨道内，以与ESA的地球返回轨道器“会师”。地球返回轨道器跟随着陆器一起到达火星，目的是抓取进入火星轨道的样本。

顺利“会师”后，由NASA建造的机械装置会将装载样本的球体放入一个密闭模块中，随后进行密封并消毒，该模块最后会被放置于一辆名为“地球进入车”的盘形车内，盘形车随后会在减震器的保护下，在没有降落伞减速的情况下，降落于犹他州的沙漠。

4、返回：样本将于2031年回到地球，之后将置于一个隔离设施中，使其不受地球微生物等的污染。

来源 | 科技日报
责编 | 吴瑕