一块颇具潜力的火星岩石正等待返乡之旅
一块名为“蓝宝石峡谷”的岩石被密封保存在NASA“毅力号”火星车内，其中蕴含着科学家希望研究的化学线索，以寻找古代生命可能存在的证据。原本计划将它带回地球的任务已被取消。NASA最初的火星样本返回计划估算成本高达110亿美元，预计返回时间也推迟至2040年。
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中国正采取另一条路线。根据中国政府2025年7月发布的天问三号任务概要，天问三号计划于2028年前后发射，并于2031年前后将至少500克火星样本送回地球。若成功，中国将成为首个在火星采集样本并将其带回地球的国家。
取消计划前，NASA已为样本取回项目投入约25亿美元。“毅力号”已经将样本存入33支采样管。这些样本是在多年探索过程中采集的，地点位于杰泽罗陨石坑。30多亿年前，河流曾在这里汇入一座湖泊。
这场竞争的意义不止是谁先抵达。中国任务将从另一处地点采集自己的样本。“蓝宝石峡谷”取自一块有斑点的岩石，位于一条古河道旁；除非有其他任务将它取回，否则它仍将留在火星上。
NASA局长贾里德·艾萨克曼表示，该机构最终仍打算将样本带回地球，可以使用机器人，也可以由宇航员执行任务。目前尚未公布时间表或替代任务。与此同时，中国正着手建造计划发射的航天器。
科学家为何关注“蓝宝石峡谷”
2024年7月，“毅力号”在涅瑞瓦河谷附近采集了“蓝宝石峡谷”。它取自一块箭头形岩石，名为“夏耶瓦瀑布”。涅瑞瓦河谷由流入杰泽罗古湖的河流侵蚀而成。火星车钻取了一块圆柱形岩芯，大小约如一段粉笔，并将其密封在采样管中。
“夏耶瓦瀑布”之所以引人关注，是因为岩石上有一些酷似豹纹的小斑点。在地球上，微生物消耗埋在沉积物中的有机物时，可能会形成类似特征。微生物活动会改变附近铁矿物的化学性质，留下浅色斑点或晕圈。
普渡大学博士后研究员、“毅力号”科学团队成员阿德里安·布罗兹参与撰写了一篇关于这块岩石的研究论文，该论文于2025年9月发表。他这样描述这项发现为何格外引人注目：
我认为，这是我们第一次发现某种东西，足以称为‘潜在生物特征’。
生物特征是可能由生命产生的物理或化学现象。研究“蓝宝石峡谷”的科学家需要判断，这些斑点究竟是由微生物形成，还是由普通化学反应造成。周围的泥岩中也有大量类似特征，为研究人员提供了更广阔的地质背景。
早在“毅力号”于2021年2月抵达之前，水就已塑造了这片地貌。这里曾有河流和湖泊，因此杰泽罗成为寻找岩石的理想地点：这些岩石可能保存着数十亿年前生物留下的痕迹。
地球实验室为何不可或缺
“毅力号”配备了用于分析岩石化学成分和结构的仪器，但部分科学设备的设计目的，是筛选出日后可在地球上研究的样本。火星车必须在电力、重量和设备方面受到限制。地球上的实验室则能对同一样本的微小部分运用更多种类的技术。
普渡大学地球、大气与行星科学教授、“毅力号”团队成员布里奥妮·霍根解释了直接研究样本的必要性：
我们可以继续开展这些研究，发现这些线索，但在把样本带回地球之前，我们永远无法确切知道答案。
来自火星的陨石ALH 84001展示了这类研究有多么复杂。它于1984年在南极洲被发现，最初被解读为可能含有古代生命的残留物。后续研究表明，地质过程也能形成看起来像生物痕迹的特征。
因此，研究“蓝宝石峡谷”的科学家需要找到多种相互印证的证据。他们可以分析矿物结构、有机分子，以及化学变化与岩石历史之间的关系。将样本带回地球，也能让不同实验室重复测试并比较结果。
样本取回计划为何变得过于昂贵
NASA与欧洲空间局共同制定的火星样本返回计划，需要多艘航天器协同工作。一台着陆器将把一枚小型上升火箭送到火星。“毅力号”会将采集的样本送到着陆器，在那里装入容器，再发射进入轨道。
一艘在火星上空等待的欧洲航天器将捕获样本容器，携带它飞向地球，并释放一个能够安全着陆的返回舱。从火星发射物体，以及在轨道上收集物体，都是太空探索史上的首次尝试。
工程难点在于，既要运送足够的设备和推进剂，又要让航天器轻到能够发射和着陆。NASA的接力方案把这些任务分配给多种飞行器，也因此增加了多个可能受延误或技术问题影响、进而拖累整个任务的环节。
地球与火星大约每26个月迎来一次较理想的发射窗口。错过一次就可能让计划推迟约两年，因此航天器的研发期限尤为重要。
原计划的最高估算成本为110亿美元。2024年提出的一项修订方案估算成本约为70亿美元，但外界仍对其可负担性以及能否实现较低估算提出疑问。NASA在2026财年预算申请中提议终止火星样本返回计划，国会于1月批准取消该计划。
2011年，火星样本取回被列为NASA行星科学领域的最高优先事项。计划取消后，科学家成功采集有重要研究价值的岩石，却缺少直接研究它们的途径。
塑造这场竞争的时间节点
随着返回方案日益复杂，NASA的计划屡次调整。中国则把采样与返回整合为一个任务组合，并借鉴了火星着陆和月球采样任务的经验。
两项任务的主要进展，展现了它们如何走到目前这一步：
- 2021年2月：“毅力号”在杰泽罗陨石坑着陆，开始研究古代环境并采集样本。
- 2021年5月：中国天问一号任务在火星着陆，并部署“祝融号”火星车。
- 2022年：NASA调整样本取回方案，计划由“毅力号”将样本送至着陆器，并以回收直升机作为备用方案。预计返回时间推迟至2033年。
- 2024年：中国通过嫦娥六号任务从月球背面带回样本。NASA重新评估火星样本取回计划，“毅力号”于7月采集了“蓝宝石峡谷”。
- 2025年7月：中国政府公布天问三号计划，目标是在2028年前后发射、2031年前后返回样本。
- 1月：国会在NASA提出终止计划后，批准取消火星样本返回项目。
- 2026年3月：天问三号总设计师刘继忠表示，项目将在2026年进入飞行器硬件研制阶段。
- 2026年底：中国科学团队计划将着陆候选区域缩小至三个最终选项。
中国在3月宣布转入硬件研制阶段，这标志着项目不再停留于原型设计。官方时间表仍是2028年前后发射、2031年前后返回；另有报道称发射时间为2031年，与该时间表不符。
天问三号将如何采集和运回样本
计划于2028年末在中国海南岛文昌发射两枚长征五号火箭。一枚将搭载着陆器和上升设备，另一枚将搭载轨道器及地球返回系统。
中国政府表示，飞往火星需要七至八个月，随后将在火星开展约一年的任务。按照整体任务安排，着陆器主要在火星表面采集样本的阶段预计持续约70天。
天问三号将采用三种采集方式：在表面铲取样本、钻取深达2米的样本，以及派遣无人机采集额外样本。任务不携带火星车。任务首席科学家、中国科学院院士侯增谦表示，无人机能够抵达着陆点数百米范围内的地点。
钻探系统可以获取地下样本，无人机则能将采样范围扩展到着陆器附近以外的区域。相比只在航天器旁用铲子采样，这些方法结合起来有望获得更多样的样本。
采集完成后，上升器将把装有至少500克样本的密封容器发射至火星轨道。等待中的轨道器将接收容器，并启程返回地球。中国的月球任务提供了有益经验，但从火星起飞并在轨道上交会仍需要新的能力。
安全着陆限制了中国可探索的区域
根据侯增谦在2025年7月发布的官方任务概要，天问三号科学团队已将最初80多个着陆候选区域缩小至19个，三个最终候选区域将于2026年底前确定。科学家青睐那些可能适宜生命生存、并能保存生命痕迹的地点。
工程要求也对选址设定了严格限制。着陆点必须位于北纬17至30度之间。任务说明要求该区域海拔至少低于火星平均海拔3公里，以便航天器在下降过程中穿过更多大气层并减速。
预计着陆椭圆区，也就是航天器可能着陆的范围，约为50公里乘20公里。与无人机的采样范围相比，这是一片相当大的区域。因此，任务需要选择一个广大范围内都能获取有价值样本的区域，而非只有一处小型露头。
“毅力号”采取了不同做法：它在杰泽罗陨石坑内行进，并挑选地质背景有详细记录的岩石。科学家知道每个样本的来源，以及它与附近岩层和古代水体特征之间的关系。天问三号不会经过多年的火星车勘察，而是采集较为局部的一组样本。
杰泽罗不在中国目前公布的候选区域之列。天问三号若成功返回样本，将为研究火星开启新的窗口；而“蓝宝石峡谷”仍将等待自己的取回任务。两批样本来自火星不同区域，将帮助回答不同问题。
科学家将开展哪些检测，以及如何保护样本
天问三号的科学目标包括寻找可能的生命迹象、研究火星维持生命的能力如何变化，以及考察火星的地质历史。这些目标将生命问题与火星的水、大气和岩石联系起来。
参与任务规划的香港大学天体生物学教授李一良介绍了几种可能的研究方向。研究人员将寻找与生物功能有关的分子、微观化石痕迹，以及同位素比例的变化。
同位素是同一化学元素中质量不同的原子。生命过程可能会优先利用其中一种。在地球上，光合作用倾向于利用较轻的碳，因此会使碳同位素的比例出现可测量的变化。研究人员将结合样本中的矿物和其他化学特征，分析火星样本是否存在类似规律。
中国还计划建设一座安全实验室，配备高度洁净的工作区和生物安全设施。侯增谦表示，样本链路将涵盖采集、密封、运输、处理和生物风险评估，并遵循空间研究委员会制定的行星保护政策。
行星保护有两个目的：避免地球生物污染火星，并安全封存从其他天体带回的物质。洁净处理也有助于科学家判断某种化学痕迹究竟源自火星，还是在采集和分析过程中进入了样本。
侯增谦表示，在满足安全要求的前提下，国际科学家将能够研究返回的样本。多家实验室参与研究，既能拓展检测范围，也能让研究人员相互验证结果。
NASA和欧洲仍有哪些可能的选择
NASA表示正在研究更简单、成本更低的样本取回方案，其中包括商业机构和国际合作伙伴参与的方案。洛克希德·马丁公司提出一项固定价格低于30亿美元的任务，计划在2037年前取回“毅力号”的30份样本，并借鉴“洞察号”火星着陆器和OSIRIS-REx小行星采样任务的经验。
根据洛克希德·马丁公布的价格上限，其方案成本不到原计划110亿美元最高估算的三分之一。该公司提出的样本返回时间比中国的2031年目标晚六年。NASA尚未采纳这项提案。
国会通过的折中拨款法案为“火星未来任务”拨款1.1亿美元。这笔资金可能用于支持改进着陆技术及其他有助于后续探索的能力，包括未来的样本取回任务。
欧洲空间局正在研究，是否可以调整用途，让其地球返回轨道器从火星轨道开展探测。该轨道器的研发进度比样本取回着陆器更快。日本也在推进从火星卫星“火卫一”采样的计划。小行星撞击火星时抛出的物质可能留存在这颗卫星上。
“毅力号”和“好奇号”将继续使用各自搭载的仪器开展研究。“毅力号”密封保存的样本可留待未来任务取回，火星车也还剩一些尚未使用的采样管，可用于后续发现。
NASA火星探索计划分析小组主席维多利亚·汉密尔顿这样描述计划取消对科学界的影响：
这令人深感失望。
NASA已经完成了难度很高的工作：寻找并采集有研究价值的岩石。如今，中国拥有了更明确的样本返回路线。对科学家而言，核心目标仍是获取能够揭示火星历史的材料，并判断火星历史中是否曾有生命参与其中。
要点
- NASA的火星样本返回计划因成本上涨和进度延误而取消，“毅力号”采集的样本仍留在火星上。
- 科学家希望检测“蓝宝石峡谷”上的斑点，判断它们是否可能源自生物活动。
- 中国官方目标是于2028年前后发射天问三号，并于2031年前后带回至少500克样本。
- 天问三号计划在火星表面铲取样本、钻取深达2米的样本，并使用无人机采样，不携带火星车。
- 中国计划在2026年底前选出三个最终着陆候选区域。杰泽罗不在已公布的候选区域之列。
- 洛克希德·马丁提出的样本取回任务尚未获采纳，NASA也未公布替代计划的时间表。
