NASA毅力號成功著陸火星!它會在哪裡尋找火星生命?
2021年02月21日11:14

  來源:中國科普博覽

  北京時間2021年2月19日淩晨, 本屆火星賽季第三位出發的選手,NASA毅力號探測器(也叫Mars 2020)順利踏上火星這顆紅色星球。

毅力號登上火星後傳回的著陸區表面照片 | NASA/JPL-Caltech
毅力號登上火星後傳回的著陸區表面照片 | NASA/JPL-Caltech

  八年前將好奇號送上火星的空中吊車黑科技,再次在火星上空上演。

  作為好奇號火星車的進階版,毅力號延續了好奇號的使命,繼續尋找火星上可能的水和生命痕跡。

好奇號 vs 毅力號 | NASA/JPL-Caltech
好奇號 vs 毅力號 | NASA/JPL-Caltech

  相比好奇號,毅力號不僅升級了很多儀器設備,還攜帶了一個小型無人機“機智號”。

無人機概念圖 | NASA/JPL-Caltech
無人機概念圖 | NASA/JPL-Caltech

  此外,毅力號還將採集火星的岩石和土壤樣品。不過它無法帶著樣品返回地球,只能先將樣品保存起來,留待將來的火星返回任務帶回地球。

毅力號(Mars2020)采樣返回的超時空接力,(2)(3)(4)任務可以一次完成,也可以分期完成,豐儉由人 |漢化自:Nature News
毅力號(Mars2020)采樣返回的超時空接力,(2)(3)(4)任務可以一次完成,也可以分期完成,豐儉由人 |漢化自:Nature News

  這輛價值20多億美元、凝聚了人類火星探測黑科技的火星車,要送去哪裡探測?這麼重要的事,估計擱誰都有選擇綜合徵…NASA當然也不例外。

  Part.1

  火星車選址,有多講究?

  火星車的著陸選址,是很講究的,因為這既關係到火星車一輩子的行駛安全,也直接關係到火星車可能發現什麼樣的科學信息。為此,NASA不僅廣泛徵集建議,還花了五年多時間讓工程師和科學家們充分調研和掰頭。

  著陸區首先需要滿足工程上的要求,必須優先選擇更安全靠譜的著陸點。對火星來說,這個“安全靠譜”通常需要:

  1)緯度較低,最好在南北緯30度以內,這樣著陸區溫度不會太低;

  2)地勢較低,讓探測器在著陸時可以有更久的大氣緩衝時間;

  3)地形儘量平坦、易於著陸或抵達;

  等等等等。

  2013年,共有60多個備選著陸區進入海選,粗篩之後,剩下了32個。

最開始提出的所有候選著陸點 | Science Definition report (Mustard et al, 2013)
最開始提出的所有候選著陸點 | Science Definition report (Mustard et al, 2013)
符合初篩條件的候選著陸點 | NASA Mars 2020第一次研討會
符合初篩條件的候選著陸點 | NASA Mars 2020第一次研討會

  對這些備選著陸點,工程師和科學家們針對多項實際工程需求進行打分排序,主要考慮的工程需求有:需要額外影像數據的質量、能否著陸或駛達、是否需要啟用兩項精確著陸新技術(範圍觸發技術和相對地形導航技術)等等。

  到2014年的第一次選址研討會結束時,27個備選著陸區被選中。

毅力號第一次選址研討會關於工程指標的投票結果排序(最高分3分,最低分1分) | Mars 2020 Landing Site Workshop
毅力號第一次選址研討會關於工程指標的投票結果排序(最高分3分,最低分1分) | Mars 2020 Landing Site Workshop

  在基本滿足了安全著陸的工程需要之後,科學家們進一步逐一評估每個著陸點的科學意義:儘管火星如今是寒冷而乾燥的生命荒漠,但曾經卻有過溫暖而濕潤的環境,可能孕育過生命。如果火星生命真的曾經存在過,那或許會留下點什麼,等待著毅力號來探索。

  既然想要尋找生命痕跡,當然要去最可能產生和保存生命遺蹟的地方嘛。科學家們考慮了這些指標:是否具有有特色的地質環境和地質歷史、是否曾具備生命宜居環境、是否具備保存生物標誌物的條件和可能性、可採集到樣品的天體生物學和岩石學價值如何。

毅力號第二次選址研討會關於科學指標的投票結果排序(最高分5分,最低分1分) | 漢化自:Mars 2020 Landing Site Workshop
毅力號第二次選址研討會關於科學指標的投票結果排序(最高分5分,最低分1分) | 漢化自:Mars 2020 Landing Site Workshop

  終於,在2015年的第二次選址研討會上,毅力號的備選著陸區前8名出爐 [6]。

第二次研討會之後的8個候選著陸點位置 | NASA
第二次研討會之後的8個候選著陸點位置 | NASA

  到2017年第三次選址研討會,科學家們繼續按照科學指標排名,把備選著陸區進一步縮小到了3個 [7]。

第三次研討會之後的3個候選著陸點位置 | NASA
第三次研討會之後的3個候選著陸點位置 | NASA

  三個候選點分別是:

古謝夫撞擊坑中的哥倫比亞山:可能有過溫泉之類的熱液環境,勇氣號火星車曾經戰鬥過的地方;

傑澤羅撞擊坑:可能往複經曆過湖水的流入和乾涸,有著古老的湖泊三角洲;

大瑟提斯東北:曾經溫暖而濕潤、有過火山活動。

  它們都可能曾經有過適宜生命存活的環境。

  最後一公里總是最困難的,

  火星車只有一輛,地方只能去一個,

  但到了最後階段,每個候選點都有著自己獨特而難以割捨的優勢。

  然而決定還是不得不做的。第四次選址研討會之後,NASA於2018年11月20日公佈了這個千挑萬選的“風水寶地”——傑澤羅撞擊坑。

傑澤羅撞擊坑全景,白圈是毅力號的著陸橢圓範圍 | NASA/JPL/MSSS/JHUAPL/ESA/DLR/FU Berlin/Justin Cowart
傑澤羅撞擊坑全景,白圈是毅力號的著陸橢圓範圍 | NASA/JPL/MSSS/JHUAPL/ESA/DLR/FU Berlin/Justin Cowart

  Part.2

  “風水寶地”在哪裡?

  傑澤羅撞擊坑位於北半球赤道附近(18.42°N,77.67°E),火星從南半球崎嶇高地向北半球平坦低地過渡的交界上。

傑澤羅撞擊坑位於紅框區域中。(左)海盜號全球拚接影像;(右)MOLA地形(越藍越低,越紅越高)。來源:Viking/MOLA,製圖:haibaraemily
傑澤羅撞擊坑位於紅框區域中。(左)海盜號全球拚接影像;(右)MOLA地形(越藍越低,越紅越高)。來源:Viking/MOLA,製圖:haibaraemily

  這個坑還位於直徑約1500公里的伊西底斯盆地內,2003年,歐空局火星快車號任務攜帶的著陸器小獵犬2號著陸失敗,就埋骨於這個撞擊盆地之中。而與傑澤羅撞擊坑毗鄰的尼利槽溝和大瑟提斯也都曾是毅力號火星車的熱門備選著陸區。

(左)海盜號影像,來源:Viking,製圖:haibaraemily(右)MOLA地形 | Mars2020第三次研討會Tim Goudge報告
(左)海盜號影像,來源:Viking,製圖:haibaraemily(右)MOLA地形 | Mars2020第三次研討會Tim Goudge報告

  除了傑澤羅撞擊坑和大瑟提斯東北之外,科學家們還在選址的最後階段提出過一個位於兩者之間的折衷位置,取名也很實誠,就叫中途區(Midway),讓火星車從中途區慢慢開往傑澤羅撞擊坑。不過這個點最終沒有被選中。

該區域的MRO CTX拚接影像,原始解像度5米/像素。來源:CTX [10],製圖:haibaraemily
該區域的MRO CTX拚接影像,原始解像度5米/像素。來源:CTX [10],製圖:haibaraemily

  Part.3

  湖泊三角洲:保存生命遺蹟的“綠洲”?

  那麼,傑澤羅撞擊坑又有什麼脫穎而出的獨特優勢呢?

  這個撞擊坑直徑約45千米,是火星古老的諾亞紀,也就是約41-37億年前這段時間里被一顆公里級大小的小天體撞擊而成的。

火星地質年代和不同時期的主要地質事件
火星地質年代和不同時期的主要地質事件

  撞擊坑形成之後,這裏曾一度成為一個古湖泊,在火星溫暖濕潤的年代,湖水可能至少有250米深 [12],火星上的微生物就有可能在這裏生息繁衍過。

傑澤羅撞擊坑湖水充盈年代的假想圖 | NASA
傑澤羅撞擊坑湖水充盈年代的假想圖 | NASA

  這個撞擊坑以波黑的“傑澤羅鎮”命名,“傑澤羅”這個詞在塞爾維亞語中意思就是“湖”。

波黑小鎮和自治市名 | 維基
波黑小鎮和自治市名 | 維基

  不過,同為古湖泊遺蹟,傑澤羅撞擊坑和好奇號著陸的蓋爾撞擊坑又有所不同。

(左)蓋爾撞擊坑,基於NASA多個火星環繞器影像數據的電腦模擬;(右)傑澤羅撞擊坑,火星快車HRSC影像
(左)蓋爾撞擊坑,基於NASA多個火星環繞器影像數據的電腦模擬;(右)傑澤羅撞擊坑,火星快車HRSC影像

  蓋爾撞擊坑曾是個封閉的古湖泊,水能進來,但流不出去;而傑澤羅撞擊坑則曾是個開放的古湖泊,有入口也有出口。

(左)蓋爾撞擊坑和(右)傑澤羅撞擊坑有湖水狀態的假想圖 | NASA
(左)蓋爾撞擊坑和(右)傑澤羅撞擊坑有湖水狀態的假想圖 | NASA

  遙想約35億年前,液態水從撞擊坑邊緣流入,切割此處的基底形成了河道,又衝破撞擊坑另一側邊緣流出。如今的傑澤羅撞擊坑附近,依然至少可以看到兩條河道流入坑中,又從另一條河道流出的遺蹟。河穀入口處形成的扇形三角洲保留至今,而毅力號火星車就降落在這片三角洲附近。

傑澤羅撞擊坑中的流水活動遺蹟,CTX+HRSC+HiRISE圖像合成 | 改編漢化自:Mars 2020第三次選址研討會Tim Goudge報告
傑澤羅撞擊坑中的流水活動遺蹟,CTX+HRSC+HiRISE圖像合成 | 改編漢化自:Mars 2020第三次選址研討會Tim Goudge報告

  傑澤羅撞擊坑一帶還有著富含粘土、橄欖石、碳酸鹽等豐富礦物的沉積物,可能是曾經的液態水環境中形成和搬運來的。火星表面強輻射的環境會破壞可能存在過的生命痕跡,但這些三角洲中快速掩埋的沉積物卻很有利於生物標誌物的保存。

MRO CTX影像和CRISM光譜圖像的疊加圖,不同顏色代表不同的礦物 | NASA/JPL/JHUAPL/MSSS/Brown University
MRO CTX影像和CRISM光譜圖像的疊加圖,不同顏色代表不同的礦物 | NASA/JPL/JHUAPL/MSSS/Brown University

  不止流水的改造,火山活動也曾波及到這裏。傑澤羅撞擊坑底部大部分區域都被火山物質覆蓋,坑內發現的高鈣輝石和低鈣輝石礦物很可能就是火山活動的產物。

傑澤羅撞擊坑一帶的地質單元圖,灰色區域全部都是火山物質
傑澤羅撞擊坑一帶的地質單元圖,灰色區域全部都是火山物質

  再然後,流水退去、火山平息,這裏慢慢變得乾燥荒蕪。隨著火星變得“死寂”,之前一直沒什麼存在感的風掌管了幾乎一切。傑澤羅撞擊坑底部和諸多火星撞擊坑內一樣,留下了大量可能至今還在活躍的風成地貌——沙丘和沙波紋。

傑澤羅撞擊坑底部的沙波紋。MRO HiRISE影像,原始解像度25釐米/像素 | NASA Photojournal PIA19303
傑澤羅撞擊坑底部的沙波紋。MRO HiRISE影像,原始解像度25釐米/像素 | NASA Photojournal PIA19303

  總結一下呢,傑澤羅撞擊坑裡簡直是一個跨年代、多場景的火星歷史博物館,這裏保存著三角洲流水地貌、豐富的礦物沉積物、火山活動產物,以及可能孕育生命和保存生命痕跡的環境…這些都是毅力號火星車夢寐以求的。

  Part.4

  毅力號的旅程

  行星科學家們在第四次選址研討會上為毅力號火星車規劃了兩條行進路線,實際路線會按照具體著陸位置來調整。

Mars 2020火星車目前的2條規劃路線 | 毅力號第四次研討會Jezero撞擊坑最終評估報告
Mars 2020火星車目前的2條規劃路線 | 毅力號第四次研討會Jezero撞擊坑最終評估報告

  著陸之後的毅力號將首先探索這個古老湖泊富含堆積物的河床和三角洲,然後是古湖泊曾經的河岸線,穿過一片片年輕的沙灘和沙波紋,翻越近500米的“高山”,也就是傑澤羅撞擊坑的坑緣……這將是毅力號火星車頭兩年的旅程。

  如果毅力號能夠和它的前輩們——超長待機的機遇號、好奇號火星車一樣爭氣的話,它將在此後漫長的一生里擔任我們人類的“眼睛”和“雙手”,領略不同的火星景色,探索豐富多彩的火星地貌,給我們帶來更多驚喜和傳奇。

機遇號和好奇號火星車的行駛軌跡 | NASA/JPL-Caltech
機遇號和好奇號火星車的行駛軌跡 | NASA/JPL-Caltech

  而在不遠的三個月後,中國的天問一號攜帶的火星車也將著陸火星,加入這場近距離探索火星表面的征程。

  天問一號計劃著陸在北半球烏托邦平原一帶,不過具體著陸在哪裡,還要先等天問一號的環繞器仔細考察一番再做決定。

底圖為火星地形偽彩色圖,越藍表示越低,越紅表示越高。陰影區域是天問一號初步的計劃著陸區
底圖為火星地形偽彩色圖,越藍表示越低,越紅表示越高。陰影區域是天問一號初步的計劃著陸區

  磨刀不誤砍柴工,大家安心等待天問一號的好消息吧~

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