在華盛頓特區最近舉行的關於 NASA 火星樣本返回 (MSR) 計劃科學的研討會上，氣氛既興奮又緊張。該航天機構剛剛釋出了一項重磅訊息，表示正在向私營企業尋求“跳出固有思維模式”的提案，以重啟其將火星岩石帶回地球的陷入困境的計劃。我們都不太確定這意味著什麼，所以我們試圖專注於科學，但對美國火星計劃命運的猜測是難以避免的。
從另一個星球帶回岩石將是 NASA 自阿波羅計劃以來嘗試的最雄心勃勃的事情。MSR 與歐洲航天局合作進行，是實現載人登陸火星，並最終前往太陽系其他地方的關鍵一步。但是，最初的 MSR 計劃的預計價格令人咋舌——介於 80 億至 110 億美元之間，而這一切僅僅是為了在不早於 2040 年取回幾公斤岩石、土壤和火星空氣——這讓許多政策制定者，甚至一些科學家都在懷疑，收益是否真的大於成本。
將部分繁重的工作外包給 SpaceX 和洛克希德·馬丁公司等公司，或許是更快、更便宜地將 MSR 珍貴的貨物帶回地球的方法。但不可避免的是，在太空領域做大事總是很昂貴的：經通貨膨脹調整後，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (JWST) 的成本約為 100 億美元，而整個阿波羅計劃的成本超過 2500 億美元。在這些以及許多其他案例中，隨著每個專案取得的巨大成就的真正影響變得清晰，對高成本的尖銳批評逐漸消失。因為 MSR 的科學、技術甚至政治意義如此深遠，我相信在未來幾年，我們將以同樣的方式看待它。
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火星在科學上非常重要，因為它使我們能夠研究是什麼讓一顆行星隨著時間的推移變得適宜居住。這顆紅色星球在早期歷史上曾有河流、湖泊，甚至可能還有海洋，但由於其體積小且遠離太陽，它在其生命的最初十億年內冷卻並失去了大部分大氣層。這使火星變成了一個更加嚴酷的地方，但這有一個意想不到的副作用，即將這顆行星古老的宜居過去完好地儲存在其表面。板塊構造和侵蝕已經吞噬了我們地球家園的大部分古老岩石記錄，但在火星上，我們有一個通往早期太陽系的視窗，可以追溯到四十億年前——這與地球上生命首次出現的時間相同。
解釋為什麼火星有古代河流和湖泊是行星科學中一個長期存在的問題。早在 1972 年，卡爾·薩根和喬治·穆倫就指出，由於 年輕的太陽比今天更暗淡，早期的火星應該非常寒冷，除非其氣候發生了根本性的變化。今天，對於這個問題有幾種有希望的解決方案，但對於哪種方案是正確的，仍然沒有共識。
樣本返回將直接解決這個問題，因為它將使我們能夠以前所未有的方式研究古代火星岩石，尋找有關該世界早期大氣和氣候性質的化學線索。許多樣本已經包裝在試管中，等待從火星的傑澤羅隕石坑附近回收，那裡是現已消失的古代湖泊所在地，自 2021 年以來，NASA 的“毅力號”探測車一直在那裡工作。
“毅力號”對樣本的原位研究 已經暗示了古代湖泊高度動態的環境，並且這些岩石中儲存的礦物質是未來科學家研究的寶庫。例如，對微量同位素的測量可以揭示古代大氣層的成分，限制關鍵地質事件的時間，甚至告訴我們沉積物中礦物質形成的溫度。在地球上進行此類工作的技術現在已經非常先進，但它們需要大型實驗室和笨重、精細校準的儀器，這使得機器人著陸器和探測車無法使用它們。
火星早期的宜居性尤為重要，因為它對宇宙中其他地方的行星和生命具有重要意義。JWST 的最新觀測表明，就像火星一樣，其他恆星周圍的許多小型岩石世界 也失去了大部分大氣層。因此，解決火星宜居性問題也可以幫助我們瞭解生命是否可能存在於這樣的行星上。
MSR 最具革命性的可能結果當然是直接發現古代火星生命。這遠非板上釘釘，但這完全有可能，因為早期的火星可能具備啟動前生物化學所需的所有成分。在 2021 年的一項研究中，加州理工學院研究員丹妮卡·亞當斯及其同事表明，早期火星大氣層可能產生了具有生物學意義的大量氰化氫——儘管氰化氫對人類有毒，但它可能對地球上生命的起源至關重要。在另一項最新研究中，賓夕法尼亞州立大學教授克里斯·豪斯及其同事在蓋爾隕石坑的有機物質樣本中發現了 可疑的輕質碳同位素，毅力號的“哥哥”好奇號仍在蓋爾隕石坑進行探索。這種富集可能是異常大氣化學的後果，也可能是由古代微生物的存在引起的，這些微生物優先消耗較輕形式的碳，就像地球上的生命一樣。對返回樣本的詳細研究將使我們能夠解決有關早期火星化學和生命的這些以及許多其他問題。
MSR 像所有偉大的科學一樣，都具有雄心壯志。它將為地球軌道以外的機器人和載人探索開闢大量新的可能性。正如中國最近取得巨大成功的嫦娥六號任務所表明的那樣，該任務剛剛從月球背面帶回了首批樣本，21 世紀的行星科學現在是一項真正的國際事業。美國在火星探索領域領先了幾十年，但火星現在也成為包括中國在內的多個國家感興趣的目標，中國正在計劃自己的樣本返回任務，該任務將在 2030 年代將火星岩石帶回地球。保持美國在火星探索領域的領先地位是絕對有可能的，但這需要政策制定者的遠見和重新承諾，現在就開始。
這是一篇觀點和分析文章，作者或作者表達的觀點不一定代表《大眾科學》的觀點。