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花24亿美元,把火星岩石搬回地球

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:4

    坐落在洛杉矶山脉北部和东部的喷气推进实验室(the Jet Propulsion Laboratory ,简称JPL)中充满阳光,穿着衬衫的工程师们在桉树形状的小路上散步。一些人转身进入了一栋建筑,这里对火星探索来说非常重要,里面的远程驱动设备控制着两台正在火星上工作的探测器。其他人则继续向前走,到了179号楼。历史上有许多航天器都是在这里装配的,无数奔向月球,火星,星际空间的的设备也是从这里诞生。

    如今,这也是制造2020年新型火星探测器的地方。

    此前NASA在宣布2020年的任务前,就吹捧过一系列来自这里新的技术。到目前为止,他们也成功发射了一连串的火星探测器。从1996年开始,11千克重的探路者号(Pathfinder)被发射升空,到2003年,180千克重的勇气号(Spirit)与机遇号(Opportunity)同时升空,再到2012年,900千克重量的“好奇号”(Curiosity)也成功升空了。如果仔细观察这些探测器的重量,你会发现好奇号的体重已经突破很多人的想象了。

    花24亿美元,把火星岩石搬回地球

    探测器的假想图

    现在,2020年时要使用的火星探测器可以沿着“好奇号”的工作继续前行。其中大约85%将会继承之前的设计,比如底盘,电力和通讯系统,还有一些设计是从其他探测器中搬过来的。NASA甚至决定投入24亿美元,推进火星探测这个庞大的项目。参与过多项探测器任务的副项目经理Matt Wallace说:“我们也得到了很多资金的支持。”

    在设计新的探测器时,如何制造出在火星上测量与收集岩石样品的工具,显得至关重要。新的火星探测器的有效负荷有所改变,会包括七个部分改进甚至全新设计的仪器。例如,位于探测器顶端的全景摄像机,将会添加瞄准和变焦的功能,从而细致观察科学家感兴趣的部位;探测器中的激光仪器还额外增加了探测的波长,从而扩大对岩石中的矿物学或者化学特征的研究;探测器的机器人手臂使用增强的紫外线和X射线光谱仪,比起“好奇号”来,它可以更详细地反映岩石的情况。

    科学家们表示,收集这些信息是理解火星演化的关键。毕竟,地球上已经有上百个来自火星的岩石了,但是现在的样本无法体现火星的地质背景。这些陨石是在数百万甚至数亿年前,火星被撞击时,碎裂的块体变成陨石被带来地球的。探测器飞向火星后,是在原地钻取岩石,这能确保样品可以保留原始的背景信息,不被摩擦燃烧或者别的因素干扰。这样,研究者们就能通过破译样品中的信息,拼凑火星的演化过程了。

    JPL的天体生物学家,X射线光谱仪的主要研究者Abigail Allwood说:“我们想要一个真正的现场记录,好让后续的研究人员都可以围绕这个样本展开研究。如果我们要证明火星上有生命,就需要展开高水平的研究,彻底了解它所代表的信息。”

    火星寻宝

    这就是Steltzner与团队启动计划的地方。他们推翻重来,想创造出比以往更好的样本收集系统。在早期,他们随机组合出了很多方案。最终,这个团队经过多次测试,只选定了其中一个系统。这个系统的探测器手臂往外伸出,接触岩石后,可以钻取15克样本,装入洁净的管子后再密闭送回探测器内。为了降低样本暴露在火星空气中的时间,并减少整个过程中可能出现的污染,操作时长不能长于一个小时。

    新的火星探测器会预留出一些空间,好装载30多根密闭金属管(约14厘米长,2厘米宽)。除此之外还要准备一些制作精良的管子,它们填充着铝网或者陶瓷,好捕捉环境污染物。在飞去火星的路上,就可以直接使用这些管子了,打开一个,好测试在旅途中宇宙飞船本身会蒸发出什么污染物质。到达火星时,就可以把这根管子密封上,再把其他的金属管按一定顺序暴露在火星表面。这样就可以收集火星中不同位置的化学成分。返回地球后,科学家就可以通过对比取样管和环境污染物收集管,确定钻取的样品是否被污染了,甚至可以追溯出是什么时候被污染的。

    花24亿美元,把火星岩石搬回地球

    为了保障地球上的微生物不会污染其它行星,航天器上的用水已经达到了令人惊讶的水平。早在上世纪70年代时,海盗号(Viking)火星探测器的关键仪器就使用了溶剂清洁,还用氦气对它烘烤了四天。欧洲航天局的ExoMars火星探测器也计划使用类似的保护清洁,它也会在2020年发射升空,寻找过去的生命迹象。中国也计划在2020年发射自己的火星探测器,但这套探测器不具备探测生命的功能。

    在2020年的任务中,NASA的工作重点是必须提供超高的保护标准,确保样品科学完整地返回地球。NASA的行星保护官员Cassie Conley表示,他们会仔细工作,像当时对待阿波罗号(Apollo)宇航员带回的月球岩石一样,对待从火星带回来的样品,甚至,还会提高工作的标准。

    实际上,宇宙飞船没有办法保障完全干净。相反,科学家们的任务是决定他们可以忍受的污染是什么样的水平。有机和无机材料都必须保持在一定范围内,例如,一个咨询小组建议,任何样品中的总有机碳含量不要超过十亿分之四十。

    可惜,样品不可避免地会被钨污染,因为钻头是由氮化钨制成的。这意味着,未来的科学家不能使用依赖钨和铪的放射性衰变系统来确定火星岩石的年龄,他们将不得不选择其他替代方案。McSween说:“将来我们需要接受这一点。”

    还有一点也需要注意,当金属管在火星表面等待被其他飞行器带回地球时,它们会经历怎样的高温考验。在Farley的要求下,McSween和他的小组会分析,在不同的温度下,样品会丢失什么科学信息。他们总结出,60℃是可以接受的上限,温度再高,一些有机化合物就会降解,有些矿物也会分解,这个过程发生的变化,可能会对未来的研究造成威胁。因此,工程师们决定,将这些金属管用氧化铝包裹起来,从而反射阳光保证它们的温度在60℃以下。

    目前NASA还没有将样本带回来的计划,但是当新的探测器抵达火星地面时,研究者们会使用一套技术,测试火星上是否曾经存在生命。他们会寻找氨基酸,蛋白质前体,以及其他复杂的有机化合物。当然,关键分子的同位素比值也可以作为参照,地球上的这些分子就是提供生物活动过程的一种替代信号。

    要完成这一系列的动作可不容易。Farley是一位研究宇宙射线如何改变岩石的地球化学家,他担心,在火星表面的环境中暴露上百万年的时间,可能会使曾经的有机化合物遭受分解。要想获取最佳的样本,或许得瞄准火星悬崖底部的区域,在那里,岩石从高处掉落时会破裂开,新鲜的物质会暴露出来。

    目前,在火星上的4.5年里,“好奇号”只钻了15个洞,行使了超过16公里的路程。新的火星探测器团队计划,未来会以更快的速度完成更大量的工作。Farley说:“很明显,我们必须保持一个非常高的工作效率才行。时间不允许我们坐下来慢慢讨论要在哪里钻孔。”

    把样品带回地球

    到2017年2月时,设计团队需要把这项任务的相关设计再审查一遍。如果审查通过,JPL会按方案继续建设科学仪器、采样系统和其它部分的硬件。探测器制造完成后,会在2020年7月左右做实体测试。

    NASA还没有确定什么时候样品会被取回地球,但总部管理人员已开始暗示,他们想在2022年发射新的卫星,取代之前已经老化的卫星,从而继续为未来的研究铺路。此后,可能就会考虑将火星样本带回地球了。

    现在,NASA的新计划也在推进,他们资助了一些关于在火星上发射飞行器的研究,这些飞行器会携带着一小包样品(可能是保龄球般大小)进入火星轨道。此时,一艘新的航天飞行器就会在这个轨道上收集来自火星的包裹,把它们带回地球,可惜,目前,这艘新的航天飞行器还没有明确的计划。

    Farley说,在上个世纪80年代时,他们就已经开始认真讨论如何把火星上的样本带回地球了。当时,NASA估计需要10年的时间才能完成。现在,好像还要等10年才能真的把火星的样本带回地球,Farley还说:“但至少我们现在开始做了。”

    撰文Alexandra Witze

    翻译闫亢

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