NASA 是如何确定最理想的火星着陆点的？

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编者按：7月30日，美国国家航空航天局（NASA）从佛罗里达州发射了“毅力号”火星探测器，并预计于明年2月在火星杰泽罗陨石坑以壮观的“空中起重机”方式着陆。NASA是如何最终确定最理想的火星着陆点的？本文原标题是How NASA Found the Ideal Hole on Mars to Land In，作者Kenneth Chang在文章中针对这一问题进行了详细介绍。

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2015年火星勘测轨道飞行器（Mars Reconnaissance Orbiter）拍摄的杰泽罗陨石坑。图片来源：NASA/JPL-Caltech/University of Arizona

16年前，美国布朗大学（Brown University）研究生卡莱布·法塞特（Caleb Fassett）在火星上发现了一个有趣的洞穴。

今天的火星，气候寒冷而干燥，但它最早却不是这样的。根据在火星上拍到的图像资料显示，其中存在明显的迹象，表明这个星球在过去更温暖湿润的时候，有液态水流动的证据。

这张图片（见下图）由美国国家航空航天局（NASA）发射的奥德赛（Odyssey）火星探测器所拍摄。图片中能看到一条蜿蜒的干涸河道，它通向的是火山口的一侧。而在火山口的另一侧，部分边缘已经坍塌，仿佛被流水冲走一样。

两侧之间，则是一个巨大的圆形凹陷。

“从几何学上来说，这个地方曾经只可能是一个湖泊。”法塞特说。如今，法塞特是NASA位于美国阿拉巴马州北部城市亨茨维尔（Huntsville）马歇尔太空飞行中心（Marshall Space Flight Center）的一名行星科学家。

这个曾经是湖泊的地方，被取名为“杰泽罗（Jezero）”。杰泽罗陨石坑的直径约30英里（合约48公里），NASA将把这个陨石坑作为着陆点，进一步探索火星上是否存在生命迹象。

当地时间7月30日，NASA在佛罗里达州发射了“毅力号（Perseverance）”火星探测器，并预计于六个半月过后在火星表面着陆，着陆点就是杰泽罗陨石坑。

在“毅力号”之前，NASA曾经于2011年成功发射了“好奇号（Curiosity）”火星探测器。在“好奇号”着陆后不久，它就发现了宜居湖泊的明确迹象。

不过，“毅力号”却配备了不同的仪器，旨在探索并回答一个更难的后续问题：很久以前，火星上是否真的有生命存在？

于是，带着这个问题，“毅力号”火星探测项目的科学家决定，他们要让“毅力号”在杰泽罗陨石坑这个最理想地点着陆，并完成后续的探索任务。

“毅力号”火星探测器计划着陆点杰泽罗陨石坑（上图中白色虚线区域）。在目标着陆区域的左上方，那个细小的圆形是一个三角洲。顺着三角洲往左上方向看，能看到清晰的河流峡谷地貌。图中下方黄色线路为“毅力号”漫游车的计划行径路线。图片来源：NASA & Jet Propulsion Laboratory

“火星人”的幸福家园

没有人期望在火星上找到恐龙化石、鲨鱼牙齿或者贝壳等证据。如果火星曾经真的有生命存在，它很可能类似于早期地球那样。因此，值得关注的是，海洋、湖泊和河流中是否存在单细胞微生物。

即便是在地球上，这些微生物也没有留下可识别的化石。这种远古生命的证据很难辨别，并且有关争论也相当激烈。

不过，火星探索科学家却认为，他们或许能在岩石中探测到可能与微生物相关的信息。

液态水，是生命存在的必要条件，而杰泽罗陨石坑只是火星上数百个曾经是湖泊的地方之一。科学家之所以会关注这个陨石坑，是因为35亿年前，这里有河流汇入。

即便在奥德赛探测器拍摄的分辨率不够清晰的照片中，法塞特也能在陨石坑中看到泥土因河流沉积作用而形成的冲积扇。

休斯顿月球与行星研究所（Lunar and Planetary Institute）科学家肯达·林奇（Kennda L. Lynch）称，杰泽罗陨石坑中“美丽的三角洲沉积物”可以从三种不同的环境来保留生命存在的迹象：上游的溪流和小湖泊；杰泽罗湖泊本身；或者因外力作用而转变为地表水的地下水。

“我们都知道，在地球上这些类型的沉积物中都存在有机物。”林奇称。他研究了美国犹他州部分干涸的湖泊，这些湖泊可能与杰泽罗陨石坑过去的样子相似。

今年5月，肯尼迪航天中心（Kennedy Space Center）的工程师正在向“毅力号”漫游车底部安装39根样本管道。图片来源：NASA/JPL-Caltech/Agence France-Presse — Getty Images

在杰泽罗陨石坑中，看起来像是湖滨线的地方，还可以看到被称为碳酸盐的矿物沉积物，它看起来也非常像浴缸四周的污渍圈。碳酸盐可能类似于地球上的石灰岩，石灰岩通常由海底沉积物形成，并且其中通常都有化石。

虽然不涉及生物学的化学反应可以形成碳酸盐，“但这种碳酸盐的明显特征，可能表明某种微生物生命的存在。”林奇说。

这个堆有湖泊沉积物的地方，可能是“火星人”的幸福家园。

至少在地球上，湖底可以形成多层微生物，并且有生物体分泌的粘液固定在一起。如果杰泽罗陨石坑中也存在类似物的话，微生物的生物分子现在很可能已经腐烂掉了。

不过，在一层微生物叠加在另一层微生物的过程中，它们可能会在岩石中留下类似于地球岩石中发现的波浪形图案。

“如果你现在观察那些岩石，你可能不敢确定它是否存在潜在的生物特征。”“毅力号”火星探测项目其中一位副研究科学家凯瑟琳·斯塔克·摩根（Kathryn Stack Morgan）称。

“然而，如果你把图案纹理、其化学成分、矿物学特征以及有机碳的分布结合起来考虑的话，你就有理由相信，那块岩石只可能是在生命的影响下形成的。”摩根补充说。

如果在火星漫游车上配备一台相机和一台显微镜，就能够看到这样的图案。借助另一种仪器，将一束X光射向岩石，还可以测量岩石每层中的元素，并协助确认其中是否由不同的矿物质组成，或者只是表面的污迹。

“毅力号”的任务之一，就包括收集岩石碎片，并且由后续发射的航天器将它带回地球。随后，科学家们就可以进一步观察这些样本，并从中探索过去生命的迹象。

“洞穴锦标赛”

6年前，研究火星的科学家展开了一场激烈的争论，讨论火星探测器到底应该在哪个地方着陆。这一场争论背后，最开始有30多个备选着陆点方案。

对于每个潜在的着陆点，科学家都会像律师陈述法律案件一样，提出并展示他们所支持的论点。

除了杰泽罗陨石坑之外，其它备选着陆点还包括埃伯尔斯瓦德陨石坑（Eberswalde，另一个形成了三角洲的干涸湖底）、霍顿陨石坑（Holden，一个古老的撞击坑，其大小与北美五大湖中第二大湖的休伦湖相当），以及茅尔斯峡谷（Mawrth Vallis，一个曾经可能非常湿润的神秘山谷，但没有迹象表明其水源来自哪里）。

蒂莫西·古奇（Timothy A. Goudge）是法塞特的师弟。在着陆点研讨会期间，他也支持将杰泽罗陨石坑作为最理想的着陆点，这场会议也像是一场关于火星洞穴的疯狂锦标赛。

“相比于传统的科学会议，这场研讨会很明显更加紧张，并且强度也非常大。”古奇说。

古奇如今是得克萨斯大学奥斯汀分校（University of Texas, Austin）的一名地球科学教授，他主要研究是否有可能通过识别三角洲沉积物中的矿物质，从而弄清其上游起源。

古奇称，这种“源汇分析对于了解地球上的系统而言是非常常见的。”

如果可行的话，古奇就会进一步调查这些矿物质是否随着时间的推移而发生了化学变化。或者说，它们只不过是从露头岩上剥落下来的岩石碎片，随后被冲进了这个陨石坑，并且几乎保持了原样。

“精神号”漫游车于2005年在古瑟夫撞击坑边缘拍摄的日落。图片来源：NASA/JPL/Texas A&M/Cornell

法赛特已经确定了两个流入杰泽罗陨石坑而形成的三角洲：其中一个较大的在陨石坑的西边，另一个较小的侵蚀较严重的则位于北边。古奇发现，这两个三角洲中含有不同的矿物质，这也反映了沉积物存在不同的来源。

至于粘土和碳酸盐等通常是二氧化碳和液态水相互作用而形成的矿物质，这也进一步表明，这曾是一个酸碱度都不高的淡水湖。这即意味着，这里曾经是一个适合生命存在的地方。

加州理工学院（California Institute of Technology）教授贝瑟尼·哈曼（Bethany L. Ehlmann）最初也支持把杰泽罗陨石坑作为潜在的着陆点。然而，她随后建议古奇在审查候选着陆点的研讨会上陈述相关科学依据。

“她当时说，‘我也会陈述一系列相关依据。我觉得你也可以这样做。毕竟，你在这一方面，你一直保持着有关方面的研究。’”古奇回忆称，“于是我就答应了。”

2017年，“毅力号”火星探测项目的科学家将潜在着陆点缩小至了三个备选方案。最后，杰泽罗“摘得桂冠”。

“我感到非常自豪。”古奇说，“知道我所从事的科学工作很有趣，并且同事们也非常认可这个着陆点过后，我个人也感到非常满意。”

与杰泽罗陨石坑一同“角逐”的另外两个备选着陆点，分别是之前NASA发射的“精神号（Spirit）”火星探测器着陆地点古瑟夫撞击坑（Gusev Crater）哥伦比亚山脉，以及一个古火山遗址大瑟提斯高原（Syrtis Major Planum）东北部。后者之前可能存在温泉和融化的积雪，这对一部分微生物而言，也是潜在的宜居生存环境。

科学团队后来又增加了一个备选着陆点。这个着陆点大致位于杰泽罗陨石坑和大瑟提斯高原东北部的正中间，因此也被赋予了“中途岛（Midway）”这个非官方名字。

中途岛拥有和大瑟提斯高原东北部类似的地质环境，但由于其位置与杰泽罗陨石坑并不远，如果火星漫游车续航水平足够高的话，那么“毅力号”完全可以同时探索这两个地方，这也算是“一举两得”的事情了。

2018年11月，在最后一次研讨会举行一个月后，NASA正式作出了决定，宣布选择杰泽罗陨石坑作为其火星探测新任务的着陆点。

没有提前获知任何消息的古奇称，在听到这一消息过后，他立即关上了办公室房门，坐在电脑面前听NASA宣布的这条消息，并且“在看的过程中，一直在控制自己激动的心情。”

NASA科学任务理事会副主任托马斯·泽布臣（Thomas Zurbuchen）并没有故意把这个悬念拖长。“大家好。”泽布臣在新闻发布会上开始道，“我在此宣布，NASA 2020年火星探测任务的着陆点是杰泽罗陨石坑。”

古奇说，他听到这则消息过后，既没有立即欢呼起来，也没有兴奋地跳了起来。“我可能更喜欢舒适地倚靠在椅子上。”古奇说。

随后，他收到了大量的祝贺邮件和短信。

为“毅力号”而模拟练习

今年2月，作为这次发射准备工作的一部分，科学家们也参与了模拟如何借助“毅力号”在火星上寻找生命迹象的练习。当然，火星漫游车和相关设备还没有抵达火星，并且也无法使用，它们都已经进入了最后的准备环节，准备开启其星际之旅。

位于内华达州的沃克湖（Walker Lake），部分湖泊水域早在数万年前就已经干涸，也因此成为了杰泽罗陨石坑的“完美替身”。在为期两周的时间里，一组由7人组成的科学家团队扮演了漫游车的角色，负责实地收集照片和相关数据信息。

除了这7位科学家之外，还有一个由另外150名科学家组成的团队。其中一部分成员位于加利福尼亚州的NASA喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory），这个实验室主要负责“毅力号”的操作；其他成员则分布在世界各地。

每天，这150名科学家组成的团队，主要负责审查前一天收集的照片及数据信息，并据此提出一套新的科学观察结果。

重达2200磅（约1吨）的“毅力号”漫游车和“独创号（Ingenuity）”火星直升机。图片作者：Eleanor Lutz；图片来源：NASA

如果某峭壁一侧值得详细地探索，科学家们可能会要求进一步探索和收集相关信息。沃克湖部分湖域布满了叠层石，这种柱体结构为主的岩石，主要体现为微生物席形成的波浪形图案。

远程科学家们会向内华达州实地收集信息的科学家们发送指令，随后七人科学团队则会模仿漫游车的工作方式从事相关探索任务。

在内华达州实地模拟任务的湖床中发现的叠层石。图片来源：NASA/JPL-Caltech

具体而言，包括将一个手持式X射线工具对准岩石，从而模仿“毅力号”有关设备采集数据的工作，以及启动一个类似婴儿车的配置有探地雷达的装置。

“我们的任务，就是把所做的工作当作是电影布景，”沃克湖七人科学团队负责人雷蒙德·弗郎西斯（Raymond Francis）说，“总之，镜头前不应该出现的东西，绝对不允许出现。我们最重要的工具之一，就是在一元店买的扫帚，主要用来抹掉脚印。”

今年2月，科学家在内华达州沃克湖干涸湖床模拟“毅力号”火星探测任务。图片来源：NASA/JPL-Caltech

弗朗西斯还称，远程科学家团队在审查并识别有关岩石的工作方面，做得非常仔细。一些细节信息，比如在某层沉积物中的黑色小斑点，都逃不过他们的“法眼”。他们还要求现场团队检测其成分。结果显示也非同寻常，其中磷含量特别高。

后来证实，这些黑色斑点是古老鱼类生物的骨头。

“值得开心的是，他们并没有错过什么。”弗朗西斯称，“如果在杰泽罗陨石坑发现鱼骨或者贝壳的话，那我们的任务肯定会调整并聚焦在这个发现上。”

“杰泽罗”这个名字背后有什么故事？

在众多关于杰泽罗陨石坑的奥秘之中， 有一个与火星毫无关联。似乎没有人还记得，到底是谁给这个陨石坑取的名字。

在号召为这个陨石坑命名的人士中，美国俄亥俄州凯斯西储大学（Case Western Reserve University）地质科学教授拉尔夫·哈维（Ralph P. Harvey）是最早一批人士之一。他也是曾经提议选择杰泽罗陨石坑作为“好奇号”火星探测器着陆点的科学家。

“我已经厌倦了把它称之为‘尼利福萨地区（Nili Fossae）的那个陨石坑’。”哈维说。尼利福萨是杰泽罗陨石坑周围更广泛的断裂区域。

于是，哈维转向国际天文学联合会（International Astronomical Union）。一直以来，该联合会都在为火星上的陨石坑命名。

对于直径超过50公里的陨石坑，都是以人口少于或等于10万的小城镇来命名的。有了这一前提标准，实际上就存在大量备选名称，并且一般都不会引起争议。

虽然与陨石坑同名的小城镇可能会认为这是一种荣誉，但该联合会并不打算为此举行任何的纪念仪式。

哈维提供的两个命名建议，分别是与威斯康星州的小镇同名的凯南（Kennan），以及与俄亥俄州小镇同名的诺瓦提（Novelty）。

法赛特则建议用与埃及某小镇同名的提达（Tida）来命名。

据国际天文学联合会行星系命名工作小组组长丽塔·舒尔茨（Rita M. Schulz）称，根据她所手中的记录显示，最初这个陨石坑被命名为与波斯尼亚小城镇同名的斯托拉茨（Stolac）。然而，由于上个世纪90年代这个小城镇在波及全国的战争中遭到了破坏，因此“这个名字随后被认为是不安全的选择”。

这份记录并没有显示是谁提出了将陨石坑命名为斯托拉茨的建议。不过，舒尔茨称，另一个提名方案，即选择与波斯尼亚小镇杰泽罗同名的方案，肯定是由已故科学家、时任某负责火星地理名称命名的小组负责人布拉德福德·史密斯（Bradford A. Smith）提出的。

“毅力号”火星探测科学团队的约375名团队成员中，并不包括法赛特和古奇。

法赛特目前的核心工作基本上已经转移至太阳系的其它领域，特别是地球的卫星月球，而古奇还处于其行星科学生涯相对早期的阶段。

不过，两人都向NASA提交了有关提案申请，希望加入“毅力号”火星探测科学团队，成为NASA所称的杰出贡献科学家。不过，他们都没有收到来自NASA的反馈或邀请。

虽然法赛特对所有的火星探测项目都保持极高的兴趣，但最让他感兴趣的，仍然是“毅力号”。其中，最特别的当属杰泽罗陨石坑了。

“所有方面都非常棒。”法赛特说，“但对于杰泽罗陨石坑而言，我和它之间的特殊情感联系还是比较独特的，这也是情理之中的，对吧？”

译者：俊一

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