在华盛顿特区最近举行的关于 NASA 火星样本返回 (MSR) 计划科学的研讨会上，气氛既兴奋又紧张。该航天机构刚刚发布了一项重磅消息，表示正在向私营企业寻求“跳出固有思维模式”的提案，以重启其将火星岩石带回地球的陷入困境的计划。我们都不太确定这意味着什么，所以我们试图专注于科学，但对美国火星计划命运的猜测是难以避免的。
从另一个星球带回岩石将是 NASA 自阿波罗计划以来尝试的最雄心勃勃的事情。MSR 与欧洲航天局合作进行，是实现载人登陆火星，并最终前往太阳系其他地方的关键一步。但是，最初的 MSR 计划的预计价格令人咋舌——介于 80 亿至 110 亿美元之间，而这一切仅仅是为了在不早于 2040 年取回几公斤岩石、土壤和火星空气——这让许多政策制定者，甚至一些科学家都在怀疑，收益是否真的大于成本。
将部分繁重的工作外包给 SpaceX 和洛克希德·马丁公司等公司，或许是更快、更便宜地将 MSR 珍贵的货物带回地球的方法。但不可避免的是，在太空领域做大事总是很昂贵的：经通货膨胀调整后，詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 的成本约为 100 亿美元，而整个阿波罗计划的成本超过 2500 亿美元。在这些以及许多其他案例中，随着每个项目取得的巨大成就的真正影响变得清晰，对高成本的尖锐批评逐渐消失。因为 MSR 的科学、技术甚至政治意义如此深远，我相信在未来几年，我们将以同样的方式看待它。
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火星在科学上非常重要，因为它使我们能够研究是什么让一颗行星随着时间的推移变得适宜居住。这颗红色星球在早期历史上曾有河流、湖泊，甚至可能还有海洋，但由于其体积小且远离太阳，它在其生命的最初十亿年内冷却并失去了大部分大气层。这使火星变成了一个更加严酷的地方，但这有一个意想不到的副作用，即将这颗行星古老的宜居过去完好地保存在其表面。板块构造和侵蚀已经吞噬了我们地球家园的大部分古老岩石记录，但在火星上，我们有一个通往早期太阳系的窗口，可以追溯到四十亿年前——这与地球上生命首次出现的时间相同。
解释为什么火星有古代河流和湖泊是行星科学中一个长期存在的问题。早在 1972 年，卡尔·萨根和乔治·穆伦就指出，由于 年轻的太阳比今天更暗淡，早期的火星应该非常寒冷，除非其气候发生了根本性的变化。今天，对于这个问题有几种有希望的解决方案，但对于哪种方案是正确的，仍然没有共识。
样本返回将直接解决这个问题，因为它将使我们能够以前所未有的方式研究古代火星岩石，寻找有关该世界早期大气和气候性质的化学线索。许多样本已经包装在试管中，等待从火星的杰泽罗陨石坑附近回收，那里是现已消失的古代湖泊所在地，自 2021 年以来，NASA 的“毅力号”探测车一直在那里工作。
“毅力号”对样本的原位研究 已经暗示了古代湖泊高度动态的环境，并且这些岩石中保存的矿物质是未来科学家研究的宝库。例如，对微量同位素的测量可以揭示古代大气层的成分，限制关键地质事件的时间，甚至告诉我们沉积物中矿物质形成的温度。在地球上进行此类工作的技术现在已经非常先进，但它们需要大型实验室和笨重、精细校准的仪器，这使得机器人着陆器和探测车无法使用它们。
火星早期的宜居性尤为重要，因为它对宇宙中其他地方的行星和生命具有重要意义。JWST 的最新观测表明，就像火星一样，其他恒星周围的许多小型岩石世界 也失去了大部分大气层。因此，解决火星宜居性问题也可以帮助我们了解生命是否可能存在于这样的行星上。
MSR 最具革命性的可能结果当然是直接发现古代火星生命。这远非板上钉钉，但这完全有可能，因为早期的火星可能具备启动前生物化学所需的所有成分。在 2021 年的一项研究中，加州理工学院研究员丹妮卡·亚当斯及其同事表明，早期火星大气层可能产生了具有生物学意义的大量氰化氢——尽管氰化氢对人类有毒，但它可能对地球上生命的起源至关重要。在另一项最新研究中，宾夕法尼亚州立大学教授克里斯·豪斯及其同事在盖尔陨石坑的有机物质样本中发现了 可疑的轻质碳同位素，毅力号的“哥哥”好奇号仍在盖尔陨石坑进行探索。这种富集可能是异常大气化学的后果，也可能是由古代微生物的存在引起的，这些微生物优先消耗较轻形式的碳，就像地球上的生命一样。对返回样本的详细研究将使我们能够解决有关早期火星化学和生命的这些以及许多其他问题。
MSR 像所有伟大的科学一样，都具有雄心壮志。它将为地球轨道以外的机器人和载人探索开辟大量新的可能性。正如中国最近取得巨大成功的嫦娥六号任务所表明的那样，该任务刚刚从月球背面带回了首批样本，21 世纪的行星科学现在是一项真正的国际事业。美国在火星探索领域领先了几十年，但火星现在也成为包括中国在内的多个国家感兴趣的目标，中国正在计划自己的样本返回任务，该任务将在 2030 年代将火星岩石带回地球。保持美国在火星探索领域的领先地位是绝对有可能的，但这需要政策制定者的远见和重新承诺，现在就开始。
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