测量火星的尺寸

这次偶然的相遇是21世纪初出现的几个证据之一，这些证据表明火星可能曾经支持过生命。在2002年,美国宇航局的火星奥德赛轨道飞行器发现了大量的地下水冰沉积物，支持了这颗红色星球表面附近曾经有大量液态水的观点。十年前，探测器穿越火星尘土飞扬、几乎冻结的表面，检查自己废弃的隔热板，美国宇航局的机遇号探测车有一个令人兴奋的发现:一个篮球大小的铁镍陨石。今天，这种类型和大小的陨石会在撞击时蒸发。为了存在，它必须被过去更厚、更温暖的大气层所减缓，而大气层已经腐烂成今天稀薄、以二氧化碳为主的状态。

地球化学家说:“有些人认为生命起源于火星，然后来到地球。詹妮弗空白他是美国加州Nasa艾姆斯研究中心的资深科学家。“在太阳系历史的前5亿年，火星上有水，而且温度更高。“那时，大约40亿年前，地球还不适合居住，表面部分熔融，而地球和火星也都受到陨石的撞击。“火星一开始一定是非常潮湿的，而地球上的生命在有可能生存后不久就出现了，”他解释道弗雷德Goesmann来自德国马克斯·普朗克太阳系研究所Göttingen。“即使火星上没有生物，这也会很有趣——我们想找出原因。”

在这些发现的许多含义中，其中一个是在过去的40亿年里，火星的大气层一定发生了一些非常糟糕的事情——但是什么呢?如果火星上可能曾经存在过生命，那么现在还存在吗?在2003年和2004年，一系列轨道飞行器和地球望远镜都报告说火星上有丰富的甲烷，这一前景似乎更加可信。我们星球上的大部分甲烷都是由生物体产生的，那么我们的邻居是否也会如此呢?

这些谜团尤其有助于为当前的火星任务制定科学议程美国宇航局的好奇号探测车．“好奇号”已经在火星上停留了1000多天，证实这颗红色星球上已经存在生命的基本先决条件。但它也凸显了下一代火星任务将寻求解决的一系列新难题。

被摄像机捕捉到

自2012年8月6日戏剧性地下降到盖尔陨石坑以来，好奇号一直由ChemCam布兰克称之为“化学侦察兵”的仪器。布兰克工作规划活动，作为ChemCam的“科学上行链路”，作为“下行链路”，解释潜在的大量光谱返回。她解释说:“ChemCam可以在一天内发射1000发子弹，速度快，消耗的能量少。”“因此它被广泛使用。激光会产生微小的等离子体，然后用摄像机观察等离子体冷却时产生的发光。”

由于它的指导作用，化学摄像机是好奇号第一个识别地球土壤中的水的仪器。布兰克说:“化学摄像机有很强信号的一种元素是氢。”“在表面，所有目标都有很高的氢吸收率。“当好奇号到达并停留在一个被称为Rocknest的沙地地点时，化学摄像机在139个目标中持续发现了约2%的水。¹布兰克说:“那里的水比月球岩石里的水多得多。”但就提取它而言，你将面临与从地球岩石中提取水相同的挑战。

但ChemCam对氢和其他元素(如铁和镁)的特殊敏感性意味着这些元素的光谱会压倒其他元素。布兰克承认:“我也在我的角色中寻找碳和磷，这很有挑战性。”幸运的是，在ChemCam的探测努力之后，好奇号可以调用其他仪器。在Rocknest，好奇号有机会伸出它的机械臂来收集样本——在这个过程中，又引发了另一个火星之谜。

那些不存在的晶体

洛克尼斯特的是第一个用x射线衍射分析的火星土壤好奇号的CheMin仪器．CheMin可以识别大多数矿物质大卫Vaniman来自美国图森行星科学研究所，他是该仪器的副首席研究员。“也许CheMin分析最重要的方面是确定完整的矿物组合，”Vaniman解释道。“这在遥感技术中通常是不可能的。CheMin测量样品中的所有晶体矿物质，并能确定哪些是不存在的。这一点很重要，因为同时出现的矿物质可以表明矿物沉淀或矿物改变流体的组成。”

事实上，“不在场”的人比任何人想象的都要多。大约30-45%的洛克尼斯特大勺没有任何x射线衍射图案，²这一发现在其他地方也得到了证实。“好奇号”的团队仍在努力解释这种无定形物质。

挖出的Rocknest样品也给了火星样本分析山姆(Sam)的仪器有机会展示自己的科学力量，从水残渣中得出重要结论。Sam包含一个可以将样品加热到900°C的炉，监测气相色谱-质谱(GC-MS)和可调谐激光光谱仪(TLS)释放的气体。罗克尼斯特解释说，水是释放的气体之一保罗Mahaffy他是美国马里兰州Nasa戈达德太空飞行中心行星环境实验室的负责人。

萨姆后来发现，在火星上遇到的泥岩中含有1.5-3%的水，但更重要的是，它还确定了水的来源。这些线索来自Sam的TLS，它可以测量氘与氢的比率(D/H)。^3.马哈菲说:“温度较低时释放的水来自大气。”“它的D/H比接近大气值，所以这些水必须与大气交换。”在550°C以上的温度下释放的水保持着比30亿多年前低得多的D/H比。从那以后，大气中失去的氢比氘多，剩下的氢富集成了氘。”

山姆还发现了二氧化碳、氮、氩和氙等较轻同位素的流失，这表明大气在稳步地自上而下地流失。气体逃逸的过程和速率目前也正在由美国宇航局进行研究火星大气与挥发物演化(Maven)探测器，其椭圆轨道在不同高度进行测量。美国宇航局2014年12月的一份声明暗示，轨道飞行器已经观测到来自太阳的高能粒子作用于上层大气气体的过程的证据。

安全港

知道火星上有水，问题就变成了它是否能支持生命。图像美国宇航局的火星勘测轨道飞行器显然显示了一个曾经的湖泊，在一个叫做黄刀湾的盖尔陨石坑里，可能有生命存在。好奇号从洛克尼斯特出发，前往耶洛奈夫湾钻探岩石，发现它们实际上是由古代泥土形成的。

瓦尼曼解释说:“其中一个目标是确定粘土矿物是否存在，如果存在，它们是酸性或高温变化或更良性条件下的产物。”“在Yellowknife湾，粘土矿物是一个关键成分，CheMin确定它们是与75°C以下地层一致的蒙脱石，在这个温度范围内，生命是可能存在的。这些样本明显缺乏一些在火星其他地方观察到的矿物质，比如表明酸性水的硫酸铁。黄刀湾唯一的硫酸盐矿物是硫酸钙，更符合近中性溶液的沉淀。”

CheMin还发现，这些矿物中含有不同氧化态的硫和铁。⁴“这些可以被那些需要氧化或还原来支持新陈代谢的生物使用，”Vaniman说。山姆和好奇号的阿尔法粒子x射线光谱仪已经发现了生命的每个关键元素——碳、氢、氧、磷和氮——这意味着黄刀湾满足了宜居的基本条件。

但火星上存在生命的更有力证据仍然难以找到。值得注意的是，山姆在大气中发现的甲烷通常只有十亿分之一，没有证据表明它是由微生物产生的。然后，在“好奇号”在火星表面停留了一年多之后，这一水平飙升至约7ppb，并在这一水平上停留了两个月后再次下降。⁵“甲烷为什么来了又走?”马哈菲问。“我们还不明白这一点。”

越来越奇怪了

对生物体可能产生的更复杂的有机分子的研究可能会受到一种与20世纪70年代的奇怪观测有关的现象的阻碍。然后，两个美国宇航局海盗号着陆器检测到氯甲烷和二氯甲烷，当时被认为是地球上使用的残留清洁溶剂。他们的研究结果还表明，火星表面覆盖着一种高度氧化的化合物过氧化氢，这种化合物会迅速破坏有机化学物质。然而在2009年美国宇航局的凤凰号着陆器在火星北极附近发现了极具氧化性的高氯酸盐——在地球上有价值的火箭推进剂。从那时起，一些科学家进行了实验，表明有机物和高氯酸盐之间的反应可能是维京人检测到的氯甲烷和二氯甲烷的原因。⁶

山姆的测量进一步证明，高氯酸盐在火星表面无处不在，创造了一个极其恶劣的现代环境，对生命构成了严峻的挑战。2015年4月，美国宇航局的科学家根据“好奇号”的温度和湿度测量结果表明，这些盐有时甚至可以帮助土壤在夜间形成液态盐水。⁷它们可以吸收水分，并降低其冻结温度，这足以解释火星勘测轨道飞行器在温暖季节在斜坡上看到的“暗流”。

这凸显了在另一个星球表面进行分析化学的挑战

布兰克认为，这种现象为在火星尘埃中发现的神秘无定形成分CheMin提供了一种潜在的解释。她说:“人们一直在讨论，这些盐水是否会在数千年的时间里帮助侵蚀表面物质，然后形成这种无定形相。”对我来说，长期低温表面操作是最吸引人的假设。

虽然Sam通过其常用的加热方法检测到了一些有机化合物，但这种加热可以加速高氯酸盐的氧化，将它们消灭。Sam Goesmann解释说，为了克服这些问题，仪器携带了有限数量的“可以将翅膀附着在分子上的奇怪化学物质”，也就是人们熟知的衍生化试剂。为了分离极性有机分子，如氨基酸，更容易分解而不是蒸发，一种这样的液体无意间变得更加突出——因为它会泄漏。

Mahaffy解释说:“在我们的第一个GC-MS实验中，我们看到了湿化学剂的反应产物。”“我们非常有效地围绕着这种陆地蒸汽工作，现在也让它发挥它的作用。”这与我们实验的原始设计不同，但它是有效的，我们检测到的有机化合物比没有这些试剂时可能检测到的要多。但这凸显了在另一个星球表面实施复杂的分析化学技术的挑战。”

对有机物的探索

“好奇号”在努力克服这些困难的同时，下一代火星任务也在为这些困难设计仪器。Goesmann是火星有机分子分析仪(Moma)仪器上最大的是欧俄联合天外火星探测器计划于2018年发射。Moma将包括GC-MS(使用与Sam类似的衍生试剂)和激光解吸质谱法。

Goesmann解释说:“激光电离的速度非常快，在这些分子与任何物质反应之前，它们就已经处于气相了，而且你可以看到非常重的分子。”“缺点是你要同时观察所有的东西，你不能把分子分离出来。这就是为什么我们要飞行这个组合。他和他的同事已经尝试在高氯酸盐存在的情况下使用这项技术，发现许多有机分子可以存活。

为了成功提取有机分子，Moma正在配备GC功能，可以分离镜像异构体。Goesmann说:“基本的想法是找到模式。”“如果你只是在做统计化学，混合试剂，让它们发生反应，对手性没有特别的偏好。如果没有对映体过剩，那就意味着有点无聊，可能是统计学上的。如果存在强烈的偏好，是什么导致了这种对称性的破坏?生物学有很强的偏见，而化学实验室没有。”

布拉德福德大学的豪厄尔·爱德华兹强调说，ExoMars任务还将是第一个将拉曼光谱仪器发送到行星表面进行远程分析的任务。爱德华兹和莱斯特大学的伊恩·哈钦森是拉曼激光光谱仪(RLS)探测器和电子设备背后的英国团队的负责人。该工具将在ExoMars防止氧化表面环境的工作中发挥重要作用。爱德华兹说:“这次任务的一个新颖之处在于钻头，它将从地表以下约两米的地方采集样本进行分析。”RLS是非破坏性的，适用于有机和无机分析，在它传递给其他ExoMars仪器之前，它将是回收材料的“第一通道分子审问技术”。

这与美国宇航局的下一个火星车任务——火星2020——截然不同。“火星2020”还将配备一个拉曼仪器，名为“用拉曼和发光扫描有机和化学物质”，或Sherloc。Sherloc旨在分析地表矿物和潜在的生物地质样本，特别是针对碳环化合物。

如果成功的话，这些仪器将使人类更接近于回答长期以来让我们着迷的问题——地球上的生命有多独特?但目前，Goesmann正专注于一个更简单的问题。“寻找生命是件大事，”他说。“如果这是一只跳上跳下的仓鼠，好吧，我们发现了生命，但我更愿意说我们正在努力寻找有机分子。在表面，它们可能被氧化了，但在更深处，它们可能被嵌入了某个地方。在其中发现有机物和图案，我会很高兴。”

安迪·Extance是一位生活在英国埃克塞特的科学作家．