火星取樣返回的必要性與科學目標

焦維新（北京大學地球與空間科學學院）

1 引言

相信大家不會對火星取樣返回（MSR）這個詞感到陌生。除了中國已正式宣布火星取樣返回探測計劃之外，美國國家航空航天局（NASA）和歐洲航天局（ESA）也宣布了火星取樣返回探測計劃，并公布了該計劃的執行細節。盡管國內外有了火星取樣返回計劃，但畢竟還都沒有實現，國內對這方面的報道也比較少。本文就人們普遍關心的問題進行介紹，主要涉及一些基本問題，如：為什么要取樣返回？取樣返回的科學目標是什么？到火星的什么地方選取樣品等。

2 火星取樣返回的必要性

截至2022年12月，全世界已經發射了近50 個火星探測器。這些探測器涉及飛越、環繞、著陸和表面巡視等四種探測方式，并各有特點。環繞器探測一般是采用遙感的方法，可以從整體上了解火星的表面特征。著陸器和火星車可對火星表面就位探測，對火星表面最感興趣的特征進行直接探測，但限于火星車能攜帶的儀器種類和大小，其探測能力還有局限性，不能滿足人類探測火星的需要。特別是在判別火星樣品中是否有生命等關鍵問題時，火星車就無能為力了，只有把樣品帶回地球，在實驗室中用高級儀器分析，才能獲得人類所需要的結果。概括起來說，取樣返回的必要性有以下8 個方面[1]。

1）一些深層次分析化驗任務需要做復雜的樣品準備工作，而這些工作在火星表面無法完成，只有在地球的實驗室才能進行。例如，要確定樣品的地質年代，要求在清潔的條件下先進行高純度礦物分離，然后提取和濃縮微量元素，如：鍶、銣和釤。在地面實驗室中進行這項工作的程序已經很完善，但要在地外天體上進行這項工作，條件還遠遠不具備。有些研究需要將樣品加熱到高溫（＞1000°C），使用特殊的有機溶劑進行萃取，然后對萃取物進行化學分析，生成用于有機分析的衍生物；還有冷凍干燥法等。另一個關鍵的例子是薄切片的準備，在做一些測試前，需要把樣品切成薄片，但是由簡單的機器人系統不可能完成這樣的工作。

2）有些高精尖儀器無法送到火星。某些儀器不適合安裝在著陸器上，因為太大，需要太多的能量，需要太多的維護，或者有復雜的操作程序（例如：加載/操作樣品）。計算機斷層掃描（CT）就是其中一例。

3）探測儀器的多樣性。到目前為止，原位探測任務僅限于5 ～10 種科學儀器。然而，我們可以使用50 ～100 種儀器分析返回的樣品，包括未來的、甚至還沒有設計出來的儀器。這可以大大增強做出初步發現的能力。

4）從技術角度看，火星取樣返回為載人探測火星打下堅實的基礎。取樣返回所經歷的主要技術階段，也是載人探測火星所必須經歷的，有了取樣返回的經歷，對于做好載人探測火星的技術準備非常重要。從某種意義上來說，取樣返回是載人探測火星的探路者。

5）火星樣品返回是太陽系探索的一個里程碑，特別是在對火星及其潛在可居住性問題的研究中。影響此類任務設計和發展的一些重要因素是：著陸地點、樣品大小、樣品收集和樣品保護。

6）返回樣品研究將減少未來載人探測火星的風險。最重要的研究是確定火星的塵埃和落空塵埃是否含有生物危害，這些生物危害將不可避免地被航天員攝入，這種風險只能由火星樣品來評估。

7）火星可以讓我們了解地球的早期歷史。太古宙巖石在地球的地質記錄中沒有很好地保存，其早期的歷史在火星上保存下來。地球上的生命就是在這個早期開始，但由于廣泛的板塊構造活動，太古宙巖石的起源和早期演化電磁信息已在地球上丟失。火星可以提供早期類地行星環境演化和適居性的信息。

8）探索火星上的生命需要對完整的行星過程有廣泛的了解，以便確定哪些地方現在或過去最有可能存在適宜居住的條件，以及哪些地方的條件有利于保存任何生命的證據。因此，還必須調查火星的地質和地球物理演化；它的揮發物和氣候的歷史；現在和過去地表和地下環境的性質；液態水的時間和地理分布；以及生命所需的其他資源(如能源)的可用性。因此，要全面評估火星環境的天體生物學潛力，需要的遠不止確定液態水存在的位置，還需要更全面地表征沉積物和其他物質的宏觀和微觀結構，識別任何有機分子，重建礦物的形成歷史，并確定特定礦物組成作為生命特征的偶聯氧化還原反應的指示物。對這些信息的需求指導了相關樣品的選擇、緩存和返回，以便使用地球上復雜的實驗室有效地解決生命問題。

行星尺度背景由環繞器的遙感探測獲得；建立當地現場環境通過著陸器或火星車的直接探測獲得；而詳細的樣品研究只能通過火星取樣返回的方式進行。我們需要相互支持的這三種方式來充分發展對火星的科學理解。

基于三條腿的火星科學探索策略

3 科學意義與科學目標

火星探測的目標是了解火星作為一顆行星和作為潛在生命宿主的作用，及其在太陽系進化史中的地位。在人類登陸火星之前，火星取樣返回也必不可少，不僅是為了航天員的安全，還因為一旦人類登上火星，這個星球就不再被認為是生物上的原始狀態，即使有嚴格的防污染協議。

美國“下一個十年火星樣品返回科學分析小組”（ND-MSR SAG）制定了以下11 個高級別科學目標[2]。但是，我們注意到，單一的著陸點不能實現所有這些目標。

1）確定地殼中碳、氮、硫和其他相互作用的元素的化學、礦物學和同位素組成，并在亞微米空間尺度上表征含碳、氮和硫的階段，以便記錄火星上可維持宜居環境的過程，不管是現在還是過去。

2）通過對這些現象的結構/形態、生物礦物、有機分子和同位素組成以及地質背景中的其他證據進行特征描述，評估火星上生命起源過程、過去生命和/或現存生命的證據。

3）通過對火星水—巖相互作用的礦物產品的研究來解釋火星水—巖相互作用的條件。

4）限制主要火星地殼地質過程的絕對年齡，包括沉積作用、成巖作用、火山/巖漿作用、風化作用、熱液蝕變、風化作用和隕石坑形成。

5）通過描述火星上的碎屑和化學成分、沉積過程和沉積序列的沉積后歷史，了解火星上的古環境和近地表水的歷史。

6）約束行星的吸積、分異的機制和時間，以及隨后的火星地殼、地幔和地核的演化。

7）確定火星風化層如何形成和改變，以及不同地方如何和為什么不同。

8）描述未來人類探險者在生物危害、材料毒性和塵埃/顆粒材料方面面臨的風險，并幫助評估潛在的原位資源，以幫助人類在火星上存在。

9）對于目前的火星表面和可接近的淺層地下環境，通過評估氧化狀態作為深度、滲透率和其他因素的函數，確定現存生命和生命起源前化學特征的保存潛力。

10）解釋火星大氣的初始組成，在地質時間內大氣損失/增加的速率和過程，以及大氣與表面濃縮物種交換的速率和過程。

11）對于火星受氣候影響的極地沉積物，通過對水、二氧化碳、塵埃成分、同位素比率和表面上層的詳細分層，確定它們的年齡、地球化學、形成條件和演化。

根據目前火星探測的情況，可以把上述科學目標分為兩個優先級組，前5 個被認為是高優先級，后6 個被認為是中等優先級。當然，隨著火星取樣返回任務的進展情況，會重新考慮這些優先事項。

上述科學目標可概括為4 個基本科學主題，即火星是否存在過生命、火星表面和表面下環境演化的歷史、火星內部結構及大氣層演化過程，為載人探測火星做準備。

發現火星過去存在生命的證據

4 重點關注的樣品類型[3]

將火星樣品返回地球的成本相當高，因此取回的樣品必須要有非常高的科學價值，在地球上分析這些樣品，人類會獲得重要的科學發現。

美國發射的毅力號火星車除了在耶杰羅隕石坑進行實地探測外，還收集了一些樣品，當未來的取樣返回探測器到達火星后，就可以直接將這些樣品帶回地球。但NASA 和ESA 還不放心，覺得取樣返回這么重要，只在一個地區取樣恐怕難以獲得更大的科學發現。因此NASA 決定，待再次發射一次火星車，準備好更多的樣品后，再發射取樣返回探測器。從NASA 和ESA 這個決定，我們可以看出在火星取樣返回這種探測方式中，樣品選擇多么重要。

那么，我們究竟要取回哪些類型的樣品呢？應當說，樣品也不可能是一種，而是多種，這是由科學目標決定的。換句話說，要根據不同的科學目標，選擇相應的樣品。根據前面介紹的取樣返回研究主題所提出的目標。概括起來，樣品類型主要包括：

1）火星沉積物質：可能包含化學沉淀、火山灰、撞擊玻璃、火成巖碎片和層狀硅酸鹽的復雜混合物。沉積物樣品將需要在亞微米尺度上實現生命探測、臨界最小值和地球化學模式的觀測和封閉的微量氣體的確定測量。

地球上熱液蝕變的巖石樣品提供了維持微生物生存所必需的水、養分和化學能，它們還可以在其礦床中保存化石。熱液過程極大地影響了地殼和大氣的礦物學和揮發性成分。

近地表環境條件下（通常低于20°C)發生的化學蝕變過程產生低溫蝕變巖石，其中包括水風化、古石化和各種氧化反應。了解在低溫下進行變化過程的條件將為了解近地表水文循環和揮發性化合物的質量通量提供重要的見解。

2）火成巖：主要為熔巖和玄武巖成分的淺層侵入巖。它們對研究火星表面和內部的地質演化意義重大，因其地球化學和同位素組成制約著地幔源區的組成，也制約著巖漿形成和侵位的過程。

風化層樣品記錄了地殼和大氣之間的相互作用，巖石碎片的性質，在表面移動的灰塵和沙粒，水和二氧化碳在冰和大氣之間的遷移，以及涉及流體和亞氣化的過程。風化層研究將有助于通過評估毒性和潛在資源促進未來的人類勘探。極地冰樣品將限制現在和過去的氣候條件，并闡明水的循環。短巖心可以幫助解決過去10 萬～100 萬年的氣候變化問題。

大氣氣體樣品將有助于記錄大氣的組成，以及影響其起源和演變的過程。痕量有機氣體，如甲烷和乙烷，可以分析它們的豐度、分布，及其與潛在的火星生物圈的關系。回收的氖、氪、二氧化碳、甲烷和乙烷的樣品將帶來重大的科學效益。對火星塵埃的化學和礦物學分析將有助于闡明火星的風化和蝕變歷史。考慮到火星塵埃的全球同質性，來自任何地方的單一樣品都可能代表整個星球。

為了調查氧化劑（如：氫氧根、水、過氧化氫和過氧自由基)的豐度和有機質的保存情況或有機質的保存情況，應在表層或露頭深度從厘米到幾米的范圍內獲得一套深度分辨的樣品。

5 影響科學價值的樣品屬性[4]

1）樣品大小。一項完整的科學調查計劃預計將需要至少8g 的巖石和風化層樣品。為了支持所需的生物危害檢測，每個樣品應增加約2g，最佳樣品量約為10g。然而，某些類型的樣品非均質性的紋理研究可能需要一個或多個較大的大約20g 的樣品。材料應保留存檔，以供今后調查。

2）樣品封裝。為了保持返回樣品的科學價值，它們不應該混合在一起，每個樣品應該與其記錄的現場環境有唯一的聯系，巖石樣品應該在機械上保持完整。少量或大量精心管理的樣品要比大量管理不善的樣品有價值得多。至少部分樣品的封裝應該是密封的，以保留揮發性成分。

3）樣品的數量。對樣品間非均質性的研究可以提供與單個樣品的詳細研究同樣多或更多的過程信息。最少需要26 個樣品（包括20 個巖石、3 個風化層、1 個塵埃、2 個氣體）。這些樣品的質量預計在350g左右，如果加上樣品包裝，預計總質量將在650g 左右。

4）樣品采集系統。該系統應該對巖石風化的外部和未風化的內部進行取樣，對硬度可能不同的露頭連續地層序列進行取樣，將樣品結構和結構的方向與露頭表面、層理面、地層序列和區域尺度結構的方向聯系起來，并保持樣品的結構完整性。氣體壓縮機和鉆孔機的優先級較低，但對于特定種類的樣品則需要。

5）選擇樣品的能力和現場環境的記錄。火星取樣返回的科學價值關鍵取決于從所遇到的大量材料中明智地選擇相對較少的返回樣品的能力。火星取樣返回目標可能需要至少兩種現場觀察（彩色成像、顯微成像），可能需要多達五種（還包括礦物學、元素分析和還原碳分析）。樣品選擇與樣品記錄所需的觀察結果沒有顯著差異。重新訪問以前占用的場地可能會減少MSR 所攜帶的儀器數量。

6）樣品溫度。一些關鍵物種對超過地表的溫度很敏感。例如有機物質、硫酸鹽、氯化物、粘土、冰和液態水。如果樣品保持在-20°C 以下，則火星取樣返回的目標最有可能實現，如果樣品保持在+20°C 以下，則不太可能實現。如果樣品保持在+50°C 以下3h，就會發生重大損害，特別不利于生物研究。返回期間的溫度監測將可對任何變化進行評估。

7）返回集合的多樣性。返回樣品組的多樣性應與所遇到的巖石和風化層的多樣性相適應。這一指導方針將對著陸點選擇和漫游者操作協議產生重大影響。從科學上來說，火星取樣返回只訪問一個著陸點可以接受，但從兩個獨立的著陸點返回樣品更有價值。

8）地面操作。為了收集火星取樣返回目標指定的巖石組，著陸器應該具有顯著的表面流動性，能夠評估表面材料的多樣性，并能在多樣性范圍內選擇樣品。根據著陸點的地質特征，預計至少需要6 ～12 個月的地面作業，以便勘察一個著陸點并確定和收集一套樣品。

9）行星保護。在設計科學上引人注目的第一個火星取樣返回任務時，可以不包括進入和采樣一個特殊區域的能力，該區域被定義為陸地生物可能在其中傳播的區域。除非該任務能夠在緯度30°方向著陸，進入非常崎嶇的地形，或實現顯著的地下穿透（例如：大于5m 的深度）。

6 取樣返回的基本架構[5]

采集到的火星樣品示意圖

這里談到的基本架構是從取樣返回工程方面考慮的。火星取樣返回任務的基本架構選項隨著時間的推移而演變，架構發展的關鍵技術驅動因素包括更好地理解進入、下降和著陸（EDL）的能力和限制，遠程火星車設計，樣品采集和處理的進步，以及對活動風險的不斷理解。考慮到技術、規劃、政策指導方針和約束，國際火星樣品返回架構（iMARS）工作組第二階段小組選擇了“3+1”架構作為其參考概念，有3 個火星任務和地球上的樣品處理元素。這3 個火星任務是樣品緩存巡視器（SCR）、樣品返回軌道器（SRO）以及樣品返回著陸器（SRL）。地面活動來執行返回地球后對樣品的回收、隔離和管理。

SCR 將樣品收集到一個或多個緩存裝置，這些裝置具有在穩定狀態下至少10年的存儲能力，以供檢索。在NASA 和ESA 目前的計劃中，美國的毅力號火星車就擔負著樣品收集與緩存的任務。

SRO 帶有一個交會傳感器套件和一個用于在火星軌道上捕獲軌道樣品的底盤。SRO 可以為地面作業和關鍵事件提供電信中繼。在SRO 捕獲它之后，軌道上的樣品就被密封了并放入地球進入飛行器（EEV）中。

SRL 任務將在火星穩定的長期軌道上放置一個軌道樣品底盤，可由SRO 任務集合和返回。

7 結束語

本文詳細分析了火星取樣返回探測的必要性和科學目標。將火星樣品帶回地球將使科學家能夠使用復雜而無法發送到火星的精密儀器來檢查標本，并能讓子孫后代使用目前尚不可用的技術來對其進行研究。管理地球上的樣品將使科學界能夠在新理論和模型開發時對其進行測試，就像幾十年來對阿波羅月球樣品所做的那樣。經過各國科學家多年的努力，目前人類對火星取樣返回任務的科學目標更加明確，火星取樣返回任務必將極大地推進未來的載人火星探測。