火星取样返回的必要性与科学目标

焦维新（北京大学地球与空间科学学院）

1 引言

相信大家不会对火星取样返回（MSR）这个词感到陌生。除了中国已正式宣布火星取样返回探测计划之外，美国国家航空航天局（NASA）和欧洲航天局（ESA）也宣布了火星取样返回探测计划，并公布了该计划的执行细节。尽管国内外有了火星取样返回计划，但毕竟还都没有实现，国内对这方面的报道也比较少。本文就人们普遍关心的问题进行介绍，主要涉及一些基本问题，如：为什么要取样返回？取样返回的科学目标是什么？到火星的什么地方选取样品等。

2 火星取样返回的必要性

截至2022年12月，全世界已经发射了近50 个火星探测器。这些探测器涉及飞越、环绕、着陆和表面巡视等四种探测方式，并各有特点。环绕器探测一般是采用遥感的方法，可以从整体上了解火星的表面特征。着陆器和火星车可对火星表面就位探测，对火星表面最感兴趣的特征进行直接探测，但限于火星车能携带的仪器种类和大小，其探测能力还有局限性，不能满足人类探测火星的需要。特别是在判别火星样品中是否有生命等关键问题时，火星车就无能为力了，只有把样品带回地球，在实验室中用高级仪器分析，才能获得人类所需要的结果。概括起来说，取样返回的必要性有以下8 个方面[1]。

1）一些深层次分析化验任务需要做复杂的样品准备工作，而这些工作在火星表面无法完成，只有在地球的实验室才能进行。例如，要确定样品的地质年代，要求在清洁的条件下先进行高纯度矿物分离，然后提取和浓缩微量元素，如：锶、铷和钐。在地面实验室中进行这项工作的程序已经很完善，但要在地外天体上进行这项工作，条件还远远不具备。有些研究需要将样品加热到高温（＞1000°C），使用特殊的有机溶剂进行萃取，然后对萃取物进行化学分析，生成用于有机分析的衍生物；还有冷冻干燥法等。另一个关键的例子是薄切片的准备，在做一些测试前，需要把样品切成薄片，但是由简单的机器人系统不可能完成这样的工作。

2）有些高精尖仪器无法送到火星。某些仪器不适合安装在着陆器上，因为太大，需要太多的能量，需要太多的维护，或者有复杂的操作程序（例如：加载/操作样品）。计算机断层扫描（CT）就是其中一例。

3）探测仪器的多样性。到目前为止，原位探测任务仅限于5 ～10 种科学仪器。然而，我们可以使用50 ～100 种仪器分析返回的样品，包括未来的、甚至还没有设计出来的仪器。这可以大大增强做出初步发现的能力。

4）从技术角度看，火星取样返回为载人探测火星打下坚实的基础。取样返回所经历的主要技术阶段，也是载人探测火星所必须经历的，有了取样返回的经历，对于做好载人探测火星的技术准备非常重要。从某种意义上来说，取样返回是载人探测火星的探路者。

5）火星样品返回是太阳系探索的一个里程碑，特别是在对火星及其潜在可居住性问题的研究中。影响此类任务设计和发展的一些重要因素是：着陆地点、样品大小、样品收集和样品保护。

6）返回样品研究将减少未来载人探测火星的风险。最重要的研究是确定火星的尘埃和落空尘埃是否含有生物危害，这些生物危害将不可避免地被航天员摄入，这种风险只能由火星样品来评估。

7）火星可以让我们了解地球的早期历史。太古宙岩石在地球的地质记录中没有很好地保存，其早期的历史在火星上保存下来。地球上的生命就是在这个早期开始，但由于广泛的板块构造活动，太古宙岩石的起源和早期演化电磁信息已在地球上丢失。火星可以提供早期类地行星环境演化和适居性的信息。

8）探索火星上的生命需要对完整的行星过程有广泛的了解，以便确定哪些地方现在或过去最有可能存在适宜居住的条件，以及哪些地方的条件有利于保存任何生命的证据。因此，还必须调查火星的地质和地球物理演化；它的挥发物和气候的历史；现在和过去地表和地下环境的性质；液态水的时间和地理分布；以及生命所需的其他资源(如能源)的可用性。因此，要全面评估火星环境的天体生物学潜力，需要的远不止确定液态水存在的位置，还需要更全面地表征沉积物和其他物质的宏观和微观结构，识别任何有机分子，重建矿物的形成历史，并确定特定矿物组成作为生命特征的偶联氧化还原反应的指示物。对这些信息的需求指导了相关样品的选择、缓存和返回，以便使用地球上复杂的实验室有效地解决生命问题。

行星尺度背景由环绕器的遥感探测获得；建立当地现场环境通过着陆器或火星车的直接探测获得；而详细的样品研究只能通过火星取样返回的方式进行。我们需要相互支持的这三种方式来充分发展对火星的科学理解。

基于三条腿的火星科学探索策略

3 科学意义与科学目标

火星探测的目标是了解火星作为一颗行星和作为潜在生命宿主的作用，及其在太阳系进化史中的地位。在人类登陆火星之前，火星取样返回也必不可少，不仅是为了航天员的安全，还因为一旦人类登上火星，这个星球就不再被认为是生物上的原始状态，即使有严格的防污染协议。

美国“下一个十年火星样品返回科学分析小组”（ND-MSR SAG）制定了以下11 个高级别科学目标[2]。但是，我们注意到，单一的着陆点不能实现所有这些目标。

1）确定地壳中碳、氮、硫和其他相互作用的元素的化学、矿物学和同位素组成，并在亚微米空间尺度上表征含碳、氮和硫的阶段，以便记录火星上可维持宜居环境的过程，不管是现在还是过去。

2）通过对这些现象的结构/形态、生物矿物、有机分子和同位素组成以及地质背景中的其他证据进行特征描述，评估火星上生命起源过程、过去生命和/或现存生命的证据。

3）通过对火星水—岩相互作用的矿物产品的研究来解释火星水—岩相互作用的条件。

4）限制主要火星地壳地质过程的绝对年龄，包括沉积作用、成岩作用、火山/岩浆作用、风化作用、热液蚀变、风化作用和陨石坑形成。

5）通过描述火星上的碎屑和化学成分、沉积过程和沉积序列的沉积后历史，了解火星上的古环境和近地表水的历史。

6）约束行星的吸积、分异的机制和时间，以及随后的火星地壳、地幔和地核的演化。

7）确定火星风化层如何形成和改变，以及不同地方如何和为什么不同。

8）描述未来人类探险者在生物危害、材料毒性和尘埃/颗粒材料方面面临的风险，并帮助评估潜在的原位资源，以帮助人类在火星上存在。

9）对于目前的火星表面和可接近的浅层地下环境，通过评估氧化状态作为深度、渗透率和其他因素的函数，确定现存生命和生命起源前化学特征的保存潜力。

10）解释火星大气的初始组成，在地质时间内大气损失/增加的速率和过程，以及大气与表面浓缩物种交换的速率和过程。

11）对于火星受气候影响的极地沉积物，通过对水、二氧化碳、尘埃成分、同位素比率和表面上层的详细分层，确定它们的年龄、地球化学、形成条件和演化。

根据目前火星探测的情况，可以把上述科学目标分为两个优先级组，前5 个被认为是高优先级，后6 个被认为是中等优先级。当然，随着火星取样返回任务的进展情况，会重新考虑这些优先事项。

上述科学目标可概括为4 个基本科学主题，即火星是否存在过生命、火星表面和表面下环境演化的历史、火星内部结构及大气层演化过程，为载人探测火星做准备。

发现火星过去存在生命的证据

4 重点关注的样品类型[3]

将火星样品返回地球的成本相当高，因此取回的样品必须要有非常高的科学价值，在地球上分析这些样品，人类会获得重要的科学发现。

美国发射的毅力号火星车除了在耶杰罗陨石坑进行实地探测外，还收集了一些样品，当未来的取样返回探测器到达火星后，就可以直接将这些样品带回地球。但NASA 和ESA 还不放心，觉得取样返回这么重要，只在一个地区取样恐怕难以获得更大的科学发现。因此NASA 决定，待再次发射一次火星车，准备好更多的样品后，再发射取样返回探测器。从NASA 和ESA 这个决定，我们可以看出在火星取样返回这种探测方式中，样品选择多么重要。

那么，我们究竟要取回哪些类型的样品呢？应当说，样品也不可能是一种，而是多种，这是由科学目标决定的。换句话说，要根据不同的科学目标，选择相应的样品。根据前面介绍的取样返回研究主题所提出的目标。概括起来，样品类型主要包括：

1）火星沉积物质：可能包含化学沉淀、火山灰、撞击玻璃、火成岩碎片和层状硅酸盐的复杂混合物。沉积物样品将需要在亚微米尺度上实现生命探测、临界最小值和地球化学模式的观测和封闭的微量气体的确定测量。

地球上热液蚀变的岩石样品提供了维持微生物生存所必需的水、养分和化学能，它们还可以在其矿床中保存化石。热液过程极大地影响了地壳和大气的矿物学和挥发性成分。

近地表环境条件下（通常低于20°C)发生的化学蚀变过程产生低温蚀变岩石，其中包括水风化、古石化和各种氧化反应。了解在低温下进行变化过程的条件将为了解近地表水文循环和挥发性化合物的质量通量提供重要的见解。

2）火成岩：主要为熔岩和玄武岩成分的浅层侵入岩。它们对研究火星表面和内部的地质演化意义重大，因其地球化学和同位素组成制约着地幔源区的组成，也制约着岩浆形成和侵位的过程。

风化层样品记录了地壳和大气之间的相互作用，岩石碎片的性质，在表面移动的灰尘和沙粒，水和二氧化碳在冰和大气之间的迁移，以及涉及流体和亚气化的过程。风化层研究将有助于通过评估毒性和潜在资源促进未来的人类勘探。极地冰样品将限制现在和过去的气候条件，并阐明水的循环。短岩心可以帮助解决过去10 万～100 万年的气候变化问题。

大气气体样品将有助于记录大气的组成，以及影响其起源和演变的过程。痕量有机气体，如甲烷和乙烷，可以分析它们的丰度、分布，及其与潜在的火星生物圈的关系。回收的氖、氪、二氧化碳、甲烷和乙烷的样品将带来重大的科学效益。对火星尘埃的化学和矿物学分析将有助于阐明火星的风化和蚀变历史。考虑到火星尘埃的全球同质性，来自任何地方的单一样品都可能代表整个星球。

为了调查氧化剂（如：氢氧根、水、过氧化氢和过氧自由基)的丰度和有机质的保存情况或有机质的保存情况，应在表层或露头深度从厘米到几米的范围内获得一套深度分辨的样品。

5 影响科学价值的样品属性[4]

1）样品大小。一项完整的科学调查计划预计将需要至少8g 的岩石和风化层样品。为了支持所需的生物危害检测，每个样品应增加约2g，最佳样品量约为10g。然而，某些类型的样品非均质性的纹理研究可能需要一个或多个较大的大约20g 的样品。材料应保留存档，以供今后调查。

2）样品封装。为了保持返回样品的科学价值，它们不应该混合在一起，每个样品应该与其记录的现场环境有唯一的联系，岩石样品应该在机械上保持完整。少量或大量精心管理的样品要比大量管理不善的样品有价值得多。至少部分样品的封装应该是密封的，以保留挥发性成分。

3）样品的数量。对样品间非均质性的研究可以提供与单个样品的详细研究同样多或更多的过程信息。最少需要26 个样品（包括20 个岩石、3 个风化层、1 个尘埃、2 个气体）。这些样品的质量预计在350g左右，如果加上样品包装，预计总质量将在650g 左右。

4）样品采集系统。该系统应该对岩石风化的外部和未风化的内部进行取样，对硬度可能不同的露头连续地层序列进行取样，将样品结构和结构的方向与露头表面、层理面、地层序列和区域尺度结构的方向联系起来，并保持样品的结构完整性。气体压缩机和钻孔机的优先级较低，但对于特定种类的样品则需要。

5）选择样品的能力和现场环境的记录。火星取样返回的科学价值关键取决于从所遇到的大量材料中明智地选择相对较少的返回样品的能力。火星取样返回目标可能需要至少两种现场观察（彩色成像、显微成像），可能需要多达五种（还包括矿物学、元素分析和还原碳分析）。样品选择与样品记录所需的观察结果没有显著差异。重新访问以前占用的场地可能会减少MSR 所携带的仪器数量。

6）样品温度。一些关键物种对超过地表的温度很敏感。例如有机物质、硫酸盐、氯化物、粘土、冰和液态水。如果样品保持在-20°C 以下，则火星取样返回的目标最有可能实现，如果样品保持在+20°C 以下，则不太可能实现。如果样品保持在+50°C 以下3h，就会发生重大损害，特别不利于生物研究。返回期间的温度监测将可对任何变化进行评估。

7）返回集合的多样性。返回样品组的多样性应与所遇到的岩石和风化层的多样性相适应。这一指导方针将对着陆点选择和漫游者操作协议产生重大影响。从科学上来说，火星取样返回只访问一个着陆点可以接受，但从两个独立的着陆点返回样品更有价值。

8）地面操作。为了收集火星取样返回目标指定的岩石组，着陆器应该具有显著的表面流动性，能够评估表面材料的多样性，并能在多样性范围内选择样品。根据着陆点的地质特征，预计至少需要6 ～12 个月的地面作业，以便勘察一个着陆点并确定和收集一套样品。

9）行星保护。在设计科学上引人注目的第一个火星取样返回任务时，可以不包括进入和采样一个特殊区域的能力，该区域被定义为陆地生物可能在其中传播的区域。除非该任务能够在纬度30°方向着陆，进入非常崎岖的地形，或实现显著的地下穿透（例如：大于5m 的深度）。

6 取样返回的基本架构[5]

采集到的火星样品示意图

这里谈到的基本架构是从取样返回工程方面考虑的。火星取样返回任务的基本架构选项随着时间的推移而演变，架构发展的关键技术驱动因素包括更好地理解进入、下降和着陆（EDL）的能力和限制，远程火星车设计，样品采集和处理的进步，以及对活动风险的不断理解。考虑到技术、规划、政策指导方针和约束，国际火星样品返回架构（iMARS）工作组第二阶段小组选择了“3+1”架构作为其参考概念，有3 个火星任务和地球上的样品处理元素。这3 个火星任务是样品缓存巡视器（SCR）、样品返回轨道器（SRO）以及样品返回着陆器（SRL）。地面活动来执行返回地球后对样品的回收、隔离和管理。

SCR 将样品收集到一个或多个缓存装置，这些装置具有在稳定状态下至少10年的存储能力，以供检索。在NASA 和ESA 目前的计划中，美国的毅力号火星车就担负着样品收集与缓存的任务。

SRO 带有一个交会传感器套件和一个用于在火星轨道上捕获轨道样品的底盘。SRO 可以为地面作业和关键事件提供电信中继。在SRO 捕获它之后，轨道上的样品就被密封了并放入地球进入飞行器（EEV）中。

SRL 任务将在火星稳定的长期轨道上放置一个轨道样品底盘，可由SRO 任务集合和返回。

7 结束语

本文详细分析了火星取样返回探测的必要性和科学目标。将火星样品带回地球将使科学家能够使用复杂而无法发送到火星的精密仪器来检查标本，并能让子孙后代使用目前尚不可用的技术来对其进行研究。管理地球上的样品将使科学界能够在新理论和模型开发时对其进行测试，就像几十年来对阿波罗月球样品所做的那样。经过各国科学家多年的努力，目前人类对火星取样返回任务的科学目标更加明确，火星取样返回任务必将极大地推进未来的载人火星探测。