NASA毅力号成功着陆火星!它会在哪里寻找火星生命?
发布时间:2021-02-19
出品:科普中国
制作:haibaraemily
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  北京时间2021219日凌晨, 本届火星赛季第三位出发的选手,NASA毅力号探测器(也叫Mars 2020)顺利踏上火星这颗红色星球。

  

  毅力号登上火星后传回的着陆区表面照片 | NASA/JPL-Caltech

  八年前将好奇号送上火星的空中吊车黑科技,再次在火星上空上演。

 

 

 

 

  毅力号火星车着陆过程CG,一定要带耳机听,非常酷|NASA/JPL-Caltech [1]

  作为好奇号火星车的进阶版,毅力号延续了好奇号的使命,继续寻找火星上可能的水和生命痕迹。

  

  好奇号 vs 毅力号 | NASA/JPL-Caltech

  相比好奇号,毅力号不仅升级了很多仪器设备,还携带了一个小型无人机“机智号”。

  

  无人机概念图 | NASA/JPL-Caltech[2]

  此外,毅力号还将采集火星的岩石和土壤样品。不过它无法带着样品返回地球,只能先将样品保存起来,留待将来的火星返回任务带回地球。

  毅力号(Mars2020)采样返回的超时空接力,(2)(3)(4)任务可以一次完成,也可以分期完成,丰俭由人|汉化自:Nature News[3]

  关于毅力号火星车的详细介绍去年7月发射的时候就写过:NASA毅力号启程奔赴火星,本届火星季圆满落幕感兴趣的回去补补课,这期就不重复说了。

  这辆价值20多亿美元、凝聚了人类火星探测黑科技的火星车,要送去哪里探测?这么重要的事,估计搁谁都有选择综合征…NASA当然也不例外。

火星车选址,有多讲究?

  火星车的着陆选址,是很讲究的,因为这既关系到火星车一辈子的行驶安全,也直接关系到火星车可能发现什么样的科学信息为此,NASA不仅广泛征集建议,还花了五年多时间让工程师和科学家们充分调研和battle

  

  着陆区首先需要满足工程上的要求必须优先选择更安全靠谱的着陆点。对火星来说,这个“安全靠谱”通常需要:

  1)纬度较低,最好在南北纬30度以内,这样着陆区温度不会太低;

  2)地势较低,让探测器在着陆时可以有更久的大气缓冲时间;

  3)地形尽量平坦、易于着陆或抵达;

  等等等等。

  2013年,共有60多个备选着陆区进入海选,粗筛之后,剩下了32个。

  

  最开始提出的所有候选着陆点 | Science Definition report (Mustard et al,2013)[4]

  符合初筛条件的候选着陆点 | NASA Mars 2020第一次研讨会[5]

  对这些备选着陆点,工程师和科学家们针对多项实际工程需求进行打分排序,主要考虑的工程需求有:需要额外影像数据的质量、能否着陆或驶达、是否需要启用两项精确着陆新技术(范围触发技术和相对地形导航技术)等等。

  

  2014年的第一次选址研讨会结束时,27备选着陆区被选中。

  

  毅力号第一次选址研讨会关于工程指标的投票结果排序(最高分3分,最低分1分) | Mars 2020 Landing Site Workshop

  在基本满足了安全着陆的工程需要之后,科学家们进一步逐一评估每个着陆点的科学意义:尽管火星如今是寒冷而干燥的生命荒漠,但曾经却有过温暖而湿润的环境,可能孕育过生命。如果火星生命真的曾经存在过,那或许会留下点什么,等待着毅力号来探索。

  既然想要寻找生命痕迹,当然要去最可能产生和保存生命遗迹的地方嘛。科学家们考虑了这些指标:是否具有有特色的地质环境和地质历史、是否曾具备生命宜居环境、是否具备保存生物标志物的条件和可能性、可采集到样品的天体生物学和岩石学价值如何。

  

  毅力号第二次选址研讨会关于科学指标的投票结果排序(最高分5分,最低分1分)|汉化自:Mars 2020 Landing Site Workshop

  终于,在2015年的第二次选址研讨会上,毅力号的备选着陆区前8名出炉[6]

  

  第二次研讨会之后的8个候选着陆点位置|NASA [6]

  2017年第三次选址研讨会,科学家们继续按照科学指标排名,把备选着陆区进一步缩小到了3[7]

  

  第三次研讨会之后的3个候选着陆点位置 | NASA[7]

  三个候选点分别是:

  ·古谢夫撞击坑中的哥伦比亚山:可能有过温泉之类的热液环境,勇气号火星车曾经战斗过的地方;

  ·杰泽罗撞击坑:可能往复经历过湖水的流入和干涸,有着古老的湖泊三角洲;

  ·大瑟提斯东北:曾经温暖而湿润、有过火山活动。

  它们都可能曾经有过适宜生命存活的环境。

  最后一公里总是最困难的,

  火星车只有一辆,地方只能去一个,

  但到了最后阶段,每个候选点都有着自己独特而难以割舍的优势

  然而决定还是不得不做的。第四次选址研讨会之后,NASA20181120日公布了这个千挑万选的“风水宝地”——杰泽罗撞击坑[8]

  

  杰泽罗撞击坑全景,白圈是毅力号的着陆椭圆范围| NASA/JPL/MSSS/JHUAPL/ESA/DLR/FU Berlin/Justin Cowart

“风水宝地”在哪里?

  杰泽罗撞击坑位于北半球赤道附近(18.42°N77.67°E),火星从南半球崎岖高地向北半球平坦低地过渡的交界上。

  

  杰泽罗撞击坑位于红框区域中。(左)海盗号全球拼接影像;(右)MOLA地形(越蓝越低,越红越高)。

  来源:Viking/MOLA,制图:haibaraemily

  这个坑还位于直径约1500公里的伊西底斯盆地内2003年,欧空局火星快车号任务携带的着陆器小猎犬2着陆失败,就埋骨于这个撞击盆地之中。而与杰泽罗撞击坑毗邻的尼利槽沟和大瑟提斯也都曾是毅力号火星车的热门备选着陆区。

  

  (左)海盗号影像,来源:Viking,制图:haibaraemily(右)MOLA地形 | Mars2020第三次研讨会Tim Goudge报告[9]

  除了杰泽罗撞击坑和大瑟提斯东北之外,科学家们还在选址的最后阶段提出过一个位于两者之间的折衷位置,取名也很实诚,就叫中途区(Midway,让火星车从中途区慢慢开往杰泽罗撞击坑。不过这个点最终没有被选中。

  

  该区域的MRO CTX拼接影像,原始分辨率5/像素。来源:CTX [10],制图:haibaraemily

湖泊三角洲:保存生命遗迹的“绿洲”?

  那么,杰泽罗撞击坑又有什么脱颖而出的独特优势呢?

  这个撞击坑直径约45千米,是火星古老的诺亚纪,也就是约41-37亿年前这段时间里被一颗公里级大小的小天体撞击而成的。

  

  火星地质年代和不同时期的主要地质事件|汉化改编自:参考资料[11]

  撞击坑形成之后,这里曾一度成为一个古湖泊,在火星温暖湿润的年代,湖水可能至少有250米深[12],火星上的微生物就有可能在这里生息繁衍过。

  

  杰泽罗撞击坑湖水充盈年代的假想图|NASA

  这个撞击坑以波黑的“杰泽罗镇”命名,“杰泽罗”这个词在塞尔维亚语中意思就是“湖”

  

  波黑小镇和自治市名|维基

  不过,同为古湖泊遗迹,杰泽罗撞击坑和好奇号着陆的盖尔撞击坑又有所不同。

  

  (左)盖尔撞击坑,基于NASA多个火星环绕器影像数据的电脑模拟;(右)杰泽罗撞击坑,火星快车HRSC影像

  盖尔撞击坑曾是个封闭的古湖泊,水能进来,但流不出去;而杰泽罗撞击坑则曾是个开放的古湖泊,有入口也有出口。

  

  (左)盖尔撞击坑和(右)杰泽罗撞击坑有湖水状态的假想图 | NASA

  遥想约35亿年前,液态水从撞击坑边缘流入,切割此处的基底形成了河道,又冲破撞击坑另一侧边缘流出。如今的杰泽罗撞击坑附近,依然至少可以看到两条河道流入坑中,又从另一条河道流出的遗迹。河谷入口处形成的扇形三角洲保留至今,而毅力号火星车就降落在这片三角洲附近。

  

  杰泽罗撞击坑中的流水活动遗迹,CTX+HRSC+HiRISE图像合成|改编汉化自:Mars 2020第三次选址研讨会Tim Goudge报告[9]

  杰泽罗撞击坑一带还有着富含粘土、橄榄石、碳酸盐等丰富矿物的沉积物,可能是曾经的液态水环境中形成和搬运来的。火星表面强辐射的环境会破坏可能存在过的生命痕迹,但这些三角洲中快速掩埋的沉积物却很有利于生物标志物的保存

  

  MRO CTX影像和CRISM光谱图像的叠加图,不同颜色代表不同的矿物 | NASA/JPL/JHUAPL/MSSS/Brown University [8]

  不止流水的改造,火山活动也曾波及到这里。杰泽罗撞击坑底部大部分区域都被火山物质覆盖,坑内发现的高钙辉石低钙辉石矿物很可能就是火山活动的产物。

  

  杰泽罗撞击坑一带的地质单元图,灰色区域全部都是火山物质 |汉化自:参考文献 [13]

  再然后,流水退去、火山平息,这里慢慢变得干燥荒芜。随着火星变得“死寂”,之前一直没什么存在感的风掌管了几乎一切。杰泽罗撞击坑底部和诸多火星撞击坑内一样,留下了大量可能至今还在活跃的风成地貌——沙丘和沙波纹

  

  杰泽罗撞击坑底部的沙波纹。MRO HiRISE影像,原始分辨率25厘米/像素 | NASA Photojournal PIA19303

  总结一下呢,杰泽罗撞击坑里简直是一个跨年代、多场景的火星历史博物馆,这里保存着三角洲流水地貌、丰富的矿物沉积物、火山活动产物,以及可能孕育生命和保存生命痕迹的环境…这些都是毅力号火星车梦寐以求的。

毅力号的旅程

  行星科学家们在第四次选址研讨会上为毅力号火星车规划了两条行进路线,实际路线会按照具体着陆位置来调整。

  

  Mars 2020火星车目前的2条规划路线|毅力号第四次研讨会Jezero撞击坑最终评估报告[14]

  着陆之后的毅力号将首先探索这个古老湖泊富含堆积物的河床和三角洲,然后是古湖泊曾经的河岸线,穿过一片片年轻的沙滩和沙波纹,翻越近500米的“高山”,也就是杰泽罗撞击坑的坑缘……这将是毅力号火星车头两年的旅程

  “俯瞰”毅力号着陆区和行驶路线 | NASA/JPL-Caltech

  如果毅力号能够和它的前辈们——超长待机的机遇号、好奇号火星车一样争气的话,它将在此后漫长的一生里担任我们人类的“眼睛”和“双手”,领略不同的火星景色,探索丰富多彩的火星地貌,给我们带来更多惊喜和传奇。

  

  机遇号和好奇号火星车的行驶轨迹 | NASA/JPL-Caltech

  而在不远的三个月后,中国的天问一号携带的火星车也将着陆火星,加入这场近距离探索火星表面的征程。

  天问一号计划着陆在北半球乌托邦平原一带,不过具体着陆在哪里,还要先等天问一号的环绕器仔细考察一番再做决定。

  

  底图为火星地形伪彩色图,越蓝表示越低,越红表示越高。阴影区域是天问一号初步的计划着陆区

  磨刀不误砍柴工,大家安心等待天问一号的好消息吧!

  参考资料

  [1] Perseverance Arrives at Mars: Feb. 18, 2021 (Mission Trailer) 

  https://mars.nasa.gov/resources/25473/perseverance-arrives-at-mars-feb-18-2021-mission-trailer/

  [2] Mars Helicopter to Fly on NASA’s Next Red Planet Rover Mission 

  https://www.nasa.gov/press-release/mars-helicopter-to-fly-on-nasa-s-next-red-planet-rover-mission

  [3] NASA plans Mars sample-return rover

  https://www.nature.com/news/nasa-plans-mars-sample-return-rover-1.15207

  [4] https://mepag.jpl.nasa.gov/reports/MEP/Mars_2020_SDT_Report_Final.pdf

  [5] Mars2020第一次研讨会

  https://marsnext.jpl.nasa.gov/workshops/index.cfm

  [6] 20158个候选点

  https://mars.nasa.gov/mars2020/timeline/prelaunch/landing-site-selection/eight-potential-sites/

  [7] 20173个候选点

  https://mars.nasa.gov/mars2020/timeline/prelaunch/landing-site-selection/

  [8] NASA | NASA Announces Landing Site for Mars 2020 Rover

  https://www.nasa.gov/press-release/nasa-announces-landing-site-for-mars-2020-rover

  [9] Tim Goudge报告https://marsnext.jpl.nasa.gov/workshops/wkshp_2017_02.cfm

  [10] Mars2020 Landing Site Working Group 2.0

  http://murray-lab.caltech.edu/Mars2020/

  [11] Weiss, B. P., Russell, C. T., Anderson, B. J., Kirschvink, J. L., Golombek, M. P., Raymond, C. A., & Murphy, N. (2014, March). Mars Compass: a magnetometer for the Mars 2020 rover. In Lunar and Planetary Science Conference (No. 1777, p. 2696).

  [12] The Planetary Society | We're going to Jezero!

  http://www.planetary.org/blogs/emily-lakdawalla/2018/jezero-landing-site-mars-2020-rover.html

  [13] Horgan, B.H., Anderson, R. B., Dromart, G., Amador, E. S., & Rice, M. S. (2020). The mineral diversity of Jezero crater: Evidence for possible lacustrine carbonates on Mars. Icarus, 339, 113526.

  [14] Mars2020第四次研讨会Jezero撞击坑最终评估报告

  https://marsnext.jpl.nasa.gov/workshops/wkshp_2018_10.cfm

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