一段为期五年的旅程，目标是带回至少10克样本
日本的火星卫星探测器（MMX）已启程飞往火星，肩负一项规模不大却雄心勃勃的任务：从火星卫星火卫一采集至少10克物质，并于2031年带回地球。这些颗粒中可能混有从火星表面撞击飞出的碎片，让科学家得以研究这颗行星的物质；此前，直接从火星采样并带回地球的计划一直受成本和工程难题所困。
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这项名为MMX的任务于日本标准时间10月20日凌晨4时41分，从种子岛宇宙中心搭乘H3火箭升空；美国东部时间为10月19日。约71分钟后，探测器与火箭分离，建立通信并展开太阳能板。
日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的MMX项目经理川胜康弘介绍了探测器分离后的状态：
目前一切顺利。
JAXA的MMX任务概览介绍了整个旅程：观测火星的两颗卫星、提前派遣一辆探测车、在火卫一采样，并在澳大利亚回收返回舱。该机构的目标是总计带回至少10克样本，并未保证每次着陆都能采到特定数量。
MMX延续了日本“隼鸟”系列任务的经验。该系列任务于2010年和2020年分别从小行星糸川和龙宫带回样本。此次任务的目的地带来了新的挑战：探测器要在一颗小卫星附近作业，同时还受到体积大得多的火星持续引力牵引。
JAXA理事长山川宏宣布发射成功，并谈到任务的开始：
为期五年的漫长旅程刚刚开始。
从发射到在澳大利亚着陆，途中有哪些安排？
MMX预计将于次年8月抵达火星，随后花约三年时间考察火星及其卫星。返程预计还需约一年。
JAXA的MMX项目页面以日本财年列出了大致日程：2026财年发射、2027财年进入火星轨道、2031财年返回。日本财年从4月开始，而任务更详细的公开行程则将返回地球的时间定在公历2031年。
- 2026年10月20日，日本时间：MMX搭乘H3火箭从种子岛发射。
- 2027年8月：探测器预计抵达火星，并开始观测任务。
- 2028年底或2029年初：运行计划预计Idefix探测车将在这一时期部署，探测器可能于2029年着陆。JAXA公开的任务流程则将详细观测和采样活动列在2030年。
- 2030年：MMX计划离开火星。发射报道指出，计划离开时间为11月。
- 2031年：装有样本的返回舱预计将在澳大利亚着陆，之后样本将运往日本。
较小的火星卫星火卫二也在观测计划之列。MMX计划通过远距离观测和飞掠对其进行研究。详细采样计划的目标是火卫一；火卫二则将通过探测器观测进行考察。
为什么这些卫星的起源如此难以解释？
火卫一宽约22公里，绕火星运行的轨道距火星表面约6000公里，每天绕行约三圈。火卫二更小，宽约12公里。两者都不像地球那颗体积庞大、形状浑圆的月球。
目前有两种主要假说试图解释它们的起源。捕获说认为，它们原本是小行星，后来被火星引力捕获。巨撞击说则认为，一次碰撞将火星物质抛入太空，其中一部分聚集形成卫星。
它们的暗色表面与某些原始小行星相似，这支持捕获说。它们绕火星赤道运行的轨道近乎圆形，则更符合由碰撞碎屑环形成的情形。火星引力相对较弱，也使其难以捕获完整掠过的小行星。
美国国家航空航天局（NASA）太阳系小天体首席科学家汤姆·斯塔特勒介绍了MMX将如何检验这些解释：
通过飞往火星卫星、近距离研究它们并将样本带回地球，我们就能判断火卫一物质的成分究竟更接近小行星，还是更像火星遭受撞击后产生的碎屑。
这些颗粒可能揭示哪些水和行星历史信息？
实验室测量或可区分两类物质：一类是在巨大碰撞中受热的物质，另一类是保存在古老小行星内部的物质。巨撞击可能留下玻璃质岩石、受极端压力改变的矿物，以及易于汽化的物质（包括水）流失的证据。
若样本源自小行星，则可能含有富碳物质、黏土和有机化合物。有机化合物是含碳的化学物质，其中包括许多参与生命活动的物质。科学家将研究它们的组成和演化历史，以及周围的矿物。
水的化学特征也可能提供线索。普通氢和较重的氢同位素氘，在太阳系不同区域的比例各不相同。测量带回样本中的氢氘比，有助于研究人员确定物质的形成地点，并探究水如何抵达岩质行星。
科学家也在检验对两种主要起源理论的其他解释。伦敦帝国理工学院行星科学家雅各布·凯格雷斯模拟了小行星被火星引力撕裂的过程，碎屑盘可能由此形成并生成卫星。SETI研究所研究科学家马蒂亚·丘克则研究了另一种可能：卫星反复解体并重新聚合，形成更小的天体。
矿物的年龄和太空暴露造成的影响，或有助于检验这些演化历史。研究人员还希望完善火星周边撞击事件的时间线。测定带回颗粒的年龄，可以为他们提供更可靠的参照，而不必像目前那样借用根据地球月球建立的年代体系。
火卫一可能收集了来自火星的碎片
小行星撞击火星时，可能会把岩石和尘埃抛入太空。由于火卫一在附近运行，其中一些碎屑可能落到其表面。因此，MMX采集到的样本可能混合了火卫一物质和源自火星的颗粒。
北海道大学行星科学家、任务国际科学团队负责人仓本圭司估计，火星物质可能约占样本的1%。按总重10克计算，其中约有0.1克，即100毫克，来自火星。实际比例要等研究人员识别并分析带回的颗粒后才能确定。
有些碎片可能来自火星较温暖、较湿润时期形成的古老岩石。另一些可能是后续撞击从地壳深处挖掘出来的。研究人员或许能将部分较年轻的物质与相对近期形成的火星陨石坑联系起来。
要识别这些颗粒并不容易。它们可能极其微小，原始位置也可能难以确定，而且在没有大气层的火卫一表面受到辐射照射，性质已经发生改变。科学家需要通过化学成分、矿物结构和年龄测量来重建它们的演化历史。
探测车率先驶入引力极弱的环境
由法国和德国航天机构提供的Idefix探测车，计划在主探测器尝试着陆前先行探索火卫一。探测车重约25公斤，预计可运行约100天。
MMX将在距表面不到100米的高度释放探测车。火卫一表面重力不到地球的千分之一，因此探测车将缓慢下降。着陆过程仍十分棘手：机器人可能反弹或倾倒，行驶时也必须仔细控制，确保车轮与地面接触。
Idefix配备了用于研究矿物和表面性质的相机及仪器。它的观测结果将帮助团队判断地面是坚硬还是松散、识别危险，并选出具有重要地质信息的地点。
主探测器也将使用相机、激光雷达和光谱仪等13台仪器进行勘察。激光雷达利用激光测距，让团队绘制坡度和地表形态。光谱仪则分析光或其他辐射，以识别其中的物质。
NASA提供的设备包括MEGANE伽马射线和中子光谱仪，由约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员研制。它将测量高能粒子撞击表面时产生的信号，帮助科学家确定火卫一含有哪些化学元素。
两种采样方式，容错空间极小
MMX必须以约10米的精度抵达选定着陆点。火卫一地形不平、重力极弱，且其引力环境受到火星强烈影响。探测器将沿一条使其保持在火卫一附近的火星轨道运行，这种轨道称为准卫星轨道，而非进入绕火卫一运行的普通稳定轨道。
JAXA计划最多实施两次着陆，让任务有机会从不同地形采集物质。通过特定滤镜观察，火卫一有些区域呈红色，有些呈蓝色，这可能反映了矿物、撞击或太空暴露方面的差异。
取芯装置将深入表面约2厘米。NASA提供的第二套采样装置将释放加压氮气，把松散颗粒吹入容器。两种方法并用，可让团队同时获取浅层地下物质和表面尘埃。
预计探测器将在地面停留数小时。着陆支架必须轻柔地吸收冲击，避免探测器倾倒或反弹回太空。工程师还必须应对通信延迟；JAXA称，信号往返探测器的时间最长可达44分钟。
因此，地面控制人员无法在下降过程中即时作出响应。探测器需要依靠机载导航和控制系统，按照计划完成接近过程并应对快速变化。
寻找古代生命的探索能走多远？
科学家希望，可能来自火星的颗粒能揭示生命曾经可能存在的环境。与水有关的矿物和保存下来的有机化学物质，有助于重建这颗行星过去的环境。
任务科学团队负责人仓本圭司谈到了这一更大胆的可能性：
我确实认为，沙样中可能含有生物活动留下的化学痕迹。
关于生物在撞击中存活能力的研究，有助于解释科学家为何考虑这种可能性。约翰斯·霍普金斯大学刚毕业的博士生莉莉·赵，让耐受力极强的细菌耐辐射奇球菌承受模拟小行星撞击某些特征的冲击。部分细菌在高达海洋最深海沟压力30倍的环境中存活下来。
这项实验探讨的是一段艰难旅程中的一个环节。任何从火星飞往火卫一的生物物质，还必须经历被抛出、穿越太空、着陆以及长期暴露于辐射等过程。研究人员分析MMX样本时，需要研究这段历程，同时严格控制来自地球的污染。
茨城大学宇宙化学家、样本分析团队负责人藤谷涉预计，这些颗粒将在相模原市JAXA宇宙科学研究所的防护实验室中处理。真空或化学性质稳定的氮气将有助于保存样本，供后续研究。
与火星岩石取样竞赛不同的路线
自2021年以来，NASA的“毅力号”火星车一直在采集精心挑选的火星样本，并记录样本所在岩石及周边环境。由于成本不断上升、技术可行性受到质疑，包括如何从火星表面发射已采集的样本，原定的样本取回计划已失去国会拨款。
MMX选择了另一条路线：从重力弱得多的卫星上采样。在火卫一发现的火星颗粒，将让科学家得以研究地质历史较不确定的物质；而采集火卫一样本本身，也将帮助解答有关卫星形成和物质在太阳系中迁移的问题。
中国的天问三号任务计划于2028年前后发射，最早可能在2031年从火星直接带回样本。该任务的时间表与MMX的返回安排意味着，究竟谁会先返回仍不确定。
发射前公布的成本估算为5.78亿美元，而发射前发布的一项估算为3.5亿美元。共有五个航天机构参与这项任务，结合日本在航天器和样本返回方面的经验，以及国际合作伙伴提供的仪器、探测车技术和科学支持。
在澳大利亚回收返回舱后，JAXA计划对样本进行分类和编目，再分发部分样本用于研究。NASA约翰逊航天中心预计将获得样本总量的15%。如果MMX恰好带回10克样本，分给该中心的部分将重1.5克。
日本此前的小行星任务表明，极少量样本也能支撑大量实验室研究。现在，MMX必须完成更艰巨的实际任务：抵达火星、勘察陌生地表、安全着陆、采集物质并将其送回地球。苏联和俄罗斯曾多次尝试探测火卫一，包括2011年发射的“福布斯-土壤”任务，但都未能完成目标。
要点
- MMX于日本时间10月20日从种子岛发射，对应美国东部时间10月19日。
- JAXA计划于2031年将至少10克火卫一物质带回地球。
- Idefix探测车将先行勘察表面，之后探测器最多进行两次着陆，并使用取芯和气体采样装置。
- 带回的颗粒可能有助于解释火星卫星如何形成，以及水和有机物质如何在太阳系中迁移。
- 科学家估计，火星碎屑可能约占样本总量的1%。
- 返回舱预计将在澳大利亚着陆，样本之后将在日本研究并与国际合作伙伴共享。
