美國火星2020任務“毅力號”（Perseverance）火星車于2021年2月18日著陸火星。截至2021年8月18日，毅力號和它攜帶的“機智號”（Ingenuity）直升機已經在火星表面度過了176個火星日。
毅力號火星車有什么特別？它與之前的火星車任務有什么不同之處？為什么要著陸在耶澤羅撞擊坑（Jezero Crater）？在登陸火星后的日子里，毅力號表現如何，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。
毅力號——會采樣的機器人版火星地質學家
毫無疑問，火星2020任務的毅力號火星車是截至目前美國送往火星最先進、最復雜的無人探測器。
毅力號重1025千克，大小類似于一輛家用SUV。毅力號沿用了好奇號火星車的設計，所以毅力號看上去整體與好奇號相似，但也做了一系列的升級改良。例如，毅力號的相機增至23臺，可以從車身的不同位置以不同分辨率拍攝圖像，更好地協助毅力號感知環境。
汲取了好奇號車輪出現嚴重破損的經驗，毅力號改良了車輪設計，一方面把車輪變得更厚實、更耐用，另一方面在車輪上采用了溫和波紋設計的弧形鈦輻條，比好奇號車輪上的V型彎折能更好地減少車輪破損。毅力號沿用了核能電源，使用壽命長達14年，使毅力號可以在夜間、沙塵暴或冬季這樣的火星極端環境下保持良好工作狀態。毅力號還首次配置了兩個麥克風用于記錄火星環境里的聲音。
毅力號攜帶了七項科學儀器和實驗，主要包括（1）用于環境感知與成像的桅桿主相機（Mastcam-Z），可以像雙筒望遠鏡一樣變焦并拍攝全景和立體圖像；（2）用于巖石化學組成分析的X射線巖石化學行星儀（PIXL），可以對毫米級的目標進行元素分布分析；（3）用于微區物質成分遠程分析的超級相機（SuperCam），可以從幾米遠的距離對亞毫米級的巖石或土壤等目標進行成像、化學成分和礦物學分析；（4）用于亞毫米級有機物成像和分析的拉曼熒光光譜儀（SHERLOC），并搭配了可以在精細尺度（約10微米）成像的相機（WASTON），組成了“夏洛克”與“華生”一對好搭檔；（5）用于次表層結構分析的探地雷達成像儀（RIMFAX），可以對地下約10米深度內的結構層、埋藏的巖石、冰或鹽水等進行成像分析；（6）用于火星環境動態分析的氣象站（MEDA），可測量溫度、風速、風向、壓力、相對濕度、輻射以及塵埃顆粒大小和形狀；（7）火星氧氣就位制取實驗（MOXIE），嘗試從火星的稀薄大氣（僅有地球大氣1%大氣壓）中提取二氧化碳制取氧氣。
毅力號的最重要使命是尋找生命痕跡和采集最優選的巖石土壤樣品，等待后續的任務去返回地球。為此，毅力號在科學裝備上也做了重要升級。
從好奇號和之前的任務中，科學家們逐漸意識到，要尋找火星有機物，必須去掉表面的氧化層（即鉆取巖石表面以下部分），要采用不會破壞有機物的分析方法（利用光譜手段原位分析），要能分析毫米甚至微米精細尺度下的有機物和化學成分信息（選用具有微區掃描、成像和分析能力的儀器）。這也就不難理解為什么毅力號在物質組成分析的科學儀器幾乎全部采用了無損的光譜分析方法，并配套了微區分析或掃描成像功能。
另外，毅力號沒有像好奇號一樣攜帶質譜儀。因為這次考察的重要樣品還有機會被采集和返回地球實驗室，所以更多進一步的精細分析（例如同位素分析）就將留給地球實驗室里的科學家們來完成了。
毅力號還攜帶了幾項與未來探測有關的技術驗證實驗。第一個是“機智號”（Ingenuity）直升機。截至2021年8月18日，“機智號”已經成功完成了12次試飛。“機智號”不但在火星表面寒冷嚴苛的環境中獨自存活了下來，還實現了人類在火星稀薄大氣下釋放航天器的設想。目前“機智號”已經開始輔助毅力號進行科學探測，通過飛越一些毅力號難以行駛的區域和連續拍照，機智號幫助科學家們更好地確定毅力號的考察目標。
第二個是火星大氣就位制氧實驗（MOXIE）。通過電化學分解法將火星大氣的二氧化碳分解成一氧化碳和氧氣。2021 年 4月20日， MOXIE首次成功從火星大氣中制取了 5.37 克氧氣。隨著任務的推進，MOXIE還將嘗試在不同大氣壓下，一天中不同時間，甚至塵暴發生時開展制氧實驗。如果方案可行，未來美國宇航局可能計劃發射一臺大小為現有MOXIE 200倍的制氧儀。就位制取的氧氣不但可供未來宇航員任務使用，還可作為火箭燃料和支持樣品返回任務等。
第三個實驗是對未來宇航服材料的測試。位于毅力號前端的SHERLOC定標板上除了上面一排巖石標樣外，還增加了下面一排幾種宇航服材料，用于評估火星嚴苛環境和強烈輻照對宇航服可能造成的影響。
耶澤羅撞擊坑——可能存在生命的火星古湖泊
火星表面的面積相當于整個地球的陸地面積。要在這么大的范圍里選擇去哪里采樣返回，實在是太難啦！經過激烈角逐，2018年耶澤羅撞擊坑從眾多候選著陸點中脫穎而出，成為毅力號任務的探測目標。
那為什么是耶澤羅？
首先，耶澤羅撞擊坑及其周邊的巖石和沉積物涵蓋了古老的火星歷史。耶澤羅位于火星的古老高地（賽伯伊地體；Terra Sabaea）與撞擊盆地（伊西底斯平原；Isidis Planitia）之間。賽伯伊地體存在著距今41~37億年的古老巖石，而伊西底斯平原也形成于約39億年前的火星早期，平原里堆積著37~30億年的堆積物。與耶澤羅緊鄰的尼利溝槽區（Nili Fossae）是火星上著名的碳酸鹽和粘土富集區，這些“溝槽”屬于地塹系統（一種斷裂構造），形狀與伊西底斯盆地邊緣的彎曲相符，應與形成伊西底斯盆地的撞擊事件有關。在耶澤羅西南方向的大塞提斯火山省，距今37~30億年存在火山熔巖流活動。因此耶澤羅及其周邊的地質體跨越了火星諾亞紀和西方紀與水和生命最為相關的地質時期。
其次，耶澤羅撞擊坑是一個開放盆地型的古湖泊。耶澤羅撞擊坑直徑大約45千米，推測距今39 ~ 35億年前這里曾經存在過一個深250米的古湖泊。撞擊坑坑壁被三條河谷切割，其中兩條是流入河谷（內雷特瓦河谷和薩瓦河谷），向撞擊坑里輸送水和沉積物，并在坑緣的西部和西北部形成了兩個河流三角洲。其中內雷特瓦河三角洲更大一些，是毅力號此次任務的主要考察對象。另一條河谷普利瓦河谷則是流出通道。有進有出使得耶澤羅成為一個“開放盆地型古湖泊”，這類古湖泊相比“封閉盆地型古湖泊”（只進不出）更可能擁有穩定水位從而保持淡水湖環境，在孕育生命和保存生物遺跡上更有希望。
另外，耶澤羅撞擊坑內的分布著多種“宜居環境指示礦物”，在地球上這些礦物通常與有機物和生命共存，也能夠很好的保存生命遺跡。著陸前，科學家們已經通過遙感光譜手段，在三角洲和坑內坑外的其他區域識別出了碳酸鹽、粘土、水合硅酸鹽等多種礦物類型。有些礦物可能還指示著潛在的蛇紋石化過程，在地球上這類過程也與生命密切相關。這些巖石和礦物不論是由火山活動、水活動還是在撞擊事件引起的變化中形成，都將為理解火星早期的歷史和演化提供重要的新線索。
但是“古老”也幾乎同時預示著“復雜”。
通過遙感手段對撞擊坑內的地質單元、地形地貌和物質組成的研究，可以大致將耶澤羅從底往上劃分為幾個地質單元：（1）坑緣物質層（耶澤羅撞擊坑形成時的外緣）；（2）未知的盆地填充物（從遙感上看不到但推測應該存在的物質層）；（3）盆地填充物和與尼利溝槽區域類似的物質層（具有不同特征，但推層可能是同時期填充盆地的物質）；（4）三角洲沉積物（河流輸送的沉積物）；（5）坑底的火山物質（目前來源不明）。
但這僅僅是粗略劃分，事實上科學家們對耶澤羅的形成和曾經發生在這里的重要事件還沒有清晰認識。撞擊坑里的火山物質從何而來，什么時候通過什么方式進入盆地，在之后又發生了什么變化？古湖何時出現又何時消亡，進出盆地的河道何時活動，三角洲用了多長時間形成？盆地沉積物的粘土、含水硅酸鹽和碳酸鹽中有沒有保存生命信息？富含橄欖石—碳酸鹽的沉積物到底指示了怎樣的火星早期氣候和環境？科學家們有太多的模型和假說需要驗證，希望都寄托在毅力號的就位探測和采樣返回。
雖然目前毅力號距離內雷特瓦三角洲的底部還有一段距離，但火星車已經可以從遠處看到三角洲，并且拍攝到三角洲斷崖的截面特征。這遠望已經足夠令科學家們欣喜不已。那毅力號在著陸后都做了什么，又要去往何處？請見下篇。■
（作者系中國科學院地球化學研究所月球與行星科學研究中心研究員）