美國(guó)火星2020任務(wù)“毅力號(hào)”（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(hào)和它攜帶的“機(jī)智號(hào)”（Ingenuity）直升機(jī)已經(jīng)在火星表面度過(guò)了176個(gè)火星日。
毅力號(hào)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（Jezero Crater）？在登陸火星后的日子里，毅力號(hào)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。
毅力號(hào)——會(huì)采樣的機(jī)器人版火星地質(zhì)學(xué)家
毫無(wú)疑問(wèn)，火星2020任務(wù)的毅力號(hào)火星車是截至目前美國(guó)送往火星最先進(jìn)、最復(fù)雜的無(wú)人探測(cè)器。
毅力號(hào)重1025千克，大小類似于一輛家用SUV。毅力號(hào)沿用了好奇號(hào)火星車的設(shè)計(jì)，所以毅力號(hào)看上去整體與好奇號(hào)相似，但也做了一系列的升級(jí)改良。例如，毅力號(hào)的相機(jī)增至23臺(tái)，可以從車身的不同位置以不同分辨率拍攝圖像，更好地協(xié)助毅力號(hào)感知環(huán)境。
汲取了好奇號(hào)車輪出現(xiàn)嚴(yán)重破損的經(jīng)驗(yàn)，毅力號(hào)改良了車輪設(shè)計(jì)，一方面把車輪變得更厚實(shí)、更耐用，另一方面在車輪上采用了溫和波紋設(shè)計(jì)的弧形鈦輻條，比好奇號(hào)車輪上的V型彎折能更好地減少車輪破損。毅力號(hào)沿用了核能電源，使用壽命長(zhǎng)達(dá)14年，使毅力號(hào)可以在夜間、沙塵暴或冬季這樣的火星極端環(huán)境下保持良好工作狀態(tài)。毅力號(hào)還首次配置了兩個(gè)麥克風(fēng)用于記錄火星環(huán)境里的聲音。
毅力號(hào)攜帶了七項(xiàng)科學(xué)儀器和實(shí)驗(yàn)，主要包括（1）用于環(huán)境感知與成像的桅桿主相機(jī)（Mastcam-Z），可以像雙筒望遠(yuǎn)鏡一樣變焦并拍攝全景和立體圖像；（2）用于巖石化學(xué)組成分析的X射線巖石化學(xué)行星儀（PIXL），可以對(duì)毫米級(jí)的目標(biāo)進(jìn)行元素分布分析；（3）用于微區(qū)物質(zhì)成分遠(yuǎn)程分析的超級(jí)相機(jī)（SuperCam），可以從幾米遠(yuǎn)的距離對(duì)亞毫米級(jí)的巖石或土壤等目標(biāo)進(jìn)行成像、化學(xué)成分和礦物學(xué)分析；（4）用于亞毫米級(jí)有機(jī)物成像和分析的拉曼熒光光譜儀（SHERLOC），并搭配了可以在精細(xì)尺度（約10微米）成像的相機(jī)（WASTON），組成了“夏洛克”與“華生”一對(duì)好搭檔；（5）用于次表層結(jié)構(gòu)分析的探地雷達(dá)成像儀（RIMFAX），可以對(duì)地下約10米深度內(nèi)的結(jié)構(gòu)層、埋藏的巖石、冰或鹽水等進(jìn)行成像分析；（6）用于火星環(huán)境動(dòng)態(tài)分析的氣象站（MEDA），可測(cè)量溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、壓力、相對(duì)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(shí)驗(yàn)（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(hào)的最重要使命是尋找生命痕跡和采集最優(yōu)選的巖石土壤樣品，等待后續(xù)的任務(wù)去返回地球。為此，毅力號(hào)在科學(xué)裝備上也做了重要升級(jí)。
從好奇號(hào)和之前的任務(wù)中，科學(xué)家們逐漸意識(shí)到，要尋找火星有機(jī)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(huì)破壞有機(jī)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(xì)尺度下的有機(jī)物和化學(xué)成分信息（選用具有微區(qū)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(hào)在物質(zhì)組成分析的科學(xué)儀器幾乎全部采用了無(wú)損的光譜分析方法，并配套了微區(qū)分析或掃描成像功能。
另外，毅力號(hào)沒有像好奇號(hào)一樣攜帶質(zhì)譜儀。因?yàn)檫@次考察的重要樣品還有機(jī)會(huì)被采集和返回地球?qū)嶒?yàn)室，所以更多進(jìn)一步的精細(xì)分析（例如同位素分析）就將留給地球?qū)嶒?yàn)室里的科學(xué)家們來(lái)完成了。
毅力號(hào)還攜帶了幾項(xiàng)與未來(lái)探測(cè)有關(guān)的技術(shù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。第一個(gè)是“機(jī)智號(hào)”（Ingenuity）直升機(jī)。截至2021年8月18日，“機(jī)智號(hào)”已經(jīng)成功完成了12次試飛。“機(jī)智號(hào)”不但在火星表面寒冷嚴(yán)苛的環(huán)境中獨(dú)自存活了下來(lái)，還實(shí)現(xiàn)了人類在火星稀薄大氣下釋放航天器的設(shè)想。目前“機(jī)智號(hào)”已經(jīng)開始輔助毅力號(hào)進(jìn)行科學(xué)探測(cè)，通過(guò)飛越一些毅力號(hào)難以行駛的區(qū)域和連續(xù)拍照，機(jī)智號(hào)幫助科學(xué)家們更好地確定毅力號(hào)的考察目標(biāo)。
第二個(gè)是火星大氣就位制氧實(shí)驗(yàn)（MOXIE）。通過(guò)電化學(xué)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(wù)的推進(jìn)，MOXIE還將嘗試在不同大氣壓下，一天中不同時(shí)間，甚至塵暴發(fā)生時(shí)開展制氧實(shí)驗(yàn)。如果方案可行，未來(lái)美國(guó)宇航局可能計(jì)劃發(fā)射一臺(tái)大小為現(xiàn)有MOXIE 200倍的制氧儀。就位制取的氧氣不但可供未來(lái)宇航員任務(wù)使用，還可作為火箭燃料和支持樣品返回任務(wù)等。
第三個(gè)實(shí)驗(yàn)是對(duì)未來(lái)宇航服材料的測(cè)試。位于毅力號(hào)前端的SHERLOC定標(biāo)板上除了上面一排巖石標(biāo)樣外，還增加了下面一排幾種宇航服材料，用于評(píng)估火星嚴(yán)苛環(huán)境和強(qiáng)烈輻照對(duì)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(dāng)于整個(gè)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(shí)在是太難啦！經(jīng)過(guò)激烈角逐，2018年耶澤羅撞擊坑從眾多候選著陸點(diǎn)中脫穎而出，成為毅力號(hào)任務(wù)的探測(cè)目標(biāo)。
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(qū)（Nili Fossae）是火星上著名的碳酸鹽和粘土富集區(qū)，這些“溝槽”屬于地塹系統(tǒng)（一種斷裂構(gòu)造），形狀與伊西底斯盆地邊緣的彎曲相符，應(yīng)與形成伊西底斯盆地的撞擊事件有關(guān)。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(dòng)。因此耶澤羅及其周邊的地質(zhì)體跨越了火星諾亞紀(jì)和西方紀(jì)與水和生命最為相關(guān)的地質(zhì)時(shí)期。
其次，耶澤羅撞擊坑是一個(gè)開放盆地型的古湖泊。耶澤羅撞擊坑直徑大約45千米，推測(cè)距今39 ~ 35億年前這里曾經(jīng)存在過(guò)一個(gè)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(nèi)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(gè)河流三角洲。其中內(nèi)雷特瓦河三角洲更大一些，是毅力號(hào)此次任務(wù)的主要考察對(duì)象。另一條河谷普利瓦河谷則是流出通道。有進(jìn)有出使得耶澤羅成為一個(gè)“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(jìn)不出）更可能擁有穩(wěn)定水位從而保持淡水湖環(huán)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(nèi)的分布著多種“宜居環(huán)境指示礦物”，在地球上這些礦物通常與有機(jī)物和生命共存，也能夠很好的保存生命遺跡。著陸前，科學(xué)家們已經(jīng)通過(guò)遙感光譜手段，在三角洲和坑內(nèi)坑外的其他區(qū)域識(shí)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(guò)程，在地球上這類過(guò)程也與生命密切相關(guān)。這些巖石和礦物不論是由火山活動(dòng)、水活動(dòng)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(shí)預(yù)示著“復(fù)雜”。
通過(guò)遙感手段對(duì)撞擊坑內(nèi)的地質(zhì)單元、地形地貌和物質(zhì)組成的研究，可以大致將耶澤羅從底往上劃分為幾個(gè)地質(zhì)單元：（1）坑緣物質(zhì)層（耶澤羅撞擊坑形成時(shí)的外緣）；（2）未知的盆地填充物（從遙感上看不到但推測(cè)應(yīng)該存在的物質(zhì)層）；（3）盆地填充物和與尼利溝槽區(qū)域類似的物質(zhì)層（具有不同特征，但推層可能是同時(shí)期填充盆地的物質(zhì)）；（4）三角洲沉積物（河流輸送的沉積物）；（5）坑底的火山物質(zhì)（目前來(lái)源不明）。
但這僅僅是粗略劃分，事實(shí)上科學(xué)家們對(duì)耶澤羅的形成和曾經(jīng)發(fā)生在這里的重要事件還沒有清晰認(rèn)識(shí)。撞擊坑里的火山物質(zhì)從何而來(lái)，什么時(shí)候通過(guò)什么方式進(jìn)入盆地，在之后又發(fā)生了什么變化？古湖何時(shí)出現(xiàn)又何時(shí)消亡，進(jìn)出盆地的河道何時(shí)活動(dòng)，三角洲用了多長(zhǎng)時(shí)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(huán)境？科學(xué)家們有太多的模型和假說(shuō)需要驗(yàn)證，希望都寄托在毅力號(hào)的就位探測(cè)和采樣返回。
雖然目前毅力號(hào)距離內(nèi)雷特瓦三角洲的底部還有一段距離，但火星車已經(jīng)可以從遠(yuǎn)處看到三角洲，并且拍攝到三角洲斷崖的截面特征。這遠(yuǎn)望已經(jīng)足夠令科學(xué)家們欣喜不已。那毅力號(hào)在著陸后都做了什么，又要去往何處？請(qǐng)見下篇。■
（作者系中國(guó)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）