去火星采样为什么很重要？

voo

火星与地球有诸多相似之处，受到人类特别关注。在过去近二十年，火星探测尤为活跃，至今仍不断推进科学发现，加深人们对火星的理解。一些观测研究表明，火星上可能曾经存在大量液态水，甚至是海洋。而水是生命之源，这颗目前了无生机的星球，是否曾经像地球一样充满活力？如果的确如此，那么这样沧海桑田般的巨变背后又隐藏着怎样的秘密？诸如此类的问题，成为火星探测中最引人关注的焦点。
进行更复杂的分析

2025年4月，加拿大卡尔加里大学等机构的科学家，在《科学》杂志报告称，利用美国“好奇号”火星车收集的数据，他们分析发现，一些岩石中含有丰富的铁的碳酸盐矿物，而且部分已经分解。这意味着，以前的火星表面，很可能存在液态水，以及浓厚的二氧化碳，而且大气和岩石之间存在碳循环。而这种循环的失衡可能最终使温暖湿润的火星变得生命不再宜居。2025年2月，中国“祝融号”火星车通过雷达获取的数据也表明，乌托邦平原南部存在着与地球海岸沉积物极为相似的倾斜沉积结构，为曾经火星上大型水体甚至海洋的存在，提供了新的证据。
然而，要想更深入地了解和确认火星上发生的变化，将样本带回地球，在实验室中进行更复杂的分析，是一项至关重要的工作。“用精心挑选的火星样本在实验室里进行研究，将解决许多重要的科学问题。除了地球之外，火星是被研究得最好的星球，但这些悬而未决的问题，无法用目前使用的遥感技术来回答。”长期研究火星探测的田纳西大学教授小哈里·麦克斯温（Harry Y. McSween Jr.）向南方周末记者解释，虽然确实有一些火星陨石，但与火星探测器收集的岩石和土壤相比，陨石毕竟是有偏差的取样。

火星上的机器人飞行器。视觉中国|图

如果是利用火星车有针对性地收集样本，情况将大不相同。2025年1月，小哈里·麦克斯温曾专门对火星样本返回的科学意义进行分析，认为这项工作虽然极具挑战性，但却可能彻底改变人类对火星的理解，同时，为探索其他星球指明方向。因为，很多待解决的科学问题，都需要极高灵敏度和分辨率的实验室观测分析，而这是雷达等遥感仪器很难做到的。相关研究发表在《美国科学院院刊》，所聚焦的正是美国宇航局的火星样本返回计划。
2021年2月，美国“毅力号”火星车登陆火星，从那时起，它一直在收集样本。按照计划，当美国宇航局和欧洲航天局再有火星任务时，就会将这些样本带回地球，从而在实验室里用更精密复杂，但同时也更大型的设备，进行细致的分析。而主要目的，正是寻找生命的迹象，甚至回答生命如何起源这样的宏大问题，帮助人类更好地了解地球，了解自己。
月球样本返回的先例

而且类似的思路早已有例可循。比如，月球样本返回后，就极大地增进了人们对相关科学问题的理解。2025年4月，中国科学院的研究人员对嫦娥六号从月球背面取回的样本研究发现，背面月幔的含水量要明显小于正面此前样本中的数据，这意味着从地球来看，处于远端的月背，可能比处于近端的正面，要更干。相关研究发表在《自然》杂志，如果这一特点后续得到更多样本的进一步验证，那么可以为人类分析月球上水的含量，以及月球的演化提供更多佐证信息。
类似的，最近，分别来自嫦娥五号和嫦娥六号的月球样本对比分析还显示，月球背面可能还经历了更高强度的太空风化，或许是因为月背更长的风化时间，或者受到微小陨石影响更大所致。而所有这些关于月球的最新发现，都得益于近年来中国探月工程样本返回的成功。2024年6月，嫦娥六号实现了人类首次从月球背面采集样本返回，获取样本1935.3克，2020年12月，嫦娥五号从月球正面采样返回，获取样本1731克，这也是中国首次实现月球样本采集返回。
在此之前，美国和苏联在20世纪六七十年代，就多次实施月球样本返回，并以此影响了随后近半个世纪时间里，人类对月球的理解。特别是美国阿波罗计划的六次登月任务，共计将382千克的月球样本带回地球，不仅深刻地改变了人们对月球上水含量丰富性的认识，还加深了人们对月壳和地月系统形成过程的理解。而且，由于科学分析手段的进步，相关样本至今仍不断揭示新的发现，未来也可能继续用于新的科学研究。
火星样本的返回，预计也将推动大量科学问题的进展，但因为尚无先例，具体哪些问题将率先得以回答，在一定程度上取决于采样所选的地理位置。在这点上，有计划收集样本并助其返回的“毅力号”，降落在了火星北部的杰泽罗陨石坑。这个直径45公里的陨石坑，大概有39亿年的历史，里面不仅有大的沉积扇，还曾有一个大型湖泊，而且，沉积扇还连接着通往坑外的大峡谷，这些环境特征意味着，沉积扇区域可能同时有河流和湖泊沉积的岩石，不仅具有地质多样性，而且有助于在火星上寻找生命的遗迹。
探寻火星上的生命

“返回的火星样本将成为几代人研究的科学资源。这些火星样本还可以解决未来人类探索时，有关潜在危险的问题。”小哈里·麦克斯温强调，样本返回的用途很广，可用的时效也很长。而相关待解答的难点也很多，比如，火星上是否曾经有生命？火星在最初的10亿年里到底是什么样子的？我们能否为火星和其他行星设计一个更精确的地质时间尺度？
他分析，根据目前“毅力号”所采样本的初步信息，样本一旦成功返回，由于这些样本年代更为久远，关于火星早期历史相关的问题，有望得到进一步回答。与此同时，还会增加对火星成分多样性的理解，使相关测量和观察更为精确，从而解答一些之前无法解答的问题。以火星生命的问题为例，生命的起源不仅需要水，也需要一定的能量来源和有机化合物。而“毅力号”所挑选的沉积样本，有可能保存着生命起源之前的有机物记录，而这是地球上难以找到的，因此，可以为人们探究生命起源提供一些信息。
并且，作为人类寻找地外生命的希望寄托，样本中有可能直接保存有火星古生物的证据。虽然确认灭绝生物的过程困难重重，但如果真的有这样的发现，那么可以使人们验证孕育生命的一些普遍的条件和要求，并揭示一些生命起源的新方式。除此之外，火星样本还可以帮助解决环境条件演变的问题，弄清楚地球以外的宜居条件是如何形成的，又会持续多长时间。而相关的撞击信息，则可以帮助人们理解早期整个太阳系的变化情况。
值得注意的是，返回的火星样本可能并不只有岩石，还有大气气体。曾研究过火星大气挥发物的亚利桑那大学月球与行星实验室教授蒂莫西·斯温德尔（Timothy D. Swindle）介绍，火星是气候最像地球的星球，所以它也是最有可能有生命存在的星球。而且很明显，过去火星表面有液态水，现在表面或者接近表面的位置明显存在水冰。但我们不知道地球上的生命是如何开始的，究竟是十亿分之一的机会还是不可避免的现象。如果这是不可避免的，那么，曾经火星上的条件与地球足够相近时，既然生命在地球上开始了，也有可能早在火星上也开始了，而那个时候，上面的温度要比现在更温暖，也有大量液态水。
解释宜居性的变化

“我们不仅需要含有生命痕迹的样本，还需要大气和尘埃等样本，来告诉我们，这些岩石自形成以来的数百万或数十亿年间，是如何变化的，甚至告诉我们岩石现在正在怎么变化。”蒂莫西·斯温德尔向南方周末记者解释，要想弄清楚火星上是否真的有生命是非常困难的，如果不对火星样本进行详细分析，大概是不可能的，而这种分析除了要关注含有生命痕迹的样本，还应该包括大气等环境样本，至于生命痕迹的追溯，也不一定是靠化石，更可能是那些含有特定化合物的岩石，这些化合物要么是由生物形成，要么是被生物改变，总之，能间接地证明生命的存在。
2025年1月，他在《美国科学院院刊》发表文章分析认为，要想更好地从返回的火星大气样本中，解答关于火星演变和现状的问题，需要重点关注惰性气体、氮气以及各种含有碳、氢、氧的物质。而与此同时，麻省理工学院地球和行星科学教授本杰明·韦斯（Benjamin P. Weiss）的研究认为，关注火星返回样本的磁性也很重要，不论是弄清火星磁场发电机场的强度和方向的历史，确定火星壳磁化的来源，还是验证火星板块构造和真极移的假说，描述火星上的沉积和岩浆过程，都有助于人们理解火星的演变和宜居性的问题。
“火星科学中最大的问题之一是，为什么这颗行星，会从曾经温暖、潮湿、可能适合居住的环境，转变为现在寒冷且干燥的环境？一种主要的说法是，火星曾经有一层厚厚的大气层，并且这个大气层得到它金属内核搅动产生的古老磁场的保护。”本杰明·韦斯告诉南方周末记者，当这个磁场衰退，大气层随后就被太阳的能量剥离了。而附带具体地质背景的古老火星样本，一旦用于实验室研究，则可以帮助回答这个问题，为什么围绕磁场的变化，会出现一系列环境巨变。
多重作用和挑战

但在成功通过火星样本找到答案之前，还要面对诸多困难。在蒂莫西·斯温德尔教授看来，最大的困难就是样本收集和返回方面的技术挑战，也正因此，这项工作的成本是昂贵的，过去几十年虽然人们提出了一系列的计划，但无一实现。“毅力号”尽管已经采集了一些样本，但怎么带回来还是个问题。
此外，即使火星上确实曾经出现过生命，且过去五十年的研究认为杰泽罗陨石坑等位置正是非常有希望揭晓答案的地方，但也不能保证我们一开始就能找到证据。他认为，如果返回的样本中没有生命迹象，那也只不过意味着这次没有选到最佳地点而已。然而，如果一次样本返回就这么难，我们又怎么能考虑返回更多呢？所以，在所有困难里，费用的问题要比一次样本返回的问题更严重。
2025年5月2日，美国总统特朗普的2026年政府预算计划大幅削减美国宇航局的经费，火星样本返回项目更是面临被取消的风险，同时，预算计划继续提出支持首次将人送上火星的项目。
“把人类送上火星的想法非常具有吸引力，因为从很多方面来说，火星将是人类生存难度最低的地方。然而，如果我们想知道生命是否曾经在火星上独立起源，我们需要在把人送上火星之前，就对这个问题进行研究。”蒂莫西·斯温德尔强调，“一旦人类或其他形式的地球生命到达火星，就会有微生物在火星上找到生存的地方。”
当“毅力号”的火星取样返回计划再度面临取消风险之时，2025年4月24日，中国国家航天局在第十个“中国航天日”活动启动仪式上，专门面向国际社会发布了“天问三号”火星取样返回任务国际合作机遇的公告，共计开放探测器20千克质量资源，希望与国际伙伴共同开展火星探测与研究。而承担着火星取样返回任务的“天问三号”，计划在2028年前后发射实施，2030年前后携带火星样品返回地球。
“从另一个星球上跨越数十公里的基岩钻孔，这种定向钻取样本返回的挑战是巨大的。这项工作包括一个火星车取样，多个后续任务将它们带回地球，所需要的付出远超单点非定向少量挖土。这些都必须在预算之内，并且能得到多代科学家和决策者的支持。”本杰明·韦斯教授告诉南方周末记者，“我也非常期待我们能从中国未来返回的火星样本中了解到什么。来自月球的嫦娥样本返回任务已经取得了巨大的成功！”

南方周末记者 王江涛
责编 朱力远