本月，美國國家航空航天局（NASA）計劃向紅色星球發射有史以來最新、最先進的任務：火星科學實驗室。在蓋爾隕石坑使用空中吊車進行最後下降的戲劇性著陸後，這輛核動力探測車將在這顆星球上最富含粘土和硫酸鹽的沉積物之一——河流雕刻出谷地網路的水資源豐富時代的遺蹟周圍行駛。
這輛小型汽車大小的探測車（名為好奇號）將花費一個火星年探索隕石坑中央峰的底部，這裡被認為是地質年代最古老的部分。然後，如果美國國家航空航天局批准延長任務，好奇號將開始攀登填滿隕石坑中心的五公里高的碎石堆，沿著地質時間線向上移動，朝向現代形成的沉積物，逐層仔細檢查水成礦物。一個機械臂可以提取樣本，並透過探測車頂部的埠將其送入車載化學實驗室。在內部，分析儀將確定礦物結構和元素組成。這些儀器還可以探測有機物質，並將嘗試確定火星過去是否適宜居住。
火星科學實驗室是過去15年任務進展的邏輯步驟，它建立在旅居者號、勇氣號和機遇號探測車以及最近的著陸器鳳凰號的發現之上。這些任務，以及一系列軌道飛行器，揭示了一個世界，它具有非凡的複雜性和錯綜複雜的歷史，包括湖泊和降雨的過去時代[參見吉姆·貝爾的“紅色星球的含水過去”；《大眾科學》，2006年12月]。即使在目前乾燥、冰凍的狀態下，這顆行星也顯示出活動的跡象。最令人興奮和困惑的是尼利槽溝區域上空甲烷氣體的跡象。行星科學家爭論，如果氣體是真實存在的，它是地質成因還是生物成因[參見蘇希爾·K·阿特雷亞的“火星和泰坦星上甲烷之謎”；《大眾科學》，2007年5月]。今年，火星勘測軌道飛行器揭示了地表條紋，最容易解釋為季節性釋放的鹹水。
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然而，與所有這些奇蹟形成對比的是1976年維京號雙著陸器的嚴峻結論。他們發現火星對於任何生物都異常惡劣。土壤中缺乏水和有機分子，更不用說休眠的微生物了。強大的氧化劑，如過氧化氫和強烈的紫外線輻射，使地表變得貧瘠。對於大多數科學家來說，在火星上尋找生命的探索始於維京號，也止於維京號。
我們如何將這種悲觀的評估與這顆行星毋庸置疑的奇蹟調和起來呢？答案可能在於鳳凰號。它對火星土壤進行的化學實驗，是自維京號以來首次，對維京號的零結果提出了另一種解釋：也許維京號沒有探測到有機分子，是因為分析技術無意中破壞了它們。鳳凰號還發現了近地表水冰，這是行星科學家們假設過但從未實際見過的。我們的鄰居星球可能仍然適宜居住，而不是乾燥和貧瘠。
隨著這些意義逐漸顯現，另一艘飛船也準備跟進，現在似乎是回顧發起星際任務的技術和情感過山車——以及鳳凰號幾乎未能成行的恰當時機。
從灰燼中重生
並非每天都有人打電話來提供免費的航天器。2002年初，美國國家航空航天局艾姆斯研究中心的幾位科學家就這樣做了。他們提醒我，丹佛洛克希德·馬丁公司潔淨室中的一個10英尺的箱子裡裝著一艘封存的勘測者號航天器。它本應於2001年發射，但由於其孿生兄弟火星極地著陸器在1999年12月著陸時失蹤，美國國家航空航天局取消了這次飛行。這次損失對該機構來說是一個沉重的打擊，就在幾周前，火星氣候軌道飛行器在軌道插入機動過程中失蹤，據推測已墜毀。這對我個人來說也是一個打擊：我領導的團隊設計並建造了著陸器的相機。
艾姆斯科學家希望修復這艘航天器，作為美國國家航空航天局新偵察兵計劃的一部分，並邀請我擔任首席科學家。我感到震驚，猶豫了。我參與行星探測十多年了，不斷的旅行、無休止的會議和不停的電話已經失去了它們的刺激，使我無法進行我受過訓練的科學研究。
此外，當時新專案沒有資金，沒有提案經理，也沒有大型機構的支援，距離提案截止日期只有幾個月了。然而，在我心中燃起了帶領團隊尋找那些神奇線索並解開纏繞火星科學的錯綜複雜線索的渴望。在我內心深處，我從不相信維京號著陸器的結果。他們怎麼可能沒有看到任何有機物質呢？它是否可能隱藏在設計合適的新的任務可以找到它的地方？
兩個星期以來，我一直在與自己鬥爭。我必須確定有意義的科學目標。勘測者號航天器被設計為在赤道附近著陸，用機械臂採集土壤樣本，並部署一輛小型探測車來分析附近的岩石。它還攜帶了旨在為最終載人任務做準備的科學儀器。我們無法負擔在偵察兵預算中攜帶探測車，也不必為載人任務做準備。因此，新的儀器可以取代舊的儀器，但選擇將取決於我們尚未定義的基本科學目標。
就在此時，透過一次奇妙的同步，我的亞利桑那州同事威廉·博因頓公開宣佈發現了火星南極冰蓋周圍的近地表水冰。博因頓領導的團隊建造並操作了火星奧德賽軌道飛行器上的伽馬射線光譜儀，這是一種不僅探測伽馬射線，還探測中子的儀器，中子探測土壤上層一米內的氫濃度。該儀器還在北部平原發現了水的跡象，包括位於冬季二氧化碳冰蓋最大範圍處的一小片富含水冰的土壤。（這個冰蓋隨著季節而消長。）我在我的地圖上用X標記了這個地點，並立即開始選擇儀器來跟進這一發現。
地球也有類似的永久凍土帶環繞北極。它是地球的深冷冰櫃，儲存著在那裡生活過的生命形式的特徵。冰層可能已有數十萬年的歷史。我在一次火星極地會議上聽說，哥本哈根大學的埃斯克·維勒斯列夫對格陵蘭冰川冰和西伯利亞永久凍土的樣本進行了DNA分析，發現了植物、動物和其他生物的巨大多樣性。對於火星來說，冰層可能已有數百萬年的歷史，情況會是這樣嗎？
我在亞利桑那大學、美國國家航空航天局噴氣推進實驗室和洛克希德·馬丁公司之間建立了合作伙伴關係。我們將我們的任務稱為鳳凰號，因為我們像神話中的鳥一樣，讓取消的勘測者號任務重獲新生。於是，開始了為期一年半的撰寫提案和與20個其他任務概念競爭的艱苦歷程，最終迎來了美國國家航空航天局審查委員會長達八小時的現場考察。2003年8月，美國國家航空航天局選擇我們成為第一個前往火星的偵察兵任務。2007年8月的發射日期給了我們四年的準備時間。
雷達狂熱
我們打開了航天器的包裝。它看起來像一隻巨大的蝴蝶：它的身體上佈滿了科學儀器，它的兩個巨大的太陽能電池板像展開的翅膀。它蹲在三條腿上；它唯一的附屬物——機械臂——從側面伸出來。
隨後的四年時間裡，我們都在檢查、重新設計、重新檢查和測試，以找出導致其姊妹船厄運的設計缺陷。總共，洛克希德·馬丁公司和噴氣推進實驗室的工程團隊發現了大約25個主要缺陷。雖然找出所有這些漏洞的過程很艱苦，但它仍然比從頭開始建造一艘新的航天器更容易、更便宜，後者會帶來自身的風險。大多數缺陷透過增加加熱器、減小降落傘尺寸和加強結構可以很容易地糾正。有些缺陷需要更改軟體。但有一個缺陷不容易理解或糾正。
著陸雷達是20世紀90年代末從F-16戰鬥機上取下的一個裝置。當我們在莫哈韋沙漠進行測試投放時，該系統在高度上出現了嚴重錯誤，並在不適當的時刻遭受資料丟失。我們諮詢了雷達的設計者霍尼韋爾公司，試圖瞭解其內部工作原理。儘管該公司渴望幫助我們，但這款過時的型號已不再受支援，設計它的員工已經離開，記錄也很粗略。
我們組建了一個由洛克希德·馬丁公司、噴氣推進實驗室、霍尼韋爾公司和美國國家航空航天局蘭利研究中心的工程師組成的突擊隊。透過將計算機模擬與進一步的測試相結合，該團隊緩慢地解決了異常迷宮，以修復缺陷。2006年10月，我們進行了一次測試——它成功了。一切似乎都很好。
然而，我們的希望再次破滅。我們發現，從拋棄的隔熱罩反射的光線可能會混淆雷達，並導致嚴重的高度誤算。天線和開關也被證明容易發生故障。麻煩似乎無窮無盡。到2007年2月，就在我們計劃將航天器與運載火箭整合之前的五個月，我們有65個異常情況正在調查中。
沒有可靠的雷達，發射就成了疑問。美國國家航空航天局的審查委員會密切關注著情況，並擔心我們不斷發現新的故障模式。另一方面，異常的嚴重程度正在減輕。到6月份，我們能夠說服審查委員會和我們的美國國家航空航天局經理，剩餘的風險是可以接受的。儘管如此，這仍然是一場賭博。如果我們一直持續到發射時都在發現弱點，那麼系統中可能會埋藏更多的弱點。
天空中的鳳凰號
2007年8月，我們在肯尼迪航天中心完成了最後的測試，並準備將航天器安裝到德爾塔II型運載火箭上。然後，發生了一個我希望我能忘記的時刻。當起重機將航天器吊到130英尺高的火箭頂部時，一場巨大的雷暴爆發了，安全規章迫使技術人員撤離組裝塔。航天器及其脆弱的電子部件保護不力，在可怕的夏季風暴中懸掛在地面60英尺以上。
暴風雨過後，我們將航天器送回組裝大樓，並拼命檢查其是否損壞。奇蹟般地，我們沒有發現任何損壞。
8月4日清晨，最後的倒計時開始了。我匆匆忙忙地從控制室的內部聖殿跑出來，直接觀看發射。當時是凌晨5點15分，星星清晰可見。火星在東方明亮地招手。突然，建築物亮了起來，彷彿太陽正在升起，然後，火箭悄無聲息地躍入天空；幾秒鐘內，該區域足夠明亮，可以讀書和看清顏色。三十秒後，發射的聲音傳到我耳中，升空爆炸產生的壓力波壓迫著我的胸膛。六個固體火箭被拋棄，像焰火一樣落入大西洋，然後剩下的三個點燃了。鳳凰號啟程了。這時我才意識到，我已經很久沒有呼吸了。
發射在兩分鐘內結束了，只有蒸汽尾跡留在昏暗的天空中。我們回到控制室吃點零食，喝杯咖啡。我拿著我的鬆餅，又回到外面去看日出。天空中正在發生一些不尋常的事情。我過了一會兒才看清楚。固體火箭留下的蒸汽尾跡在上升的太陽照亮的平流層風中盤旋。就在那一刻，我突然意識到：那正是鳳凰鳥的形狀。我可以辨認出鳥喙和翅膀，長長的尾巴在後面猛烈地甩動，並在鳥頭上方向前抽動，就像中國畫中看到的那樣。我從未對雲的形狀感到如此驚訝。這會不會是一個好兆頭，預示著我們的火星之旅將走向圓滿成功？我心潮澎湃，激動得說不出話來，鬆餅也被我忘在了腦後。
驚險的著陸
十個月後，噴氣推進實驗室和洛克希德·馬丁公司的工程團隊正在為複雜的著陸操作做準備。鳳凰號航天器已經飛行了6億公里，並開始感受到來自火星引力的拉力。事件的時間安排精確到秒。奧德賽號和火星勘測軌道飛行器已經調整了軌道，並協調在下降過程中位於上方，以即時中繼鳳凰號的訊號（由於光傳播到地球的時間約為15分鐘，因此會有延遲）。一切都準備就緒，計劃也正在完美地執行。那麼，我為什麼還擔心得生病呢？
在火星上著陸比在月球或地球上著陸複雜得多。航天器必須進行五次變形。它最初是星際巡航飛行器。拋棄巡航級後，它將自身簡化為能夠承受以近20,000公里/小時的速度進入大氣層時摩擦產生的熱量的進入飛行器。減速至1,500公里/小時後，它從背殼釋放降落傘。在稀薄的大氣層中，降落傘所能做的最好的事情是將速度降低到150公里/小時，對於安全著陸來說仍然太快了。在距地表一公里處，著陸器與降落傘和保護性背殼分離，並進入自由落體狀態。十二個推進器將航天器減速到相當於快步行走的速度，然後它著陸在地面上，著陸衝擊力由專門設計的著陸支柱吸收。最後，航天器必須成功展開其太陽能電池板和儀器，併為地面任務做好準備。所有這一切都在七分鐘內完成。
在噴氣推進實驗室230號樓的控制室裡觀看，當著陸器接近地表上方一公里時，我屏住了呼吸。房間裡的氣氛變得緊張起來，因為我們都想起了麻煩的雷達和火星極地著陸器的損失。推進器必須將下降速度減慢到約10公里/小時，將任何橫向速度降低到每秒一米以下，並保持著陸器的甲板與地面平行。在準備會議期間，我們的任務經理喬·圭恩開玩笑說，如果一個推進器發生故障，其他11個推進器會安全地引導我們到達墜機地點。這種黑色幽默不再顯得有趣；關鍵時刻已經到來。
我們的一位工程師讀出了來自雷達的遙測資料，以倒計時方式顯示到地面的距離：1,000米、800米、600米。我想，它接近得太快了；我們無法以這個速度安全著陸。鳳凰號越過了100米標記，一切都改變了。現在倒計時是90米、80米、75米。我們已經達到了著陸速度！很快，一個來自地面的訊號傳來，房間裡爆發出歡呼聲。
接下來的兩個小時，當我們等待奧德賽號繞火星執行並返回我們著陸器上方時，似乎永遠也過不完。但最終我們確認鳳凰號已正確展開其太陽能電池板並拍攝了第一批影像。我們第一次看到火星北極是神奇的。多邊形形狀和微小的岩石延伸到地平線。經過六年的準備，我們終於能夠開始科學任務了。
差點被土塊破壞
我們的由35名科學家、50名工程師和20名學生組成的團隊開始夜以繼日地工作。為了提高效率，團隊按照24小時40分鐘的火星時間表輪班工作。火星日，或稱sol，成為了我們的日子，我們的團隊開始逐漸脫離正常的地球時間。我們進入了一個永久性時差反應的階段。
我們的第一個驚喜甚至在機械臂挖出第一個溝槽之前就來了。為了檢查後腳墊的位置，我們將機械臂傾斜指向航天器下方，其攝像頭顯示，推進器掃開了大約五釐米的乾燥土壤，露出了明亮的斑塊：可能是冰。機械臂無法伸到著陸器下方進行進一步調查，但這提高了我們對第一個溝槽將挖掘出什麼東西的期望。
當機械臂開始剷起泥土時，它暴露了一個明亮的層。我們看到，這一層的碎片在三到四個火星日內消失了。雖然它看起來像是昇華消失的水冰，但我們必須等待熱和逸出氣體分析儀（TEGA）儀器的結果才能確定。另一種可能性，即凍結的二氧化碳，在零下30攝氏度的環境溫度下會消失得更快。事實上，TEGA後來證實該物質是水冰。這是首次在火星上證實地下水冰的存在，驗證了奧德賽號的測量結果。
既然冰層已經暴露出來，我意識到著陸器周圍的整個景觀（可能包括兩個極地地區）並不是看起來的那樣乾燥、沙漠般的平原，而是一個深度未知的冰原。為了確定這些冰是否融化過，著陸器攜帶了三種儀器來分析土壤：TEGA，它由八個連線到質譜儀的小型烤箱組成，用於測量從加熱樣本中釋放出來的氣體的成分；溼化學實驗室（WCL），它向土壤樣本中新增水（從地球上帶來的），並分析溶解到溶液中的離子；以及一臺顯微鏡。我們期望TEGA和WCL測量結果之間產生協同作用，因為它們獨立地揭示了土壤的礦物學和化學性質。
最優先的任務是研究土壤化學，以尋找液態水的跡象，更不用說生物體的營養物質和能量來源了。我們還試圖確定土壤的垂直結構，從最頂層到冰土介面。機械臂的任務是收集樣本，並將它們放置在航天器甲板上的分析埠中。原則上，這項操作就像孩子用泥鏟將沙子鏟到桶裡一樣簡單；然而，從3億公里遠的地方遠端操作證明非常具有挑戰性。我們在圖森的運營中心有一個測試設施，配備了機械臂、攝像頭和樣品埠的相同副本，以幫助我們做好準備。我們在將所有命令傳送到火星之前都進行了測試，但我們無法複製火星的兩個方面：風和火星土壤的特性。
火星土壤看起來結殼了，不像我們練習時使用的鬆散的亞利桑那州土壤。因此，機械臂末端的鏟子裝滿了結塊的、粘性的團塊。樣品埠上的篩網旨在阻擋鵝卵石，但事實證明，它們在阻擋塊狀土壤方面也非常有效。機械臂成功地將其第一個樣本堆放在TEGA入口篩網上，但沒有一粒顆粒滑過埠並進入烤箱進行研究。該儀器有一個振動篩網的裝置，但花了四個火星日才將足夠的材料震動到烤箱中。與此同時，任何鬆散結合的水都昇華消失了。
隨著時間的推移，我們學會了應對風和塊狀土壤的現實的最佳方法。我們能夠在挖掘區域內的幾個深度和位置分析樣本。即便如此，許多樣本還是錯過了它們的入口埠，因為強風將土壤吹到側面，而不是向下吹入儀器。
當我們自學如何在火星上最好地挖掘時，大氣感測器正在積累天氣資料。加拿大航天局貢獻了一種雷射雷達，使我們能夠測量大氣中的塵埃，以及地面霧的深度和水冰雲的高度。該儀器還記錄了地表溫度和壓力。總而言之，我們調查了從冰層頂部到對流層頂的環境，而軌道飛行器從上方仔細檢查該區域，以將其置於整個背景中。
足夠種植蘆筍了
最令人驚訝的發現之一是在土壤中發現了兩種意想不到的成分：碳酸鈣（濃度為5%）和高氯酸鹽（0.5%）。這些化合物對我們探索生命至關重要。
當大氣中的二氧化碳溶解在液態水中時，會形成碳酸鈣，從而形成碳酸。酸從土壤中浸出鈣形成碳酸鹽，這是一種地球上非常常見的礦物。我們在自然環境中稱之為石灰石或白堊，並在家中以各種品牌名稱使用它來緩衝我們的胃酸。WCL測得的pH值為7.7——略呈鹼性，幾乎與地球上的海水相同，海水也受到碳酸鈣的緩衝。
行星科學家們幾十年來一直在火星上尋找碳酸鹽。眾多的峽谷、類河流特徵和古代湖床幾乎毫無疑問地表明，火星曾經是一顆潮溼的星球，這表明過去的大氣層曾經厚得多。所有的二氧化碳都必須去某個地方，而碳酸鈣岩石是主要的候選者。鳳凰號提供了它們是土壤成分的第一個證據。軌道飛行器此後發現了碳酸鈣岩石的孤立露頭，儘管其他型別的碳酸鹽似乎更常見。
除了本身就很有趣之外，碳酸鈣還進一步證明了鳳凰號著陸點土壤在最近的過去是潮溼的。它也可能解釋了為什麼土壤如此結塊和結皮：這種礦物可以充當水泥。
鳳凰號著陸點的鹼性土壤與其他著陸器發現的土壤有很大不同。再加一些水，增加氣壓，這種土壤就可以種植蘆筍。相比之下，機遇號探測車已經穿過了富含硫酸鹽化合物的古代酸性土壤。這些土壤表明存在一種不同的、更古老的、不利於生命的化學環境。
至於高氯酸鹽，在地球上，這種化學物質以高氯酸銨的形式製造，用作固體火箭燃料中的氧化劑——包括將鳳凰號發射到太空的德爾塔II型火箭上的九個固體火箭。在飲用水中，當濃度高於十億分之25時，高氯酸鹽被認為是不安全的。未來的宇航員請注意：這種土壤對健康有害。
然而，對我們來說是毒藥的東西，對微生物來說卻是甘露。自然過程會產生少量的高氯酸鹽，它會在極度乾旱的沙漠中積累，因為這些地方缺乏水分，無法輕易將其沖走。在智利的阿塔卡瑪沙漠，每十年才下一次雨，高氯酸鹽得以積累。沙漠細菌靠使用高氯酸鹽和硝酸鹽作為能源維持生存。火星上的情況也可能是這樣嗎？
最近的全球氣候模型已經納入了火星的軌道動力學，幷包括了傾斜度（軌道平面和自轉軸之間的角度，目前為25度）的大幅度擺動，以估計過去1000萬年氣候是如何變化的。極地太陽加熱的強度經歷了從當前寒冷時期到長期炎熱時期的劇烈波動。夏季溫度隨後會升高到冰蓋昇華點以上。冰從極地消失，並在赤道附近的高海拔火山上重新形成，形成大型冰川。那時，極地變得溫暖。也許碳酸鈣是在這些更溫暖、更溼潤的時期形成的。
我們的一項觀測表明了微生物生態系統可能如何運作。雷射雷達探測到在清晨，當火星夏季接近尾聲，太陽光線變得越來越傾斜時，航天器周圍正在下雪。來自蒸發雪的水蒸氣可能會在稱為吸附（不同於吸收）的過程中覆蓋塵埃顆粒。吸附的水就像一層非常薄的液體。在溫暖時期，這一層可能會增厚到在塵埃顆粒之間形成通道的程度——一個微觀的海洋，微小的微生物將完全浸沒其中。鳳凰號看到的營養物質和氧化劑隨後可用於為以高氯酸鹽為食的生物提供能量。也就是說，它們仍然需要具備休眠數百萬年的能力，才能在寒冷、乾燥的時期生存下來。
高氯酸鹽還有另一個相關的特性：如果濃度足夠高，它可以將水的冰點降低到零下70攝氏度。這意味著即使氣候變得寒冷，微生物也可能能夠在火星上找到生存空間。總而言之，高氯酸鹽的發現給火星界帶來了一陣興奮。
極地適宜居住嗎？
高氯酸鹽的存在也可能解開一個有著35年曆史的謎團。當維京號土壤分析實驗在微型烤箱中加熱樣本時，它探測到氯甲烷的排放。維京號科學家無法理解這些化學物質如何可能是火星起源的，因此將其歸因於發射前使用的清潔劑的汙染。同一實驗未能探測到任何本土有機物質。
高氯酸鹽暗示了一種不同的解釋。墨西哥國立自治大學的研究人員及其同事使用來自阿塔卡瑪的類火星土壤，在有和沒有少量高氯酸鹽的情況下，重新進行了相同的實驗。他們重現了維京號看到的 gaseous 輸出：高氯酸鹽釋放出氧氣並燃燒了有機物，在此過程中釋放出氯甲烷。因此，含有高氯酸鹽的土壤可能含有大量的有機物，超過百萬分之一，並且逃過了維京號的探測。為了支援這種解釋，TEGA發現，當烤箱溫度升至300攝氏度以上時，土壤開始釋放二氧化碳——這正是我們期望的，如果土壤中的有機物被高氯酸鹽氧化。
總而言之，在火星上找到生命的機會似乎從未如此之好。但這已經是鳳凰號資料能夠告訴我們的全部；現在輪到火星科學實驗室尋找更多適宜居住的跡象了。鳳凰號的結果僅提供了間接證據，而火星科學實驗室上的分析儀器有能力在不加熱的情況下從土壤中提取有機特徵。它透過一種稱為衍生化的過程來實現這一點，在該過程中，將火星土壤新增到一種特殊的化學湯中，任何有機分子都會被汽化並透過質譜儀檢測到。
在火星極地冬季的黑暗和嚴寒來臨之前，鳳凰號進行了一次壯觀的為期五個月的任務。我們在2008年11月失去了它的訊號。樂觀主義是科學研究中的職業危害，隨著第二年火星北部極地地區春天的來臨，我的同事和我仍然抱有希望，著陸器會再次復活。但事與願違。最後一張軌道飛行器影像顯示，鳳凰號躺在一條長長的、類似河流的裂縫的岸邊，它的太陽能電池板已經損壞，被二氧化碳冰掩埋，二氧化碳冰在崎嶇的地形上形成了網狀圖案。它不再是一個科學前哨站，而是成為了景觀的一部分。