本月，美国国家航空航天局（NASA）计划向红色星球发射有史以来最新、最先进的任务：火星科学实验室。在盖尔陨石坑使用空中吊车进行最后下降的戏剧性着陆后，这辆核动力探测车将在这颗星球上最富含粘土和硫酸盐的沉积物之一——河流雕刻出谷地网络的水资源丰富时代的遗迹周围行驶。
这辆小型汽车大小的探测车（名为好奇号）将花费一个火星年探索陨石坑中央峰的底部，这里被认为是地质年代最古老的部分。然后，如果美国国家航空航天局批准延长任务，好奇号将开始攀登填满陨石坑中心的五公里高的碎石堆，沿着地质时间线向上移动，朝向现代形成的沉积物，逐层仔细检查水成矿物。一个机械臂可以提取样本，并通过探测车顶部的端口将其送入车载化学实验室。在内部，分析仪将确定矿物结构和元素组成。这些仪器还可以探测有机物质，并将尝试确定火星过去是否适宜居住。
火星科学实验室是过去15年任务进展的逻辑步骤，它建立在旅居者号、勇气号和机遇号探测车以及最近的着陆器凤凰号的发现之上。这些任务，以及一系列轨道飞行器，揭示了一个世界，它具有非凡的复杂性和错综复杂的历史，包括湖泊和降雨的过去时代[参见吉姆·贝尔的“红色星球的含水过去”；《大众科学》，2006年12月]。即使在目前干燥、冰冻的状态下，这颗行星也显示出活动的迹象。最令人兴奋和困惑的是尼利槽沟区域上空甲烷气体的迹象。行星科学家争论，如果气体是真实存在的，它是地质成因还是生物成因[参见苏希尔·K·阿特雷亚的“火星和泰坦星上甲烷之谜”；《大众科学》，2007年5月]。今年，火星勘测轨道飞行器揭示了地表条纹，最容易解释为季节性释放的咸水。
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然而，与所有这些奇迹形成对比的是1976年维京号双着陆器的严峻结论。他们发现火星对于任何生物都异常恶劣。土壤中缺乏水和有机分子，更不用说休眠的微生物了。强大的氧化剂，如过氧化氢和强烈的紫外线辐射，使地表变得贫瘠。对于大多数科学家来说，在火星上寻找生命的探索始于维京号，也止于维京号。
我们如何将这种悲观的评估与这颗行星毋庸置疑的奇迹调和起来呢？答案可能在于凤凰号。它对火星土壤进行的化学实验，是自维京号以来首次，对维京号的零结果提出了另一种解释：也许维京号没有探测到有机分子，是因为分析技术无意中破坏了它们。凤凰号还发现了近地表水冰，这是行星科学家们假设过但从未实际见过的。我们的邻居星球可能仍然适宜居住，而不是干燥和贫瘠。
随着这些意义逐渐显现，另一艘飞船也准备跟进，现在似乎是回顾发起星际任务的技术和情感过山车——以及凤凰号几乎未能成行的恰当时机。
从灰烬中重生
并非每天都有人打电话来提供免费的航天器。2002年初，美国国家航空航天局艾姆斯研究中心的几位科学家就这样做了。他们提醒我，丹佛洛克希德·马丁公司洁净室中的一个10英尺的箱子里装着一艘封存的勘测者号航天器。它本应于2001年发射，但由于其孪生兄弟火星极地着陆器在1999年12月着陆时失踪，美国国家航空航天局取消了这次飞行。这次损失对该机构来说是一个沉重的打击，就在几周前，火星气候轨道飞行器在轨道插入机动过程中失踪，据推测已坠毁。这对我个人来说也是一个打击：我领导的团队设计并建造了着陆器的相机。
艾姆斯科学家希望修复这艘航天器，作为美国国家航空航天局新侦察兵计划的一部分，并邀请我担任首席科学家。我感到震惊，犹豫了。我参与行星探测十多年了，不断的旅行、无休止的会议和不停的电话已经失去了它们的刺激，使我无法进行我受过训练的科学研究。
此外，当时新项目没有资金，没有提案经理，也没有大型机构的支持，距离提案截止日期只有几个月了。然而，在我心中燃起了带领团队寻找那些神奇线索并解开缠绕火星科学的错综复杂线索的渴望。在我内心深处，我从不相信维京号着陆器的结果。他们怎么可能没有看到任何有机物质呢？它是否可能隐藏在设计合适的新的任务可以找到它的地方？
两个星期以来，我一直在与自己斗争。我必须确定有意义的科学目标。勘测者号航天器被设计为在赤道附近着陆，用机械臂采集土壤样本，并部署一辆小型探测车来分析附近的岩石。它还携带了旨在为最终载人任务做准备的科学仪器。我们无法负担在侦察兵预算中携带探测车，也不必为载人任务做准备。因此，新的仪器可以取代旧的仪器，但选择将取决于我们尚未定义的基本科学目标。
就在此时，通过一次奇妙的同步，我的亚利桑那州同事威廉·博因顿公开宣布发现了火星南极冰盖周围的近地表水冰。博因顿领导的团队建造并操作了火星奥德赛轨道飞行器上的伽马射线光谱仪，这是一种不仅探测伽马射线，还探测中子的仪器，中子探测土壤上层一米内的氢浓度。该仪器还在北部平原发现了水的迹象，包括位于冬季二氧化碳冰盖最大范围处的一小片富含水冰的土壤。（这个冰盖随着季节而消长。）我在我的地图上用X标记了这个地点，并立即开始选择仪器来跟进这一发现。
地球也有类似的永久冻土带环绕北极。它是地球的深冷冰柜，保存着在那里生活过的生命形式的特征。冰层可能已有数十万年的历史。我在一次火星极地会议上听说，哥本哈根大学的埃斯克·维勒斯列夫对格陵兰冰川冰和西伯利亚永久冻土的样本进行了DNA分析，发现了植物、动物和其他生物的巨大多样性。对于火星来说，冰层可能已有数百万年的历史，情况会是这样吗？
我在亚利桑那大学、美国国家航空航天局喷气推进实验室和洛克希德·马丁公司之间建立了合作伙伴关系。我们将我们的任务称为凤凰号，因为我们像神话中的鸟一样，让取消的勘测者号任务重获新生。于是，开始了为期一年半的撰写提案和与20个其他任务概念竞争的艰苦历程，最终迎来了美国国家航空航天局审查委员会长达八小时的现场考察。2003年8月，美国国家航空航天局选择我们成为第一个前往火星的侦察兵任务。2007年8月的发射日期给了我们四年的准备时间。
雷达狂热
我们打开了航天器的包装。它看起来像一只巨大的蝴蝶：它的身体上布满了科学仪器，它的两个巨大的太阳能电池板像展开的翅膀。它蹲在三条腿上；它唯一的附属物——机械臂——从侧面伸出来。
随后的四年时间里，我们都在检查、重新设计、重新检查和测试，以找出导致其姊妹船厄运的设计缺陷。总共，洛克希德·马丁公司和喷气推进实验室的工程团队发现了大约25个主要缺陷。虽然找出所有这些漏洞的过程很艰苦，但它仍然比从头开始建造一艘新的航天器更容易、更便宜，后者会带来自身的风险。大多数缺陷通过增加加热器、减小降落伞尺寸和加强结构可以很容易地纠正。有些缺陷需要更改软件。但有一个缺陷不容易理解或纠正。
着陆雷达是20世纪90年代末从F-16战斗机上取下的一个装置。当我们在莫哈韦沙漠进行测试投放时，该系统在高度上出现了严重错误，并在不适当的时刻遭受数据丢失。我们咨询了雷达的设计者霍尼韦尔公司，试图了解其内部工作原理。尽管该公司渴望帮助我们，但这款过时的型号已不再受支持，设计它的员工已经离开，记录也很粗略。
我们组建了一个由洛克希德·马丁公司、喷气推进实验室、霍尼韦尔公司和美国国家航空航天局兰利研究中心的工程师组成的突击队。通过将计算机模拟与进一步的测试相结合，该团队缓慢地解决了异常迷宫，以修复缺陷。2006年10月，我们进行了一次测试——它成功了。一切似乎都很好。
然而，我们的希望再次破灭。我们发现，从抛弃的隔热罩反射的光线可能会混淆雷达，并导致严重的高度误算。天线和开关也被证明容易发生故障。麻烦似乎无穷无尽。到2007年2月，就在我们计划将航天器与运载火箭集成之前的五个月，我们有65个异常情况正在调查中。
没有可靠的雷达，发射就成了疑问。美国国家航空航天局的审查委员会密切关注着情况，并担心我们不断发现新的故障模式。另一方面，异常的严重程度正在减轻。到6月份，我们能够说服审查委员会和我们的美国国家航空航天局经理，剩余的风险是可以接受的。尽管如此，这仍然是一场赌博。如果我们一直持续到发射时都在发现弱点，那么系统中可能会埋藏更多的弱点。
天空中的凤凰号
2007年8月，我们在肯尼迪航天中心完成了最后的测试，并准备将航天器安装到德尔塔II型运载火箭上。然后，发生了一个我希望我能忘记的时刻。当起重机将航天器吊到130英尺高的火箭顶部时，一场巨大的雷暴爆发了，安全规章迫使技术人员撤离组装塔。航天器及其脆弱的电子部件保护不力，在可怕的夏季风暴中悬挂在地面60英尺以上。
暴风雨过后，我们将航天器送回组装大楼，并拼命检查其是否损坏。奇迹般地，我们没有发现任何损坏。
8月4日清晨，最后的倒计时开始了。我匆匆忙忙地从控制室的内部圣殿跑出来，直接观看发射。当时是凌晨5点15分，星星清晰可见。火星在东方明亮地招手。突然，建筑物亮了起来，仿佛太阳正在升起，然后，火箭悄无声息地跃入天空；几秒钟内，该区域足够明亮，可以读书和看清颜色。三十秒后，发射的声音传到我耳中，升空爆炸产生的压力波压迫着我的胸膛。六个固体火箭被抛弃，像焰火一样落入大西洋，然后剩下的三个点燃了。凤凰号启程了。这时我才意识到，我已经很久没有呼吸了。
发射在两分钟内结束了，只有蒸汽尾迹留在昏暗的天空中。我们回到控制室吃点零食，喝杯咖啡。我拿着我的松饼，又回到外面去看日出。天空中正在发生一些不寻常的事情。我过了一会儿才看清楚。固体火箭留下的蒸汽尾迹在上升的太阳照亮的平流层风中盘旋。就在那一刻，我突然意识到：那正是凤凰鸟的形状。我可以辨认出鸟喙和翅膀，长长的尾巴在后面猛烈地甩动，并在鸟头上方向前抽动，就像中国画中看到的那样。我从未对云的形状感到如此惊讶。这会不会是一个好兆头，预示着我们的火星之旅将走向圆满成功？我心潮澎湃，激动得说不出话来，松饼也被我忘在了脑后。
惊险的着陆
十个月后，喷气推进实验室和洛克希德·马丁公司的工程团队正在为复杂的着陆操作做准备。凤凰号航天器已经飞行了6亿公里，并开始感受到来自火星引力的拉力。事件的时间安排精确到秒。奥德赛号和火星勘测轨道飞行器已经调整了轨道，并协调在下降过程中位于上方，以实时中继凤凰号的信号（由于光传播到地球的时间约为15分钟，因此会有延迟）。一切都准备就绪，计划也正在完美地执行。那么，我为什么还担心得生病呢？
在火星上着陆比在月球或地球上着陆复杂得多。航天器必须进行五次变形。它最初是星际巡航飞行器。抛弃巡航级后，它将自身简化为能够承受以近20,000公里/小时的速度进入大气层时摩擦产生的热量的进入飞行器。减速至1,500公里/小时后，它从背壳释放降落伞。在稀薄的大气层中，降落伞所能做的最好的事情是将速度降低到150公里/小时，对于安全着陆来说仍然太快了。在距地表一公里处，着陆器与降落伞和保护性背壳分离，并进入自由落体状态。十二个推进器将航天器减速到相当于快步行走的速度，然后它着陆在地面上，着陆冲击力由专门设计的着陆支柱吸收。最后，航天器必须成功展开其太阳能电池板和仪器，并为地面任务做好准备。所有这一切都在七分钟内完成。
在喷气推进实验室230号楼的控制室里观看，当着陆器接近地表上方一公里时，我屏住了呼吸。房间里的气氛变得紧张起来，因为我们都想起了麻烦的雷达和火星极地着陆器的损失。推进器必须将下降速度减慢到约10公里/小时，将任何横向速度降低到每秒一米以下，并保持着陆器的甲板与地面平行。在准备会议期间，我们的任务经理乔·圭恩开玩笑说，如果一个推进器发生故障，其他11个推进器会安全地引导我们到达坠机地点。这种黑色幽默不再显得有趣；关键时刻已经到来。
我们的一位工程师读出了来自雷达的遥测数据，以倒计时方式显示到地面的距离：1,000米、800米、600米。我想，它接近得太快了；我们无法以这个速度安全着陆。凤凰号越过了100米标记，一切都改变了。现在倒计时是90米、80米、75米。我们已经达到了着陆速度！很快，一个来自地面的信号传来，房间里爆发出欢呼声。
接下来的两个小时，当我们等待奥德赛号绕火星运行并返回我们着陆器上方时，似乎永远也过不完。但最终我们确认凤凰号已正确展开其太阳能电池板并拍摄了第一批图像。我们第一次看到火星北极是神奇的。多边形形状和微小的岩石延伸到地平线。经过六年的准备，我们终于能够开始科学任务了。
差点被土块破坏
我们的由35名科学家、50名工程师和20名学生组成的团队开始夜以继日地工作。为了提高效率，团队按照24小时40分钟的火星时间表轮班工作。火星日，或称sol，成为了我们的日子，我们的团队开始逐渐脱离正常的地球时间。我们进入了一个永久性时差反应的阶段。
我们的第一个惊喜甚至在机械臂挖出第一个沟槽之前就来了。为了检查后脚垫的位置，我们将机械臂倾斜指向航天器下方，其摄像头显示，推进器扫开了大约五厘米的干燥土壤，露出了明亮的斑块：可能是冰。机械臂无法伸到着陆器下方进行进一步调查，但这提高了我们对第一个沟槽将挖掘出什么东西的期望。
当机械臂开始铲起泥土时，它暴露了一个明亮的层。我们看到，这一层的碎片在三到四个火星日内消失了。虽然它看起来像是升华消失的水冰，但我们必须等待热和逸出气体分析仪（TEGA）仪器的结果才能确定。另一种可能性，即冻结的二氧化碳，在零下30摄氏度的环境温度下会消失得更快。事实上，TEGA后来证实该物质是水冰。这是首次在火星上证实地下水冰的存在，验证了奥德赛号的测量结果。
既然冰层已经暴露出来，我意识到着陆器周围的整个景观（可能包括两个极地地区）并不是看起来的那样干燥、沙漠般的平原，而是一个深度未知的冰原。为了确定这些冰是否融化过，着陆器携带了三种仪器来分析土壤：TEGA，它由八个连接到质谱仪的小型烤箱组成，用于测量从加热样本中释放出来的气体的成分；湿化学实验室（WCL），它向土壤样本中添加水（从地球上带来的），并分析溶解到溶液中的离子；以及一台显微镜。我们期望TEGA和WCL测量结果之间产生协同作用，因为它们独立地揭示了土壤的矿物学和化学性质。
最优先的任务是研究土壤化学，以寻找液态水的迹象，更不用说生物体的营养物质和能量来源了。我们还试图确定土壤的垂直结构，从最顶层到冰土界面。机械臂的任务是收集样本，并将它们放置在航天器甲板上的分析端口中。原则上，这项操作就像孩子用泥铲将沙子铲到桶里一样简单；然而，从3亿公里远的地方远程操作证明非常具有挑战性。我们在图森的运营中心有一个测试设施，配备了机械臂、摄像头和样品端口的相同副本，以帮助我们做好准备。我们在将所有命令发送到火星之前都进行了测试，但我们无法复制火星的两个方面：风和火星土壤的特性。
火星土壤看起来结壳了，不像我们练习时使用的松散的亚利桑那州土壤。因此，机械臂末端的铲子装满了结块的、粘性的团块。样品端口上的筛网旨在阻挡鹅卵石，但事实证明，它们在阻挡块状土壤方面也非常有效。机械臂成功地将其第一个样本堆放在TEGA入口筛网上，但没有一粒颗粒滑过端口并进入烤箱进行研究。该仪器有一个振动筛网的装置，但花了四个火星日才将足够的材料震动到烤箱中。与此同时，任何松散结合的水都升华消失了。
随着时间的推移，我们学会了应对风和块状土壤的现实的最佳方法。我们能够在挖掘区域内的几个深度和位置分析样本。即便如此，许多样本还是错过了它们的入口端口，因为强风将土壤吹到侧面，而不是向下吹入仪器。
当我们自学如何在火星上最好地挖掘时，大气传感器正在积累天气数据。加拿大航天局贡献了一种激光雷达，使我们能够测量大气中的尘埃，以及地面雾的深度和水冰云的高度。该仪器还记录了地表温度和压力。总而言之，我们调查了从冰层顶部到对流层顶的环境，而轨道飞行器从上方仔细检查该区域，以将其置于整个背景中。
足够种植芦笋了
最令人惊讶的发现之一是在土壤中发现了两种意想不到的成分：碳酸钙（浓度为5%）和高氯酸盐（0.5%）。这些化合物对我们探索生命至关重要。
当大气中的二氧化碳溶解在液态水中时，会形成碳酸钙，从而形成碳酸。酸从土壤中浸出钙形成碳酸盐，这是一种地球上非常常见的矿物。我们在自然环境中称之为石灰石或白垩，并在家中以各种品牌名称使用它来缓冲我们的胃酸。WCL测得的pH值为7.7——略呈碱性，几乎与地球上的海水相同，海水也受到碳酸钙的缓冲。
行星科学家们几十年来一直在火星上寻找碳酸盐。众多的峡谷、类河流特征和古代湖床几乎毫无疑问地表明，火星曾经是一颗潮湿的星球，这表明过去的大气层曾经厚得多。所有的二氧化碳都必须去某个地方，而碳酸钙岩石是主要的候选者。凤凰号提供了它们是土壤成分的第一个证据。轨道飞行器此后发现了碳酸钙岩石的孤立露头，尽管其他类型的碳酸盐似乎更常见。
除了本身就很有趣之外，碳酸钙还进一步证明了凤凰号着陆点土壤在最近的过去是潮湿的。它也可能解释了为什么土壤如此结块和结皮：这种矿物可以充当水泥。
凤凰号着陆点的碱性土壤与其他着陆器发现的土壤有很大不同。再加一些水，增加气压，这种土壤就可以种植芦笋。相比之下，机遇号探测车已经穿过了富含硫酸盐化合物的古代酸性土壤。这些土壤表明存在一种不同的、更古老的、不利于生命的化学环境。
至于高氯酸盐，在地球上，这种化学物质以高氯酸铵的形式制造，用作固体火箭燃料中的氧化剂——包括将凤凰号发射到太空的德尔塔II型火箭上的九个固体火箭。在饮用水中，当浓度高于十亿分之25时，高氯酸盐被认为是不安全的。未来的宇航员请注意：这种土壤对健康有害。
然而，对我们来说是毒药的东西，对微生物来说却是甘露。自然过程会产生少量的高氯酸盐，它会在极度干旱的沙漠中积累，因为这些地方缺乏水分，无法轻易将其冲走。在智利的阿塔卡玛沙漠，每十年才下一次雨，高氯酸盐得以积累。沙漠细菌靠使用高氯酸盐和硝酸盐作为能源维持生存。火星上的情况也可能是这样吗？
最近的全球气候模型已经纳入了火星的轨道动力学，并包括了倾斜度（轨道平面和自转轴之间的角度，目前为25度）的大幅度摆动，以估计过去1000万年气候是如何变化的。极地太阳加热的强度经历了从当前寒冷时期到长期炎热时期的剧烈波动。夏季温度随后会升高到冰盖升华点以上。冰从极地消失，并在赤道附近的高海拔火山上重新形成，形成大型冰川。那时，极地变得温暖。也许碳酸钙是在这些更温暖、更湿润的时期形成的。
我们的一项观测表明了微生物生态系统可能如何运作。激光雷达探测到在清晨，当火星夏季接近尾声，太阳光线变得越来越倾斜时，航天器周围正在下雪。来自蒸发雪的水蒸气可能会在称为吸附（不同于吸收）的过程中覆盖尘埃颗粒。吸附的水就像一层非常薄的液体。在温暖时期，这一层可能会增厚到在尘埃颗粒之间形成通道的程度——一个微观的海洋，微小的微生物将完全浸没其中。凤凰号看到的营养物质和氧化剂随后可用于为以高氯酸盐为食的生物提供能量。也就是说，它们仍然需要具备休眠数百万年的能力，才能在寒冷、干燥的时期生存下来。
高氯酸盐还有另一个相关的特性：如果浓度足够高，它可以将水的冰点降低到零下70摄氏度。这意味着即使气候变得寒冷，微生物也可能能够在火星上找到生存空间。总而言之，高氯酸盐的发现给火星界带来了一阵兴奋。
极地适宜居住吗？
高氯酸盐的存在也可能解开一个有着35年历史的谜团。当维京号土壤分析实验在微型烤箱中加热样本时，它探测到氯甲烷的排放。维京号科学家无法理解这些化学物质如何可能是火星起源的，因此将其归因于发射前使用的清洁剂的污染。同一实验未能探测到任何本土有机物质。
高氯酸盐暗示了一种不同的解释。墨西哥国立自治大学的研究人员及其同事使用来自阿塔卡玛的类火星土壤，在有和没有少量高氯酸盐的情况下，重新进行了相同的实验。他们重现了维京号看到的 gaseous 输出：高氯酸盐释放出氧气并燃烧了有机物，在此过程中释放出氯甲烷。因此，含有高氯酸盐的土壤可能含有大量的有机物，超过百万分之一，并且逃过了维京号的探测。为了支持这种解释，TEGA发现，当烤箱温度升至300摄氏度以上时，土壤开始释放二氧化碳——这正是我们期望的，如果土壤中的有机物被高氯酸盐氧化。
总而言之，在火星上找到生命的机会似乎从未如此之好。但这已经是凤凰号数据能够告诉我们的全部；现在轮到火星科学实验室寻找更多适宜居住的迹象了。凤凰号的结果仅提供了间接证据，而火星科学实验室上的分析仪器有能力在不加热的情况下从土壤中提取有机特征。它通过一种称为衍生化的过程来实现这一点，在该过程中，将火星土壤添加到一种特殊的化学汤中，任何有机分子都会被汽化并通过质谱仪检测到。
在火星极地冬季的黑暗和严寒来临之前，凤凰号进行了一次壮观的为期五个月的任务。我们在2008年11月失去了它的信号。乐观主义是科学研究中的职业危害，随着第二年火星北部极地地区春天的来临，我的同事和我仍然抱有希望，着陆器会再次复活。但事与愿违。最后一张轨道飞行器图像显示，凤凰号躺在一条长长的、类似河流的裂缝的岸边，它的太阳能电池板已经损坏，被二氧化碳冰掩埋，二氧化碳冰在崎岖的地形上形成了网状图案。它不再是一个科学前哨站，而是成为了景观的一部分。