毅力号发射升空 降落地点可能出现过火星生命

环球科学
2020-07-31

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环球科学2020-07-31

2020年火星季的最后一位参与者也已入局。北京时间今天19时50分,在佛罗里达州的卡纳维拉尔角空军基地,NASA“毅力”号(Perseverance)火星车搭乘阿特拉斯-5型运载火箭发射升空,成为继阿联酋的“希望”号火星探测器和中国的“天问一号”之后,又一个即将造访火星的探测器。按照计划,“毅力”号将于2021年2月18日在火星的杰泽罗陨石坑 (Jezero crater)降落。

美国从20世纪60年代,就开始了火星探测任务。截止目前,NASA的探测器已8次成功登陆火星。这次发射的毅力号更是被寄予厚望。这次探测任务共耗资24亿美元,在承接美国此前的火星探测任务(检测火星上的水、有机物等)的同时,毅力号也将搜寻火星上生命存在或曾经存在的证据,并将储存样本,等待搭乘未来的火星探测器返回地球。此外,毅力号火星车的腹部首次携带了“机智”号火星直升机。如果机智号能在火星稀薄的大气中起飞,这也意味着人类将首次实现飞行器在其他星球的受控飞行。

杰泽罗陨石坑(Jezero Crater) 。图片由美国火星勘测轨道探测器拍摄。杰泽罗陨石坑(Jezero Crater) 。图片由美国火星勘测轨道探测器拍摄。

降落与探测任务

此次毅力号火星车的登陆位点为杰泽罗陨石坑,而探测器在火星上准确软着陆一直都十分困难。此前,“好奇”号火星车在进入、下降和着陆(entry,descent and landing,简称EDL)的过程就经历了“恐怖7分钟”。在这次毅力号的着陆过程中,科学家采取最精密的火星地图和多项全新的EDL技术,来规避该过程中的危险。

利用火星勘测轨道探测器拍摄的图像,美国地质调查局的科学家已经绘制出了两幅地图:一幅精确标出了杰泽罗陨石坑中着陆点周围的危险区域(分辨率为每像素25厘米);另一幅则是传统的地表结构图(分辨率为每像素6米),前者在此次毅力号降落过程中将作为主导地图。

在绕火星飞行时,飞行器将会拍摄登陆点的照片、测量与火星的距离,并将结果传给毅力号。在降落至火星的过程中,毅力号会快速拍照,通过距离触发技术(Range Trigger),评估与火星地面的距离,从而确定打开降落伞的时间。

随后,毅力号将通过另一项“地形相对导航”技术(Terrain-Relative Navigation,简称TRN),通过拍照将地形与保存的地图进行比较,确定降落点周围的环境,并躲开降落过程中可能遇到的陡坡和大型岩石。

毅力号上携带的科学装置概念图。图片来源:NASA/JPL-Caltech毅力号上携带的科学装置概念图。图片来源:NASA/JPL-Caltech

毅力号准确降落后,将利用机械臂收集杰泽罗陨石坑中的岩石样本。杰泽罗陨石坑的直径为45千米,位于火星北半球伊希地平原的西部边缘。根据此前的观测数据,科学家认为大约在35亿年前,杰泽罗陨石坑曾经被水覆盖,形成一个湖泊。还有一些证据显示,湖水携带有杰泽罗陨石坑周围区域的沉积矿物质,形成了一个古河流三角洲,而这里可能曾有一些微生物生存。

毅力号携带了火星环境动力学分析器(MEDA)、X射线岩石化学行星仪(PIXL)和拉曼和荧光光谱仪(SHERLOC),这些仪器将帮助毅力号分析火星表面岩石、土壤的物理化学特征,寻找生命的遗迹,了解火星地质以及大气环境。

此外,相比于此前的火星任务,毅力号收集的样本将有望返回地球,供科学家研究。毅力号共搭载43个样本管,每一根样本管能装约15克的岩心样本。NASA希望在2026年启动收集任务,收集大约0.45千克重的样本。这些样本可能最早于2031年由NASA和欧洲航天局联合太空任务带回地球。而利用这些样本,科学家将能分析这个区域的形成和演化过程,搜寻生命可能的存在痕迹。

机智号火星直升机

机智号火星直升机。图片来源:NASA机智号火星直升机。图片来源:NASA

此次火星探测项目的一大亮点是,机智号火星直升机将成首个在其他星球上飞行的飞行器。在登陆火星数月后,机智号将从毅力号的腹部卸下,在火星表面进行首次飞行试验,其飞行过程将被毅力号记录下来。若机智号能在真实的火星环境中试飞成功,将能指导后续的火星直升机研发。这些直升机将能在未来的探测任务中担任辅助角色,例如作为机器人侦察员,从上方勘测地形或作为独立科学飞行器来携带仪器。

机智号作为首次尝试,其研发过程面临诸多挑战。首先,由于火星的大气层密度仅地球大气的1%,极其稀薄,很难为直升机足够升力。其次,其降落在杰泽罗陨石坑的时间为2月份,此时该地区的气温极其寒冷,夜晚温度接近-90℃。

最终NASA喷气推进实验室设计出的机智号质量仅1.8千克,机身高0.49米。它含有4个特殊碳纤维制成的旋翼叶片,跨度达1.2米,其旋转速度能达到2400 rpm。它能依靠太阳能充电,其内部加热器也能让它在寒冷的夜晚保持正常的工作温度。此外,机智号上还装备有电脑、导航传感器以及两台照相机(一台彩色照相机,一台黑白照相机)。

2019年1月,机智号通过了最后一次飞行测试。机智号项目管理者、NASA喷气推进实验室的工程师MiMi Aung表示:“我们的研究团队已在地球上对机智号进行了各种测试,我们期待它能在真实的火星环境中完成飞行试验。”

助力人类登陆火星

此外,毅力号还将着眼于未来,开展一些有助于将来人类登陆火星的实验。其中,一个汽车电池大小的仪器(MOXIE)将用来测试将火星大气中含量高达96%的二氧化碳转化成氧气,以供火箭推进器燃烧和为宇航员提供氧气。毅力号还携带将来作为火星宇航服的材料,以检测它们是否能承受火星的严酷环境。根据NASA的判断,他们将最快在本世纪30年代后,将宇航员送上火星。

而搭乘毅力号的“乘客”还包括将近1100万人签名的硅片,以及一块显示地球和火星分别位于太阳两边的小牌,上面印着用莫尔斯电码写成的“让我们一同探索这无垠深空”(Explore As One)的信息,还有向在这场疫情前线工作的医务工作者致敬的一块纪念匾。

重返地球的陨石

此次随“毅力”号登上火星的,还有一个特殊的物体——一块重返火星的火星陨石碎片。这枚硬币大小的陨石碎片来自名为Sayh al Uhaymir 008(简称SaU 008)的火星陨石。1999年,人们在阿曼的沙漠中发现了SaU 008,此后SaU 008一直在英国自然历史博物馆中展出。SaU 008由玄武岩构成,对其化学成分、陨石中气泡成分等分析都显示,这枚陨石来自我们的近邻——火星。

SaU 008的一部分SaU 008的一部分

据“毅力”号团队成员、英国自然历史博物馆的地球科学馆藏主管Caroline Smith教授介绍,SaU 008诞生于4.5亿年前。在大约7000万~6000万年前,一次小行星或陨石撞击将其撞离火星。经过漫长的太空漫游,大约1000年前,SaU 008降临地球。现在,它即将跟随“毅力”号重返数千万年前的家园。所以问题来了:为什么NASA科学家要把SaU 008带回火星?

在这次火星探测任务中,SaU 008有着重要的科学意义。在“毅力”号装配的科学仪器中,“SHERLOC”是至关重要的一环。SHERLOC原意为“通过拉曼光谱扫描宜居环境中的有机物及其他化合物”,这套仪器安装在“毅力”号的机械臂上,由荧光光谱仪、激光和照相机组成。SHERLOC可以发射高精度的激光照射火星地表的岩石样本,从而获取其矿物组成、有机物以及可能的生命迹象等特征。

SHERLOC发射激光的分辨率可以达到50微米,相当于一根头发的直径。对于如此高精度的仪器,任何温度变化、火星车所处地形的变化,都有可能影响到测量结果。因此,观测之前的仪器校准就显得至关重要。通常,SHERLOC需要首先用激光照射某种成分已知,并且与火星岩石尽量接近的物体——如果数据准确无误,那么说明SHERLOC工作状态正常,可以继续检测火星岩石样本。在准备此次火星探测任务时,NASA团队想到,既然要找与火星成分接近的物体,那么与其在地球上寻找其他岩石,为什么不直接用源自火星的陨石呢?于是,他们找到了坚硬、不易断裂的SaU 008陨石。就这样,SaU 008以一种意料之外的方式重返诞生地,并且为人类的火星探测任务作出自己独特的贡献。