“天眼”“地目”将合力破解火星表面矿物成分之谜
2021/6/30 17:00:00 中科院之声
6月27日，党的百年华诞前夕，国家航天局发布我国天问一号火星探测任务着陆和巡视探测系列实拍影像，包括着陆巡视器开伞和下降过程、“祝融号”火星车驶离着陆平台声音及火星表面移动过程视频、火星全局环境感知图像、火星车车辙图像等。
在我国首次火星探测任务中，中国科学院上海技术物理研究所为天问一号火星探测器研制了两项有效载荷，分别是位于环绕器上的火星矿物光谱分析仪与位于祝融号火星车上的火星表面成分探测仪。两台载荷均正按计划对火星表面元素与矿物成分开展科学探测。
2月，天问一号环绕器携带着陆巡视组合体，成功切入环绕火星轨道并成为火星的一颗人造卫星。5月，天问一号探测器成功着陆于火星北半球的“乌托邦平原”区域，此处是优秀的备选着陆点，不但有足够的太阳光照，可以保证“祝融号”火星车不会饿肚子；同时，地势平坦、海拔较低，没有大块岩石，探测器着陆时会更安全，火星车在火星表面行走时会更轻松。此外，乌托邦平原是古海洋与陆地的交界面，在这里，说不定还可以发现火星生命的迹象哦!
图1 天问一号拍摄的乌托邦平原影像
为了对预选着陆区环境条件进行进一步确认，同时获取着陆区的地形、沙尘暴天气等信息，为探测器实施软着陆提供保障，确保探测器在着陆过程中的安全，天问一号从2月至5月开展了长达三个月之久的火星环绕探测，直到5月15日，我国首次火星探测任务“天问一号”探测器所携带的祝融号火星车及其着陆组合体，成功在火星北半球的乌托邦平原南部着陆，标志着中国成为世界上继苏联和美国之后第三个真正实现火星软着陆的国家。此时，祝融号早已驶离着陆平台，踏上火星探索之旅了。图2是由“祝融号”火星车拍摄的驶离着陆平台和在火星表面的图像，从此火星表面又多了一个新成员。
图2 左图为前避障相机拍摄祝融号火星车驶离着陆平台图像，右图为导航相机拍摄的火星车在火星表面图像
图3 分离相机拍摄的“着巡合影”图
图4 火星探测全家福
(图片来源：NASA/JPL/Roscosmos/JAXA/ESA/ISRO/MBRSC/Jason Davis/The Planetary Society)
接下来，我们要说说探索火星那些事。火星是太阳系八大行星中与地球最为类似的星球，火星早期(35-45亿年)有大量与水相关的化学风化过程，之后由于火星大气和水分的丧失而几乎停止化学风化，保存了早期演化过程。通过火星表面存在的原生矿物、次生矿物可以研究火星物质成分相关的地质演化过程。除此之外火星还可能有过生命，机遇号在火星表面用全景相机拍摄到了类似地球生物的照片，更加引起了人们探索火星生命的欲望，人类移民火星又多了一分希望。
图5 机遇号全景相机做相机拍摄的火星图像Sol88和Sol37，真菌、地衣、地貌学和矿物学专家从形貌上分析认为图中蓝莓状样本为地衣生物，大小大约为2-6mm(但是缺乏直接证据)
那怎么才能证明火星上是否真的有生命存在呢，这就要从火星表面的物质成分探测入手了，首先水是生命赖以生存的最基本条件，无疑是一条最重要的线索；生命就要有生命活动， 地球上绝大部分有机质是生命活动的产物，“火星快车”上的光谱仪首次在火星大气中探测到甲烷，并且浓度在空间上是不均一的、季节性变化的，“好奇号”在着陆区大气中也检测到了甲烷的存在，并且在土壤中首次发现了更长链的有机分子；进一步，盛世淑等人在实验室研究发现可以利用N/C/H元素的含量比值鉴定细菌，可见物质成分和元素分析是我们发现火星生命最有效的手段。
要说对火星的物质成分和元素分析，那可离不开前面提到的火星矿物光谱分析仪和火星车上的火星表面成分探测仪这两台“火眼金睛”的科学载荷。它们俩将从轨道遥感被动光谱测量和火星表面主动光谱测量两个方面对火星物质成分进行具体研究。
首先就是我们的“千里眼”--火星矿物光谱分析仪，在环绕降落到近火轨道800km以下后，利用环绕器的轨道运动能力，在高空中获取火星表面的成像光谱信息，主要可以涵盖可见图像成像、可见光谱探测、红外成像和红外光谱探测，可以获取火星表面光谱信息以分析火星表面的矿物种类、含量和空间分布情况。下面这两张图就是它的真面目和它认真工作时的状态。
图 6 左图为火星矿物光谱分析仪照片，右图为其在火星表面探测示意图(He et al.2021)
火星表面也是由多种基本矿物组成的，太阳光照射在火星表面会发生反射，不同的矿物就会对太阳光产生不同的反射效应，我们的“千里眼”接收到火星表面反射的太阳光，经过处理就会得到具有不同吸收峰的连续谱线(如图6所示)，这就像人的指纹一样是独一无二的，这样就可以对火星表面有什么矿物进行解密了。
图7 火星矿物光谱分析仪在实验室测量的多种火星主要矿物的连续反射谱线
除了我们在环绕器上的“千里眼”，我们在祝融号上还有一双眼睛—“火星表面成分探测仪”，它就在祝融号的五星红旗附近的位置，是不是真的像一双眼睛一样。它也叫做“激光诱导击穿光谱仪”，本质上也是测量表面物质的谱线，不过火星表面成分探测仪测量的是元素的“指纹”——激发谱，从而进行元素的识别和定量反演，它是由三部分组成的：LIBS+显微成像单元、短波红外光谱单元和二维指向镜单元。它工作时和矿物光谱分析仪可不太一样，要给火星表面“扎针”的，就像图6展示的这样，首先是有火星车上的地形相机寻找探测目标，然后LIBS模块激发激光，通过“瞄准镜”--二维指向镜使激光击中观测的火星表面岩石，高能量激光电离岩石元素，产生辐射的原子光谱(如图7所示)，根据谱线的位置和强度就可以识别和确定元素的含量了。
图8 祝融号火星车火星物质成分探测仪与导航相机联合探测
图9 远程LIBS系统组成示意图与元素等离子体的辐射光谱
火星表面成分探测仪是利用火星表面元素的“指纹库”来进行元素识别的，为了给它建立一个“指纹库”，国科大杭州高等研究院专门成立“行星科学与深空探测实验室”，实验室有一个大块头—火星表面环境模拟装置，这个大块头可以真实模拟火星表面的大气成分、大气压力以及温度等条件，将火星表面成分探测仪的亲兄弟在与它近似相同的条件下测量不同样品的“指纹”，建立一个数据库，也可以开展更丰富的科学实验，利用“天”“地”的数据一起解密火星的物质成分信息。
图10 火星环境模拟装置
神秘的火星“乌托邦平原”迎来了来自中国的客人，期待我们的“火星矿物光谱分析仪” 和“火星表面成分探测仪”揭开火星表面土壤的神秘面纱，让我们进一步的认识火星了解火星。
来源：中国科学院上海技术物理研究所
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