生命之謎是火星探索的終極目標(biāo)之一。好奇號(hào)火星車通過對蓋爾隕擊坑的探測，獲得了古湖泊宜居性環(huán)境與有機(jī)物保存的關(guān)鍵信息，為未來火星探測與行星宜居性研究指明方向。

本期星際征途聚焦好奇號(hào)火星探測任務(wù)，作者劉長卿是山東大學(xué)空間科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副研究員，專注行星光譜學(xué)，深度參與我國月球和火星探測任務(wù)。

專欄主持人：李薦揚(yáng)

水是地球生命存在的必要條件?；鹦堑纳衩丶t色早在望遠(yuǎn)鏡時(shí)代就已引發(fā)遐想，19世紀(jì)天文學(xué)家對“火星運(yùn)河”的誤讀雖被證實(shí)為光學(xué)錯(cuò)覺，卻埋下了人類探索火星液態(tài)水的引線。20世紀(jì)后期，海盜號(hào)和火星全球勘測者號(hào)（MGS）的發(fā)現(xiàn)讓科學(xué)家意識(shí)到火星曾存在液態(tài)水。進(jìn)入21世紀(jì)，勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)在火星表面找到含水礦物，進(jìn)一步證實(shí)了火星歷史上（幾十億年前）液態(tài)水的存在。而好奇號(hào)的誕生，正是為了采用更全面的探測技術(shù)更系統(tǒng)地解碼火星的水文歷史與宜居性潛力（如液態(tài)水、酸堿度等）。

作為古湖泊干涸后遺跡的蓋爾（Gale）隕擊坑，成為探索火星潛在生命痕跡和宜居環(huán)境的天然實(shí)驗(yàn)室。2012年8月，火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（MSL）任務(wù)攜帶好奇號(hào)火星車踏上這顆紅色星球，在這片干涸湖泊區(qū)域展開巡視，旨在探索火星古老的宜居環(huán)境特征，甚至可能存在的生命痕跡。隨著探測數(shù)據(jù)的不斷返回和科學(xué)家的解譯，蓋爾這一火星古湖泊的神秘面紗正逐漸被揭開。

? 好奇號(hào)著陸點(diǎn)遴選  蓋爾隕擊坑的“大考” ?

作為美國航天局（NASA）的旗艦任務(wù)（Flagship Program），好奇號(hào)火星探測任務(wù)啟動(dòng)之初就受到廣泛關(guān)注。好奇號(hào)火星車的著陸點(diǎn)選擇過程，從2005年任務(wù)規(guī)劃啟動(dòng)至2011年7月確定，歷時(shí)約6年。

著陸點(diǎn)遴選工作圍繞“工程安全性”與“科學(xué)研究價(jià)值”兩大核心維度展開評估。

從安全角度考慮，著陸點(diǎn)需位于南北緯±30°內(nèi)，以保障設(shè)備溫控；要處于海拔較低區(qū)域，以保證有足夠的大氣可以使著陸器減速；地形要平緩，以確保著陸與巡視穩(wěn)定；石塊分布要適中，如果石塊過多，很容易在著陸過程中撞擊到底部護(hù)板，導(dǎo)致安全隱患；且地表需具備承載能力，防止火星車側(cè)翻。

從科學(xué)價(jià)值角度，好奇號(hào)火星車的核心任務(wù)是評估著陸區(qū)歷史上是否存在宜居環(huán)境的潛力，包括區(qū)域地質(zhì)特征與礦物多樣性、明確的區(qū)域地質(zhì)背景及生物標(biāo)志物的保存條件等，以此支撐對火星宜居性潛力的探索。

MSL的詳細(xì)遴選過程

2006年，首屆MSL著陸點(diǎn)工作會(huì)議提出約35個(gè)著陸點(diǎn)，包括耶澤羅（Jezero）隕擊坑、茅爾斯（Mawrth）峽谷、梅拉斯（Melas）峽谷等，并按優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序，由已進(jìn)入軌道但尚未開始探測的火星勘測軌道飛行器（MRO）進(jìn)行成像；

2007年，基于MRO一年內(nèi)采集的圖像數(shù)據(jù)，候選著陸點(diǎn)增至50個(gè)，隨后從中選定埃伯斯瓦爾德（Eberswalde）隕擊坑、霍爾登（Holden）隕擊坑、茅爾斯峽谷、宮本（Miyamoto）隕擊坑、尼羅（Nili）塹溝群、子午（Meridiani）高原北部等6個(gè)區(qū)域，由MRO繼續(xù)開展軌道成像并深入研究；

2008年，基于MRO新數(shù)據(jù)，新增蓋爾隕擊坑作為第7個(gè)候選著陸點(diǎn)，經(jīng)科學(xué)價(jià)值評估后，從中選定埃伯斯瓦爾德隕擊坑、蓋爾隕擊坑、霍爾登隕擊坑、茅爾斯峽谷等4個(gè)候選點(diǎn)；

2009年，結(jié)合大量新遙感數(shù)據(jù)，新增尼羅塹溝群的碳酸鹽單元、水手號(hào)（Marineris）峽谷群等7個(gè)候選點(diǎn)，其中大瑟提斯（Syrtis Major）高原東北部和珍珠（Margaritifer）臺(tái)地東部2個(gè)區(qū)域被選中進(jìn)行詳細(xì)分析，但因工程實(shí)施安全問題而未納入最終候選；

2010年，通過專題研討會(huì)詳細(xì)評估上述4個(gè)候選點(diǎn)（埃伯斯瓦爾德隕擊坑、蓋爾隕擊坑、霍爾登隕擊坑、茅爾斯峽谷等）的科學(xué)研究價(jià)值；

2011年，經(jīng)評審確認(rèn)4個(gè)候選點(diǎn)均符合行星保護(hù)準(zhǔn)則（避免行星探測任務(wù)帶來的有機(jī)成分及生物污染等），同年7月，蓋爾隕擊坑最終由NASA總部選定為MSL著陸點(diǎn)。

好奇號(hào)火星車的著陸點(diǎn)遴選過程

（圖片來源：NASA）

所有提出的著陸點(diǎn)（紅點(diǎn)）及4個(gè)最終候選點(diǎn)（藍(lán)點(diǎn)）。在埃伯斯瓦爾德隕擊坑、蓋爾隕擊坑、霍爾登隕擊坑和茅爾斯峽谷4個(gè)最終候選點(diǎn)中，蓋爾隕擊坑最終被選定為著陸點(diǎn)。白色和灰色陰影區(qū)域是超過南北緯30°的區(qū)域（過冷），黑色掩蓋區(qū)域?yàn)楹０纬^0千米的區(qū)域（海拔過高。其余低地海拔為負(fù)），不適合著陸。

? 好奇號(hào)火星車  蓋爾隕擊坑的移動(dòng)科考平臺(tái) ?

作為NASA火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（MSL）任務(wù)的核心組成部分，好奇號(hào)是人類探索火星宜居性潛力的“先驅(qū)”。2011年11月26日，它搭乘火箭掙脫地球引力，歷經(jīng)8個(gè)半月的星際巡航，于2012年8月6日精準(zhǔn)降落在火星蓋爾隕擊坑。這片承載著火星早期水文痕跡的盆地，迎來了人類派駐的“移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室”。

按原計(jì)劃，好奇號(hào)的任務(wù)周期為1個(gè)火星年（約687個(gè)地球日），但憑借超乎預(yù)期的設(shè)備穩(wěn)定性與持續(xù)涌現(xiàn)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，它至今仍在超期服役。

好奇號(hào)的核心使命直指一個(gè)關(guān)乎行星演化與生命起源的根本命題：火星是否曾擁有足以支撐微生物生存的宜居環(huán)境？為解答這一問題，好奇號(hào)搭載了10余種尖端設(shè)備，構(gòu)成了一套多維度的火星“移動(dòng)科考平臺(tái)”。

“火眼金睛”解碼地質(zhì)密碼：桅桿相機(jī)（Mastcam）以高分辨率捕捉可能與水活動(dòng)相關(guān)的巖層紋理；化學(xué)與礦物學(xué)X射線衍射儀（CheMin）、阿爾法粒子X射線光譜儀（APXS）、化學(xué)相機(jī)（ChemCam）則通過光譜學(xué)技術(shù)，精準(zhǔn)解析巖石與土壤的礦物組成和化學(xué)成分，從黏土、硫酸鹽等的分布解讀遠(yuǎn)古水體的痕跡。

“觸覺與嗅覺”探尋生命線索：靈活的機(jī)械臂配合鉆孔工具（DRT），能靈活地抓取樣品；火星樣品分析儀（SAM）則如同“行星化學(xué)家”，通過質(zhì)譜儀、氣相色譜儀與可調(diào)諧激光光譜儀，細(xì)致分析樣品中的有機(jī)物分子與氣體成分，為尋找潛在生命活動(dòng)的化學(xué)印記提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

“環(huán)境監(jiān)測儀”勾勒環(huán)境全貌：輻射評估探測器（RAD）持續(xù)記錄火星表面的輻射水平，為未來載人探測的輻射防護(hù)體系提供數(shù)據(jù)支撐；火星車環(huán)境監(jiān)測站（REMS）則實(shí)時(shí)追蹤大氣壓力、溫度、濕度與風(fēng)速的變化，出具蓋爾隕擊坑的氣候檔案，還原這片區(qū)域的環(huán)境變遷歷史。

正是這套多維度探測系統(tǒng)，讓好奇號(hào)得以對蓋爾隕擊坑展開全方位的地質(zhì)調(diào)查，讓人類能夠窺見火星早期環(huán)境特征，推測古湖泊可能存在的宜居性潛力，更在巖層與土壤中搜尋著生命可能留下的痕跡。

好奇號(hào)火星車的載荷配置 （圖片來源：NASA）

? ?好奇號(hào)全新發(fā)現(xiàn)  蓋爾古湖泊的宜居性潛力 ?

好奇號(hào)的探測為蓋爾隕擊坑曾存在古湖泊提供了確鑿證據(jù)。其邊緣經(jīng)億萬年侵蝕雕琢，坍塌成階梯狀的崎嶇輪廓；中心則矗立著約5.5千米高的夏普山。從山底平地到山頂巖層，完整封存著火星環(huán)境的變遷史。好奇號(hào)從坑底啟程，沿著古湖床向夏普山緩緩行進(jìn)，逐步揭開了蓋爾古湖泊的宜居性謎題。

蓋爾隕擊坑形貌特征及古湖泊示意圖。上圖為目前蓋爾隕擊坑的實(shí)拍圖（由天問一號(hào)中分相機(jī)拍攝），下圖為蓋爾隕擊坑的古湖泊模擬圖。

評估蓋爾古湖泊的環(huán)境宜居性潛力

好奇號(hào)探測證實(shí)，夏普山平原及山麓地層誕生于河流、三角洲與湖泊環(huán)境，沉積過程延續(xù)數(shù)百萬至數(shù)千萬年。巖層經(jīng)埋藏成巖后，多種成分的地下流體曾反復(fù)滲透其中；除少數(shù)特例，巖石化學(xué)和礦物特征均與地表、地下流體的作用規(guī)律相符——這些流體的溫度、酸堿度與鹽度，在多數(shù)時(shí)期處于支持生命存續(xù)的范圍，佐證了蓋爾隕擊坑曾存在宜居環(huán)境。

好奇號(hào)的行進(jìn)路線圖（左圖）以及MAHLI拍攝的圖像。從圖中可看出，火星表面被大量石塊和細(xì)?；覊m覆蓋，土壤表面十分松軟。

在夏普山底部的黃刀灣區(qū)域（位于風(fēng)成沼地），好奇號(hào)發(fā)現(xiàn)的泥巖樣品成為破解古環(huán)境的關(guān)鍵線索。這類巖石在地球多由泥漿固結(jié)形成。蓋爾隕擊坑的泥巖中，發(fā)現(xiàn)了玄武質(zhì)礦物、鈣硫酸鹽、鐵氧化物/氫氧化物、鐵硫化物、非晶質(zhì)物質(zhì)以及蒙脫石等次生礦物，尤其鈣硫酸鹽通常在低離子強(qiáng)度和近中性的環(huán)境生成，說明泥巖由原生玄武巖（巖漿冷卻結(jié)晶產(chǎn)物）在低溫、近中性、低鹽度的湖泊與地下水系統(tǒng)中，歷經(jīng)數(shù)千至數(shù)十萬年原位水蝕變的過程。鉆孔樣品進(jìn)一步顯示，該區(qū)域巖石水蝕變程度極弱，推測與沉積物搬運(yùn)期氣候偏冷有關(guān)。

好奇號(hào)對泥巖的鉆孔及鉆取的粉末

相較之下，夏普山巖層因長期受成分復(fù)雜的流體浸潤，化學(xué)風(fēng)化作用更為顯著。好奇號(hào)光譜分析表明，巖石中分布有黏土礦物、硫酸鹽等強(qiáng)水蝕變礦物，且觀測到黏土至硫酸鹽過渡地層。黏土礦物的形成需要穩(wěn)定的液態(tài)水與中性至堿性環(huán)境，而硫酸鹽的形成一般需要酸性水環(huán)境。好奇號(hào)的發(fā)現(xiàn)直觀呈現(xiàn)液態(tài)水鹽度、酸堿度的大幅波動(dòng)。此外，探測器路徑上的裂縫填充物中，含水硫酸鈣與硼、錳元素等信號(hào)的發(fā)現(xiàn)，暗示低酸性水溶液曾在此活動(dòng)，為蓋爾隕擊坑的宜居性潛力再添實(shí)證。

ChemCam在蓋爾隕擊坑觀測到的硫酸鈣巖脈及激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）。LIBS是激光激發(fā)下的原子或離子發(fā)射光譜，其峰位與元素種類有關(guān)。圖中可識(shí)別到鈣元素（Ca）和硫元素（S）的譜峰，也就是在白色巖脈中識(shí)別到了富硫和鈣的物質(zhì)，經(jīng)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)這些白色巖脈的成分主要為硫酸鈣。硫酸鈣一般形成于偏中性的水環(huán)境中，可能代表了蓋爾隕擊坑曾存在宜居環(huán)境。

發(fā)現(xiàn)蓋爾隕擊坑的有機(jī)物保存潛力

有機(jī)物是生命的基礎(chǔ)原材料，好奇號(hào)在火星發(fā)現(xiàn)的有機(jī)物可能為生命誕生提供條件，但這類物質(zhì)也可能來自無機(jī)過程——例如隕石攜帶、二氧化碳等無機(jī)分子經(jīng)高壓或催化形成簡單有機(jī)物（如甲烷）。不過，火星表面的高氯酸鹽、紫外輻照及高能粒子通常會(huì)快速降解有機(jī)物，而好奇號(hào)的發(fā)現(xiàn)恰恰說明蓋爾隕擊坑具備保存有機(jī)物的能力。

好奇號(hào)火星車于2025年5月16日觀測到低矮的山脊，其堅(jiān)硬的邊緣可能是由古代地下水形成的。（圖片來源：NASA）

好奇號(hào)通過火星樣品分析儀（SAM）加熱樣品釋放氣體，進(jìn)而檢測有機(jī)分子。在黃刀灣泥巖中，它發(fā)現(xiàn)了二氯烷烴和氯苯，這些分子可能是更復(fù)雜的前體有機(jī)物（如苯甲酸）經(jīng)含氯氧化物熱解降解、氯化后的產(chǎn)物；在夏普山下部樣品中，則檢測到芳香族、脂肪族及噻吩類等多種有機(jī)物，可能來自地質(zhì)難熔大分子有機(jī)物的熱解釋放，或硫酸鹽高溫釋放。2025年，好奇號(hào)在“坎伯蘭”泥巖樣本中進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了癸烷、十一烷和十二烷等長鏈烴類（含10～12個(gè)碳原子）。在地球上，這類分子可能是脂肪酸分解的產(chǎn)物，而脂肪酸是地球生物細(xì)胞膜的關(guān)鍵成分。但在火星上，其來源尚未明確，可能形成于非生物過程（如熱液過程等）。這些有機(jī)物的存在表明火星具備合成復(fù)雜有機(jī)化合物的能力。

這些有機(jī)物能在火星保存至今，核心原因在于泥巖中豐富的黏土和硫酸鹽礦物，可能通過吸附和隔離作用，有效抵御外界侵蝕，為生命化學(xué)痕跡的留存提供了可能。

黃刀灣鉆取樣品中發(fā)現(xiàn)十二烷等長鏈烴類 （圖為MAHLI拍攝的圖片）

? 從好奇號(hào)到天問三號(hào)  火星宜居探索展望 ?

蓋爾隕擊坑（形成于約36億年前）這處古老的湖泊（存在時(shí)間約3萬年）遺跡，封存著紅色星球從宜居期（30多億年前）走向干旱期（現(xiàn)代火星）的變遷軌跡，既是研究火星宜居性潛力的天然樣本庫，更是探尋潛在生命痕跡的核心陣地。好奇號(hào)在此展開的探測，為人類揭開了火星層層面紗的一角：黏土礦物見證了歷史上溫和的古老水環(huán)境，復(fù)雜有機(jī)物的發(fā)現(xiàn)則暗示著生命化學(xué)的可能性。

盡管這些科學(xué)發(fā)現(xiàn)振奮人心，但仍有諸多關(guān)鍵科學(xué)問題待解。

探測到的長鏈烴類，究竟源自生物活動(dòng)，還是熱液活動(dòng)、隕石撞擊等非生物過程？

蓋爾隕擊坑的古湖泊是否擁有長期穩(wěn)定的宜居環(huán)境？

火星表面輻射對有機(jī)物的長期破壞，是否已徹底抹去早期可能存在的生命痕跡？

受限于探測精度，好奇號(hào)無法直接觀測到可能賦存的生命痕跡，這類問題還需更先進(jìn)的原位探測技術(shù)或樣本返回后的實(shí)驗(yàn)室分析才能驗(yàn)證。

如今，好奇號(hào)火星車仍在火星紅色塵土中持續(xù)前行，不斷更新人類對火星宜居性潛力的認(rèn)知；其“繼任者”毅力號(hào)火星車則接過探測接力棒，在耶澤羅隕擊坑探尋古湖泊生命痕跡的同時(shí)，還采集了樣本并計(jì)劃未來送回地球，為實(shí)驗(yàn)室層面深入分析有機(jī)物來源、搜尋潛在生命痕跡創(chuàng)造了新可能。

當(dāng)前世界各國正以更先進(jìn)的探測技術(shù)叩問這顆星球的奧秘，中國亦在探索之路上穩(wěn)步前行——計(jì)劃于2030年前后實(shí)施天問三號(hào)首次火星采樣返回任務(wù)。未來，當(dāng)?shù)厍驅(qū)嶒?yàn)室的先進(jìn)儀器對帶回的樣本展開微觀尺度的深度解析，那些火星車難以捕捉的細(xì)節(jié)，或許會(huì)在實(shí)驗(yàn)室的鏡頭下顯露出生命可能留下的微弱印記，我們離“火星是否存在過生命”這一終極問題的答案越來越近，或?qū)?shí)現(xiàn)從推測到最終確證的歷史性科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

作者簡介

劉長卿

山東大學(xué)空間科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副研究員，主要研究方向?yàn)樾行枪庾V學(xué)與深空探測，主持國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目課題、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題等10項(xiàng)，獲山東省重點(diǎn)人才工程青年專家稱號(hào)。

本文摘編自雜志2025年第10期，文章內(nèi)容略有刪改。

新媒體編輯 | 周濛