火星|十年取一件的最慢快递
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好奇号在火星留下的印记 图源：NASA/JPL-Caltech
2021多国入侵火星
每26个月地球人才能碰上前往火星的最佳发射机会 ， 今年的7至8月间便是最近一次的发射窗口 。 在此期间 ， 有三个国家成功地发射了航天器前往火星 。 如果一切顺利 ， 在2021年地球人将在火星新部署两架轨道飞行器 ， 一架着陆器和两辆火星车 。 目前有六架轨道飞行器、一架着陆器和一辆火星车仍然在火星轨道和表面工作着 。
自1997年以来 ， 来自地球的无人航天器便开始一直环绕火星 。 无数次的飞行任务之后 ， 科学家终于制作出火星的全球反照率特征图和地形图 ， 由此证明了火星有浅层地下冰 ， 并且曾在远古的很长一段时间里有着宜居的环境 。 在此基础上 ， NASA希望通过其毅力号火星车从寻找可居住环境更进一步 ， 去寻找生命本身并采集各类样本 。
火星与地球：异卵双胞胎？
NASA的毅力号代表着过去二十年火星探索策略将发生重大转变 ， 之前的任务包括NASA的火星环球勘测者、给担任中继的火星奥德赛和火星勘测轨道飞行器以及欧空局的火星快车 。 这些任务让我们了解这样的一颗红色星球：火星和地球最初是非常相似的行星 ， 但在35到40亿年前发生了分化 。 这些观点得到了勇气号、机遇号和好奇号火星车的印证和拓展 ， 它们实地研究调查了来自轨道飞行器的观测数据 ， 在火星表面找到了过去充满水和可能维持生命的环境的确凿证据 。
在演变分化之前 ， 地球和火星上遍布活跃的火山 ， 拥有以二氧化碳为主的大气 ， 并且保持水循环 。 但随后 ， 火星的发电机作用停止导致磁场消失 ， 继而使火星丧失屏蔽太阳辐射的防护罩 。 这颗比地球小得多的星球很快失去了大部分大气层 。 目前MAVEN和ExoMars TGO轨道飞行器仍在研究持续损失的火星空气 。
之后火山持续将有毒气体排放到天空 ， 因此火星之水在其最后阶段的呈现方式是在寒冷沙漠上出现罕见的酸性降雨 。 现在的火星地表环境正在被强烈氧化 ， 并且饱受太阳辐射 ， 阻碍了生命的发展 。 火星上任何假定的生命都必须避开这种恶劣的环境 ， 也许是在地下 。 不管怎么说 ， 当地球生命起源于35亿年前的某个时候时 ， 火星在相似的时间有与地球相似的环境 ， 那么火星生命是否也应该在那时开始？
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在这位艺术家的演绎中 ， NASA的毅力号正在研究火星岩石 。 在机械臂的末端名为SHERLOC的拉曼光谱仪将用于寻找含碳化合物 。
不幸的是 ， 我们几乎无法造访地球的那个时代 ， 因为如此高龄的岩石甚是罕见 。 在经历数十亿年的板块构造、风化和侵蚀后 ， 所剩无几的极少数地貌也都发生了巨大变化 。
但是火星的干旱地表则保留得比地球的要好得多 。 毅力号火星车将穿越不同地点 ， 包括在潮湿环境中形成的古老岩石地貌 。 科学家们不仅计划寻找火星上过去生命的证据 ， 而且还计划更多地了解地球上生命开始时火星的环境条件 。
旧瓶新酒
毅力号看起来很像其前身好奇号,但是它所携带的仪器是全新的 ， 其任务目标也有很大不同 。 好奇号更像是一个火星科学实验室 ， 对其腹部下方的火星表面的岩石样本进行细致的分析 。 相比之下 ， 毅力号并没有这样的内部实验室 。 相反 ， 它将获取并记录样本 ， 以备将来返回地球进行更深入的分析 。
重达1,050千克的毅力号是有史以来最重的火星探测器 ， 比好奇号要重17％ ， 而大部分重量都在仪器上：
1. 与好奇号相比 ， 毅力号升级了科学相机（终于具有变焦功能啦！）和天气传感器 。
2. 机械臂上的X射线岩石化学行星仪器（PIXL）在好奇号的元素感应Alpha粒子X射线光谱仪上进行了改进 。
3. 毅力号用于导航的宽视场工程摄像机比好奇号的摄像机要好得多 。
4. 用于火星地下实验雷达成像仪（RIMFAX）对地下成像技术进行了重大升级 。
在所有新仪器中 ， 也许最令人兴奋的是两台拉曼光谱仪：一台是安装在桅杆上的SuperCam ， 另一台SHERLOC安装在机器人手臂的末端 ， 其全称是“用拉曼和亮度扫描含有有机化学物质的宜居环境”（Scanning Habitable Environments with Raman and Luminescence for Organics and Chemicals , SHERLOC） 。 （小编注：拉曼光谱仪可以灵敏地检测出含碳化合物 ， 包括具有生物学意义的化合物 。 ）
SuperCam是好奇号ChemCam的升级版 ， 可以用激光轰击岩石 ， 它将帮助毅力号的团队确定哪些岩石可能具有生物学特征 。 而SHERLOC也具有来自“好奇号”火星机械臂透镜成像仪以获取岩石样本的高分辨率特写图像 。
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毅力号将搭载23台摄像机 ， 其中7台专门用于科学目的 ， 还有一个样本暂存系统 ， 该系统将打包并放置样本以供未来的任务将其带回家 。 除此以外 ， 它还携带五种仪器 ， 旨在探索古代湖盆中水和化学的历史 。图源：NASA / JPL-CALTECH
为了让整个任务获得圆满成功 ， 仅保证顺利进行着陆远远不够 。 NASA的火星数据中继轨道器网络已显得老态龙钟,连好奇号都在频繁地借用欧空局的ExoMars TGO进行通信 。 毅力号的到来给火星奥德赛和MRO带来了不小压力 ， 但也将为欧空局提供了宝贵的经验 ， 以用于他们未来的ExoMars着陆器的数据中继 。 下一颗能够为火星着陆任务提供通信中继的新型NASA轨道飞行器估计要到2027年才能到达火星 。
毅力号：我就是来挖矿的
当地时间2021年2月18日下午 ， 毅力号将进入火星大气层开始“恐怖7分钟” 。 隔热罩会降低一些下坠速度 ， 降落伞被拉出作进一步减速 。 接着隔热罩分离启动下降高度雷达 ， 在合适高度上天空起重机携带毅力号与背部整流罩分离 ， 在火箭发动机的作用下天空起重机逐步减速并悬停 。 最后 ， 天空起重机用缆绳将毅力号稳稳地降到地面上 ， 一旦接地停稳毅力号会自动切断电缆 ， 使天空起重机能够飞离并降落至安全距离 。
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2019年9月为毅力号准备的天空起重机在JPL的库房内成功进行分离火星车测试 。 图源：NASA/JPL
这一次工程师们通过相对地形导航来升级着陆技术 ， 该航天器具有额外的摄像头和机载处理能力 ， 可以确定位于着陆椭圆半径内的大岩石或沙坑等危险地带的位置 ， 并可绕开它们安全着陆 。
着陆后 ， 毅力号会发现自己位于名为耶泽罗（Jezero）的陨击坑内 。 在耶泽罗的任务目标是“探索古代火山口湖盆地和相关三角洲环境中的水和化学历史 ， 以探究早期的火星气候并寻找生命” 。 毅力号团队希望对包含生物特征的岩石进行采样 ， 以证明古代生命的存在 。
在毅力号采集第一个样本之前还将执行一系列测试性活动 ， 包括有史以来第一架火星直升机灵巧号的飞行 。 本次灵巧号直升机的测试仅作为一项实验性技术验证 ， 不需要为总体任务而工作 。 这就像1997年的火星探路者所携带的仅重10.6千克的“旅居者”火星车一样 ， 目的是为将来的探索铺平道路 。 使用直升机可能会在新火星任务的早期阶段上演最戏剧性的时刻 。
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灵巧号火星直升机将陪伴毅力号前往耶泽罗陨击坑 。 尽管该飞行器主要是技术演示 ， 但它确实装有相机 ， 并且可以在短暂飞行期间拍摄前方待穿越区域 。
灵巧号微型直升机的重量仅为1.8千克 ， 却具有直径达1.2米的共轴反桨碳纤维叶片 。 它会从火星车的底部释放 ， 待火星车驶离安全距离后才开始运行 。 直升机飞到足以拍摄潜在穿越区域的高度 ， 拍完照后就落下 ， 然后进行充电为几天后的再次升空做好准备 。 每次飞行过程不超过一分半钟 ， 而它的设计目标仅为5次飞行 ， 但是一次失败的降落可能就会提早终结直升机的任务 。
一旦毅力号获得了第一个样本后便会驶向三角洲地区的其他岩石地带 。 地质学家们非常了解三角洲 。 因此 ， 他们确切地知道如何遍历耶泽罗陨击坑去获得足够的样本 。 如果一切按计划进行 ， 那么毅力号将在原定任务结束时即登陆后一年（地球日687天）到达陨击坑边缘 ， 并在这段时间内收集和暂存至少20个不同的样本 。
如果届时毅力号的状态依然良好 ， 它将继续超期服役 ， 而任务小组将继续研究周围的基岩 ， 该基岩提供了形成三角洲的沉积物 。 在此拓展任务期毅力号还能再存储多达23个其他样本 。
最慢的上门取件快递
毅力号采集的所有样本将静静等待下一次上门取件任务 。 目前NASA的计划是在2026年发射两次后续任务：一颗返回式轨道飞行器将在2027年到达并充当通信中继站；次年即2028年 ， 一个独立的样本收取任务将带着一台着陆器和火星车抵达火星 。 新的火星车从毅力号获取样本并将其运送到着陆器 ， 而着陆器则依次将样本装载入火星上升飞行器 ， 后者会在2029年将样品送入轨道飞行器 ， 最终返回式轨道飞行器把样品舱发往地球 ， 并在2031年将其送达地球 。
从2021年火星上采集样本 ， 到2031年地球收到样本 ， 小编认为这可能是最遥远最慢的快递业务了 。。。
随着人类的不断探索 ， 将火星岩石样本暂存在密封的容器中至关重要 。 当人类最终到达时 ， 他们将随身携带大量的地球微生物 ， 相比程控着陆器 ， 这将给火星带来更大的污染风险 。
如果我们真发现了火星上的生命 ， 那会是真正的火星物种吗？还是各类探测器带去的地球物种变异？
责任编辑：王延昕
牧夫新媒体编辑部
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Image Credit & Copyright: David Duarte and Romualdo Caldas
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【火星|十年取一件的最慢快递】谢谢阅读
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