中国的天问三号任务:探索火星与生命的秘密

2021年5月14日,中国的天问一号探测器成功降落在火星乌托邦平原,展现了中国在行星探测领域的工程实力。随着着陆器的安全着陆,中国成为除了美国以外,唯一一个成功在火星着陆的国家,进一步巩固了其在宇宙探索中的重要地位。此次任务的成功,为中国的更大雄心奠定了基础,令人期待的天问三号任务也在规划之中。

天问三号计划于2028年晚些时候从海南的文昌航天发射场以两枚长征五号火箭发射。一次发射将负责运送天问三号的着陆器,另一枚则将运送火星轨道器及地球回归载具。此次任务的核心目标是收集火星的岩石和土壤样本,并将其送回地球,让后续研究有可能重新定义我们对生命及其在宇宙中的位置的理解。

香港大学的天体生物学教授李逸良表示:“天问三号将是第一个试图从另一个星球带回物质以寻找生命迹象的任务。”这项任务得到了广泛的期待,特别是在科学界,科学家们对从火星获取的样本涵盖生命存在的可能性充满希望。

天问三号将采用与天问一号相似的方式在尚未确定的着陆区域降落。但由于航天器工程的复杂性,着陆地点需选择在火星北半球的中纬度地区,并且在平均海拔以下至少三公里的高度,以确保稀薄的火星大气能够有效减缓天问三号的下降速度。

着陆器将使用中国在登月探测中获得的成熟技术,深入地面两米以获取地下样本,并采集表面材料。此外,类似于美国国家航空航天局的创新号无人机,天问三号将配备一架直升机,用于在着陆点周围100米内收集其他精选的岩石和松散物质样本。

着陆器将在火星表面操作约两个月,期间将利用诸如地面穿透雷达和拉曼光谱仪等科学设备,进一步收集关于所采集样本的地质背景数据。最终,天问三号将点火一枚固体火箭助推器,将至少500克的样本送入火星轨道,以与正在等待的轨道器返回载具对接。预计这些样本将在2031年返回地球。

一旦样本到达地球,将立即进行保险和运输至专门建造的火星样本实验室,进行细致的分析,同时严格遵循“行星保护”政策,以防止潜在的外星物质交叉污染。

天问三号的科学目标不仅包括研究火星内部,还涉及其稀薄大气的研究。然而,科学家们最期待的是该任务可能揭示火星曾经存在或目前仍然存在生命的线索。如果在火星上确实曾经存在生命,天问三号的样本可能会包含各种生命存在的迹象,即所谓的生物特征。

李逸良指出,生物特征的证据可能有多种形式。例如,科学家们将寻找火星生物体直接产生的分子,以满足已知的生化功能,这些功能类似于地球生命依赖的DNA和RNA分子,后者用于储存和传递遗传信息。此外,还将留意生物源同位素分馏的现象——生物体如何改变其生态系统中稳定同位素的自然比率。在地球上,生化过程如光合作用偏好轻同位素碳-12,而非重同位素,从而导致这些同位素与周围环境的比例发生可检测的变化。第三种方法是寻找化石证据,例如微生物在细粒沉积岩中可能留下的印记。

英国开放大学的行星科学与探索教授马赫什·安南认为,中国在火星探索方面将重心放在寻找生命的潜在迹象上是一个值得称赞的雄心目标。“这是我们多年来一直建议的方向:寻找生物活动的迹象,甚至只是理解火星是否有可居住的环境。全球行星科学界都渴望得到这些问题的答案。”

中国的这种探索方法在某些方面比美国主导的火星样本返回任务(MSR)更为简单,后者是美国国家航空航天局和欧洲空间局的联合项目。美国的探测车“毅力号”已经在火星表面工作了四年,其任务是在杰泽罗陨石坑中优先选择采集样本的地点,这里有古老的河流三角洲和其他复杂的地质特征,可能保存过去生命的证据。

相比之下,天问三号的样本采集将限于其降落地点周围的空间,这可能更单调平坦,虽然在地质方面显得不那么吸引人,但却更容易降落。天问三号的着陆椭圆区域——最有可能着陆的区域——大约为50公里乘20公里,因此在任何特别有吸引力的目标上精准着陆的可能性很小。

然而,由于其更复杂和更高的成本,MSR项目在特朗普总统执政期间面临取消的威胁,尤其是在经历了数年的延迟和成本超支之际。虽然特朗普政府提议将NASA的科学资金削减近一半,但如果MSR项目被取消,将对NASA的科学研究造成数次严重打击。

“Thereason why NASA went with Perseverance as this first step was so that you would have this curated, intentionally selected and well-recorded process and contextual process of where these rocks came from,” Casey Dreier说道。他是行星学会的政策主任,“我并不是要贬低中国机器人计划的成就,但总的来说,我认为其许多框架被特定象征和能力所驱动,而不是直接的科学回报。”

然而,尽管天问三号在科学目标方面对问题的限制在某种程度上相对较小,但中国这一循序渐进的方法仍然使其能够在火星土石样本采集上保持领先地位,而美国更复杂的MSR计划却在困境中挣扎。

“有必要在当前时刻,美国与其盟友一起继续在这些大胆的、能够可能带来历史性发现的努力上进行投资,”Dreier认为。”如果白宫如其所愿,’毅力’的样本可能会在更复杂、更昂贵且遥远的人类航天计划之后才会返回地球。”这意味着中国在此情况下,将更有机会在太空探索中取得重大突破。

对于中国来说,探索火星的天问三号任务是其更广泛的、涵盖整个太阳系的天问计划的一部分。天问计划不仅包括已发射的天问二号,该任务前往近地小行星和彗星,还有天问四号,计划于2029年发射,目标是木星系统及其引人注目的伽利略卫星卡利斯托。未来的天问系列任务,还包括对冰巨星天王星和海王星的探索任务正在考虑之中。

李逸良表示,天问三号是天问项目中最引人注目的项目,部分原因在于其通往火星及返回的路径十分清晰。虽然目标雄伟,但看似完全可达。他指出:“了解人类在太阳系以及宇宙中的位置对于人类而言是重要的,因为这将标志着人类历史的深刻里程碑。”

对于即将尝试从火星带回第一批样本的中国而言,其中可能蕴藏着首次发现外星生命的证据,这一里程碑正悄然向我们走来。

图片源于:scientificamerican