焦維新（北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院）

1 引言

相信大家不會(huì)對(duì)火星取樣返回（MSR）這個(gè)詞感到陌生。除了中國(guó)已正式宣布火星取樣返回探測(cè)計(jì)劃之外，美國(guó)國(guó)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(cè)計(jì)劃，并公布了該計(jì)劃的執(zhí)行細(xì)節(jié)。盡管國(guó)內(nèi)外有了火星取樣返回計(jì)劃，但畢竟還都沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的報(bào)道也比較少。本文就人們普遍關(guān)心的問(wèn)題進(jìn)行介紹，主要涉及一些基本問(wèn)題，如：為什么要取樣返回？取樣返回的科學(xué)目標(biāo)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(jīng)發(fā)射了近50 個(gè)火星探測(cè)器。這些探測(cè)器涉及飛越、環(huán)繞、著陸和表面巡視等四種探測(cè)方式，并各有特點(diǎn)。環(huán)繞器探測(cè)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(duì)火星表面就位探測(cè)，對(duì)火星表面最感興趣的特征進(jìn)行直接探測(cè)，但限于火星車能攜帶的儀器種類和大小，其探測(cè)能力還有局限性，不能滿足人類探測(cè)火星的需要。特別是在判別火星樣品中是否有生命等關(guān)鍵問(wèn)題時(shí)，火星車就無(wú)能為力了，只有把樣品帶回地球，在實(shí)驗(yàn)室中用高級(jí)儀器分析，才能獲得人類所需要的結(jié)果。概括起來(lái)說(shuō)，取樣返回的必要性有以下8 個(gè)方面[1]。

1）一些深層次分析化驗(yàn)任務(wù)需要做復(fù)雜的樣品準(zhǔn)備工作，而這些工作在火星表面無(wú)法完成，只有在地球的實(shí)驗(yàn)室才能進(jìn)行。例如，要確定樣品的地質(zhì)年代，要求在清潔的條件下先進(jìn)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(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行這項(xiàng)工作的程序已經(jīng)很完善，但要在地外天體上進(jìn)行這項(xiàng)工作，條件還遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)溶劑進(jìn)行萃取，然后對(duì)萃取物進(jìn)行化學(xué)分析，生成用于有機(jī)分析的衍生物；還有冷凍干燥法等。另一個(gè)關(guān)鍵的例子是薄切片的準(zhǔn)備，在做一些測(cè)試前，需要把樣品切成薄片，但是由簡(jiǎn)單的機(jī)器人系統(tǒng)不可能完成這樣的工作。

2）有些高精尖儀器無(wú)法送到火星。某些儀器不適合安裝在著陸器上，因?yàn)樘?，需要太多的能量，需要太多的維護(hù)，或者有復(fù)雜的操作程序（例如：加載/操作樣品）。計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）就是其中一例。

3）探測(cè)儀器的多樣性。到目前為止，原位探測(cè)任務(wù)僅限于5 ～10 種科學(xué)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(lái)的、甚至還沒(méi)有設(shè)計(jì)出來(lái)的儀器。這可以大大增強(qiáng)做出初步發(fā)現(xiàn)的能力。

4）從技術(shù)角度看，火星取樣返回為載人探測(cè)火星打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。取樣返回所經(jīng)歷的主要技術(shù)階段，也是載人探測(cè)火星所必須經(jīng)歷的，有了取樣返回的經(jīng)歷，對(duì)于做好載人探測(cè)火星的技術(shù)準(zhǔn)備非常重要。從某種意義上來(lái)說(shuō)，取樣返回是載人探測(cè)火星的探路者。

5）火星樣品返回是太陽(yáng)系探索的一個(gè)里程碑，特別是在對(duì)火星及其潛在可居住性問(wèn)題的研究中。影響此類任務(wù)設(shè)計(jì)和發(fā)展的一些重要因素是：著陸地點(diǎn)、樣品大小、樣品收集和樣品保護(hù)。

6）返回樣品研究將減少未來(lái)載人探測(cè)火星的風(fēng)險(xiǎn)。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(fēng)險(xiǎn)只能由火星樣品來(lái)評(píng)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(zhì)記錄中沒(méi)有很好地保存，其早期的歷史在火星上保存下來(lái)。地球上的生命就是在這個(gè)早期開(kāi)始，但由于廣泛的板塊構(gòu)造活動(dòng)，太古宙巖石的起源和早期演化電磁信息已在地球上丟失?；鹦强梢蕴峁┰缙陬惖匦行黔h(huán)境演化和適居性的信息。

8）探索火星上的生命需要對(duì)完整的行星過(guò)程有廣泛的了解，以便確定哪些地方現(xiàn)在或過(guò)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(jù)。因此，還必須調(diào)查火星的地質(zhì)和地球物理演化；它的揮發(fā)物和氣候的歷史；現(xiàn)在和過(guò)去地表和地下環(huán)境的性質(zhì)；液態(tài)水的時(shí)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(píng)估火星環(huán)境的天體生物學(xué)潛力，需要的遠(yuǎn)不止確定液態(tài)水存在的位置，還需要更全面地表征沉積物和其他物質(zhì)的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)，識(shí)別任何有機(jī)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(lián)氧化還原反應(yīng)的指示物。對(duì)這些信息的需求指導(dǎo)了相關(guān)樣品的選擇、緩存和返回，以便使用地球上復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)室有效地解決生命問(wèn)題。

行星尺度背景由環(huán)繞器的遙感探測(cè)獲得；建立當(dāng)?shù)噩F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境通過(guò)著陸器或火星車的直接探測(cè)獲得；而詳細(xì)的樣品研究只能通過(guò)火星取樣返回的方式進(jìn)行。我們需要相互支持的這三種方式來(lái)充分發(fā)展對(duì)火星的科學(xué)理解。

基于三條腿的火星科學(xué)探索策略

3 科學(xué)意義與科學(xué)目標(biāo)

火星探測(cè)的目標(biāo)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(yáng)系進(jìn)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?yàn)橐坏┤祟惖巧匣鹦?，這個(gè)星球就不再被認(rèn)為是生物上的原始狀態(tài)，即使有嚴(yán)格的防污染協(xié)議。

美國(guó)“下一個(gè)十年火星樣品返回科學(xué)分析小組”（ND-MSR SAG）制定了以下11 個(gè)高級(jí)別科學(xué)目標(biāo)[2]。但是，我們注意到，單一的著陸點(diǎn)不能實(shí)現(xiàn)所有這些目標(biāo)。

1）確定地殼中碳、氮、硫和其他相互作用的元素的化學(xué)、礦物學(xué)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(huán)境的過(guò)程，不管是現(xiàn)在還是過(guò)去。

2）通過(guò)對(duì)這些現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)/形態(tài)、生物礦物、有機(jī)分子和同位素組成以及地質(zhì)背景中的其他證據(jù)進(jìn)行特征描述，評(píng)估火星上生命起源過(guò)程、過(guò)去生命和/或現(xiàn)存生命的證據(jù)。

3）通過(guò)對(duì)火星水—巖相互作用的礦物產(chǎn)品的研究來(lái)解釋火星水—巖相互作用的條件。

4）限制主要火星地殼地質(zhì)過(guò)程的絕對(duì)年齡，包括沉積作用、成巖作用、火山/巖漿作用、風(fēng)化作用、熱液蝕變、風(fēng)化作用和隕石坑形成。

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

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

7）確定火星風(fēng)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(lái)人類探險(xiǎn)者在生物危害、材料毒性和塵埃/顆粒材料方面面臨的風(fēng)險(xiǎn)，并幫助評(píng)估潛在的原位資源，以幫助人類在火星上存在。

9）對(duì)于目前的火星表面和可接近的淺層地下環(huán)境，通過(guò)評(píng)估氧化狀態(tài)作為深度、滲透率和其他因素的函數(shù)，確定現(xiàn)存生命和生命起源前化學(xué)特征的保存潛力。

10）解釋火星大氣的初始組成，在地質(zhì)時(shí)間內(nèi)大氣損失/增加的速率和過(guò)程，以及大氣與表面濃縮物種交換的速率和過(guò)程。

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

根據(jù)目前火星探測(cè)的情況，可以把上述科學(xué)目標(biāo)分為兩個(gè)優(yōu)先級(jí)組，前5 個(gè)被認(rèn)為是高優(yōu)先級(jí)，后6 個(gè)被認(rèn)為是中等優(yōu)先級(jí)。當(dāng)然，隨著火星取樣返回任務(wù)的進(jìn)展情況，會(huì)重新考慮這些優(yōu)先事項(xiàng)。

上述科學(xué)目標(biāo)可概括為4 個(gè)基本科學(xué)主題，即火星是否存在過(guò)生命、火星表面和表面下環(huán)境演化的歷史、火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)及大氣層演化過(guò)程，為載人探測(cè)火星做準(zhǔn)備。

發(fā)現(xiàn)火星過(guò)去存在生命的證據(jù)

4 重點(diǎn)關(guān)注的樣品類型[3]

將火星樣品返回地球的成本相當(dāng)高，因此取回的樣品必須要有非常高的科學(xué)價(jià)值，在地球上分析這些樣品，人類會(huì)獲得重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

美國(guó)發(fā)射的毅力號(hào)火星車除了在耶杰羅隕石坑進(jìn)行實(shí)地探測(cè)外，還收集了一些樣品，當(dāng)未來(lái)的取樣返回探測(cè)器到達(dá)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(jué)得取樣返回這么重要，只在一個(gè)地區(qū)取樣恐怕難以獲得更大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。因此NASA 決定，待再次發(fā)射一次火星車，準(zhǔn)備好更多的樣品后，再發(fā)射取樣返回探測(cè)器。從NASA 和ESA 這個(gè)決定，我們可以看出在火星取樣返回這種探測(cè)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(yīng)當(dāng)說(shuō)，樣品也不可能是一種，而是多種，這是由科學(xué)目標(biāo)決定的。換句話說(shuō)，要根據(jù)不同的科學(xué)目標(biāo)，選擇相應(yīng)的樣品。根據(jù)前面介紹的取樣返回研究主題所提出的目標(biāo)。概括起來(lái)，樣品類型主要包括：

1）火星沉積物質(zhì)：可能包含化學(xué)沉淀、火山灰、撞擊玻璃、火成巖碎片和層狀硅酸鹽的復(fù)雜混合物。沉積物樣品將需要在亞微米尺度上實(shí)現(xiàn)生命探測(cè)、臨界最小值和地球化學(xué)模式的觀測(cè)和封閉的微量氣體的確定測(cè)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(yǎng)分和化學(xué)能，它們還可以在其礦床中保存化石。熱液過(guò)程極大地影響了地殼和大氣的礦物學(xué)和揮發(fā)性成分。

近地表環(huán)境條件下（通常低于20°C)發(fā)生的化學(xué)蝕變過(guò)程產(chǎn)生低溫蝕變巖石，其中包括水風(fēng)化、古石化和各種氧化反應(yīng)。了解在低溫下進(jìn)行變化過(guò)程的條件將為了解近地表水文循環(huán)和揮發(fā)性化合物的質(zhì)量通量提供重要的見(jiàn)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(duì)研究火星表面和內(nèi)部的地質(zhì)演化意義重大，因其地球化學(xué)和同位素組成制約著地幔源區(qū)的組成，也制約著巖漿形成和侵位的過(guò)程。

風(fēng)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(zhì)，在表面移動(dòng)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(guò)程。風(fēng)化層研究將有助于通過(guò)評(píng)估毒性和潛在資源促進(jìn)未來(lái)的人類勘探。極地冰樣品將限制現(xiàn)在和過(guò)去的氣候條件，并闡明水的循環(huán)。短巖心可以幫助解決過(guò)去10 萬(wàn)～100 萬(wàn)年的氣候變化問(wèn)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(guò)程。痕量有機(jī)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(guān)系?；厥盏哪省㈦?、二氧化碳、甲烷和乙烷的樣品將帶來(lái)重大的科學(xué)效益。對(duì)火星塵埃的化學(xué)和礦物學(xué)分析將有助于闡明火星的風(fēng)化和蝕變歷史?？紤]到火星塵埃的全球同質(zhì)性，來(lái)自任何地方的單一樣品都可能代表整個(gè)星球。

為了調(diào)查氧化劑（如：氫氧根、水、過(guò)氧化氫和過(guò)氧自由基)的豐度和有機(jī)質(zhì)的保存情況或有機(jī)質(zhì)的保存情況，應(yīng)在表層或露頭深度從厘米到幾米的范圍內(nèi)獲得一套深度分辨的樣品。

5 影響科學(xué)價(jià)值的樣品屬性[4]

1）樣品大小。一項(xiàng)完整的科學(xué)調(diào)查計(jì)劃預(yù)計(jì)將需要至少8g 的巖石和風(fēng)化層樣品。為了支持所需的生物危害檢測(cè)，每個(gè)樣品應(yīng)增加約2g，最佳樣品量約為10g。然而，某些類型的樣品非均質(zhì)性的紋理研究可能需要一個(gè)或多個(gè)較大的大約20g 的樣品。材料應(yīng)保留存檔，以供今后調(diào)查。

2）樣品封裝。為了保持返回樣品的科學(xué)價(jià)值，它們不應(yīng)該混合在一起，每個(gè)樣品應(yīng)該與其記錄的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境有唯一的聯(lián)系，巖石樣品應(yīng)該在機(jī)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(jià)值得多。至少部分樣品的封裝應(yīng)該是密封的，以保留揮發(fā)性成分。

3）樣品的數(shù)量。對(duì)樣品間非均質(zhì)性的研究可以提供與單個(gè)樣品的詳細(xì)研究同樣多或更多的過(guò)程信息。最少需要26 個(gè)樣品（包括20 個(gè)巖石、3 個(gè)風(fēng)化層、1 個(gè)塵埃、2 個(gè)氣體）。這些樣品的質(zhì)量預(yù)計(jì)在350g左右，如果加上樣品包裝，預(yù)計(jì)總質(zhì)量將在650g 左右。

4）樣品采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)該對(duì)巖石風(fēng)化的外部和未風(fēng)化的內(nèi)部進(jìn)行取樣，對(duì)硬度可能不同的露頭連續(xù)地層序列進(jìn)行取樣，將樣品結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)的方向與露頭表面、層理面、地層序列和區(qū)域尺度結(jié)構(gòu)的方向聯(lián)系起來(lái)，并保持樣品的結(jié)構(gòu)完整性。氣體壓縮機(jī)和鉆孔機(jī)的優(yōu)先級(jí)較低，但對(duì)于特定種類的樣品則需要。

5）選擇樣品的能力和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的記錄?；鹦侨臃祷氐目茖W(xué)價(jià)值關(guān)鍵取決于從所遇到的大量材料中明智地選擇相對(duì)較少的返回樣品的能力?；鹦侨臃祷啬繕?biāo)可能需要至少兩種現(xiàn)場(chǎng)觀察（彩色成像、顯微成像），可能需要多達(dá)五種（還包括礦物學(xué)、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(jié)果沒(méi)有顯著差異。重新訪問(wèn)以前占用的場(chǎng)地可能會(huì)減少M(fèi)SR 所攜帶的儀器數(shù)量。

6）樣品溫度。一些關(guān)鍵物種對(duì)超過(guò)地表的溫度很敏感。例如有機(jī)物質(zhì)、硫酸鹽、氯化物、粘土、冰和液態(tài)水。如果樣品保持在-20°C 以下，則火星取樣返回的目標(biāo)最有可能實(shí)現(xiàn)，如果樣品保持在+20°C 以下，則不太可能實(shí)現(xiàn)。如果樣品保持在+50°C 以下3h，就會(huì)發(fā)生重大損害，特別不利于生物研究。返回期間的溫度監(jiān)測(cè)將可對(duì)任何變化進(jìn)行評(píng)估。

7）返回集合的多樣性。返回樣品組的多樣性應(yīng)與所遇到的巖石和風(fēng)化層的多樣性相適應(yīng)。這一指導(dǎo)方針將對(duì)著陸點(diǎn)選擇和漫游者操作協(xié)議產(chǎn)生重大影響。從科學(xué)上來(lái)說(shuō)，火星取樣返回只訪問(wèn)一個(gè)著陸點(diǎn)可以接受，但從兩個(gè)獨(dú)立的著陸點(diǎn)返回樣品更有價(jià)值。

8）地面操作。為了收集火星取樣返回目標(biāo)指定的巖石組，著陸器應(yīng)該具有顯著的表面流動(dòng)性，能夠評(píng)估表面材料的多樣性，并能在多樣性范圍內(nèi)選擇樣品。根據(jù)著陸點(diǎn)的地質(zhì)特征，預(yù)計(jì)至少需要6 ～12 個(gè)月的地面作業(yè)，以便勘察一個(gè)著陸點(diǎn)并確定和收集一套樣品。

9）行星保護(hù)。在設(shè)計(jì)科學(xué)上引人注目的第一個(gè)火星取樣返回任務(wù)時(shí)，可以不包括進(jìn)入和采樣一個(gè)特殊區(qū)域的能力，該區(qū)域被定義為陸地生物可能在其中傳播的區(qū)域。除非該任務(wù)能夠在緯度30°方向著陸，進(jìn)入非常崎嶇的地形，或?qū)崿F(xiàn)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(gòu)[5]

采集到的火星樣品示意圖

這里談到的基本架構(gòu)是從取樣返回工程方面考慮的?；鹦侨臃祷厝蝿?wù)的基本架構(gòu)選項(xiàng)隨著時(shí)間的推移而演變，架構(gòu)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)驅(qū)動(dòng)因素包括更好地理解進(jìn)入、下降和著陸（EDL）的能力和限制，遠(yuǎn)程火星車設(shè)計(jì)，樣品采集和處理的進(jìn)步，以及對(duì)活動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)的不斷理解?？紤]到技術(shù)、規(guī)劃、政策指導(dǎo)方針和約束，國(guó)際火星樣品返回架構(gòu)（iMARS）工作組第二階段小組選擇了“3+1”架構(gòu)作為其參考概念，有3 個(gè)火星任務(wù)和地球上的樣品處理元素。這3 個(gè)火星任務(wù)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(dòng)來(lái)執(zhí)行返回地球后對(duì)樣品的回收、隔離和管理。

SCR 將樣品收集到一個(gè)或多個(gè)緩存裝置，這些裝置具有在穩(wěn)定狀態(tài)下至少10年的存儲(chǔ)能力，以供檢索。在NASA 和ESA 目前的計(jì)劃中，美國(guó)的毅力號(hào)火星車就擔(dān)負(fù)著樣品收集與緩存的任務(wù)。

SRO 帶有一個(gè)交會(huì)傳感器套件和一個(gè)用于在火星軌道上捕獲軌道樣品的底盤(pán)。SRO 可以為地面作業(yè)和關(guān)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(jìn)入飛行器（EEV）中。

SRL 任務(wù)將在火星穩(wěn)定的長(zhǎng)期軌道上放置一個(gè)軌道樣品底盤(pán)，可由SRO 任務(wù)集合和返回。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)分析了火星取樣返回探測(cè)的必要性和科學(xué)目標(biāo)。將火星樣品帶回地球?qū)⑹箍茖W(xué)家能夠使用復(fù)雜而無(wú)法發(fā)送到火星的精密儀器來(lái)檢查標(biāo)本，并能讓子孫后代使用目前尚不可用的技術(shù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行研究。管理地球上的樣品將使科學(xué)界能夠在新理論和模型開(kāi)發(fā)時(shí)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，就像幾十年來(lái)對(duì)阿波羅月球樣品所做的那樣。經(jīng)過(guò)各國(guó)科學(xué)家多年的努力，目前人類對(duì)火星取樣返回任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)更加明確，火星取樣返回任務(wù)必將極大地推進(jìn)未來(lái)的載人火星探測(cè)。