行星科學家有時會開玩笑說，我們對火星的了解比對月球的了解還要多。美國太空總署（NASA）在美國建國兩百週年之際首次將探測器送上火星表面，比第一架太空梭升空早了五年。此後的35年裡，我們對火星有了更深入的了解：海盜1號和2號分析了火星岩石，勇氣號和機遇號發現了遠古水的證據，鳳凰號觀測到了火星上的雪。然而，最大的問題——火星是否可能存在生命——至今仍未得到解答。
美國太空總署最新的火星探測車「好奇號」本週啟程，尋找答案。它是迄今為止最複雜的星際探測器，榮獲了《大眾科學》2011年度最佳新發現獎。如果一切按計劃進行——從週六震撼人心的阿特拉斯五號火箭發射，到探測車自主進入大氣層以及氣墊船空投——它或許會成為那種百年一遇的探測器，提出的問題甚至比它解答的問題還要多。
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火星科學實驗室任務遠不止是那輛輪式、轎車大小、配備強勁機械手臂的「好奇號」火星車。它的氣墊式空中起重機和導引著陸系統本身就是一項重大成就，使NASA能夠以極高的精度將火星車著陸。它配備了11種用於電擊、烘烤和X射線探測岩石的工具，是迄今為止建造的最先進的機器人地質學家。它將尋找生命所需的化學成分——氧、氮、碳和/或氫——它是第一個能夠做到這一點的火星車。
「我們將能夠比任何其他太空船更好地進行化學研究。我們將逐個元素地了解那裡存在什麼，而且還能觀測到化學同位素，」美國宇航局噴氣推進實驗室（火星探測器的建造地）的火星科學實驗室副項目科學家阿什溫·瓦薩瓦達說道。 “我們不僅會知道那裡存在哪些元素，還會知道它們形成了哪些礦物，這就能告訴我們這些礦物形成的確切溫度、周圍的水量以及環境條件。”
在火星科學實驗室（MSL）的規劃階段，也就是「勇氣號」和「機遇號」開始在火星表面巡視後不久，NASA的工程師們就提出了兩個目標：一是更精確的著陸，以便更好地確定需要研究的岩石；二是火星車能夠鑽探這些岩石並採集其內部樣本。這次的定向著陸將使「好奇號」落在一個長12英里、寬15英里的橢圓區域內——與地球上的空投技術相比，這聽起來可能不夠精確，但請記住，這是在距離地球4500萬英里的另一個星球上。 （「勇氣號」和「機會號」的著陸區域是一個長達90英里的橢圓。）
但這只是個開始。以下將簡要介紹一些關鍵的新技術，它們將協助MSL開啟探索之旅。
引導下降和氣墊船空投
如果一切順利，週六從卡納維爾角發射的「好奇號」火星車將按計劃於明年8月抵達火星。當它接近這顆紅色星球時，其形狀像雞肉餡餅的氣動外殼將脫離以肼為燃料的巡航級，並將隔熱罩朝向火星表面。後殼上的推進器將修正這個直徑約4.5公尺的龐大碟狀體，並引導其下降，使其精確地落入蓋爾隕石坑的平坦表面。
在短短五納秒內，「好奇號」的雷射光束將相當於一百萬個燈泡的能量聚焦到一個針尖大小的岩石點上。當大氣摩擦使其速度減慢到一定程度時，一頂長165英尺、直徑51英尺的降落傘將展開——這是迄今為止在其他星球上最大的降落傘，設計用於承受2.2馬赫的速度——同時隔熱罩也會脫落，使雷達系統能夠開始追蹤火星表面距離。此時，「好奇號」的輪子朝下，正朝著火星表面滑行。而且，它沒有安全氣囊。
「它體積太大、重量太重，無法使用氣囊，這裡的工程師意識到，如果不使用氣囊，另一種選擇就是讓它降落在某種平台上，」瓦薩瓦達說。 “但是，當你建造這輛非常堅固的火星車，它本身就配備輪子和懸掛系統時，它就能承受火星著陸的重量。事實證明，這是最佳的著陸方式。”
「好奇號」火星車輪子先著地，急速下降，當它離地幾百英尺後，降落傘便會脫落。隨後，氣墊船上的八枚反推火箭點火，進一步減緩火星車的下降速度。三條繫繩和一條通信臍帶展開，將火星車緩緩送至地面。待所有繩索鬆弛後，火星車會切斷連接，氣墊船隨即飛離地面，最終墜落在安全地點。這一切都將被以每秒5幀的高清視訊記錄下來。
順便一提，這一切都是自主進行的。由於地球和火星之間存在光速延遲，即時控制探測車是不可能的，所以如果遇到意想不到的陣風或火星塵捲風，探測車必須自行應對。
瓦薩瓦達表示，定向著陸將對地質學家來說是一大福音。
「這意味著我們可以更靠近火星表面，在那些太危險而無法著陸的地形特徵附近著陸，而這些特徵往往是地質上更有趣的地方。我們想在火星上研究的大部分東西都不是平坦、乏味的東西，」他說。
「好奇號」火星車檢查完畢後，會拍攝幾張周圍環境的3D高清全景照片，並標記一些值得關注的目標。地球上的科學家確定目標後，化學相機（ChemCam）就會開始工作。
CHEMCAM：用來轟擊火星岩石的雷射
火星科學實驗室（MSL）的科學任務將像任何一台運作良好的實驗室一樣，以嚴謹的流程展開。 11台儀器將按部就班地對火星岩石進行觀測，包括雷射光束照射、鑽孔、收集鑽屑、篩分、烘烤和X射線掃描，從而全面了解這塊岩石及其歷史。大部分工作都始於化學相機（ChemCam），也就是MSL的雷射相機。
在近25英尺（約7.6公尺）的距離外，雷射光束能從岩石表面剝離物質，去除塵埃並燒蝕風化層，產生等離子體，然後利用儀器的望遠鏡進行分析。該儀器的首席研究員、洛斯阿拉莫斯國家實驗室的羅傑·維恩斯表示，短短五納秒內，雷射就能將相當於一百萬個燈泡的能量集中到一個針頭大小的區域內。
他說：“ChemCam 的作用是為探測車識別獨特的樣本，以便其他儀器能夠花更多時間進行分析。它能夠在近 25 英尺（約 7.6 公尺）的距離外觸及岩石，這確實是一個很大的優勢。”
ChemCam 處理一個樣品需要先拍攝岩石的特寫照片，再拍攝廣角照片，然後發射多達 75 次雷射脈衝。它每六分鐘可以分析一個樣品，耗電量僅為兩瓦時。
這種無需人工幹預的岩石識別技術，透過分析汽化樣品發射的光譜，精確定位構成原子元素特徵的發射譜線。維恩斯表示，該技術涵蓋的波長範圍（240奈米至900奈米，如果你關注這些參數的話）涵蓋了整個元素週期表。雷射設計脈衝數為500萬次－足以處理大量的岩石，並進行大量的元素鑑定工作。
由於 ChemCam 將幫助漫遊實驗室的其他部分尋找目標，維恩斯預計在漫遊車為期兩年（以地球年計算）的主要任務期間，它幾乎每天都會被調用。幸運的是，ChemCam 的科學團隊與法國航太局合作開發了這台儀器，因此國際合作夥伴將分擔一半的負擔。
在 ChemCam 完成無需人工幹預的分析後，MSL 的科學家可能會決定駕駛探測車前往有趣的岩石，然後開始進行實地考察。
在X射線前烘烤火星卵石和晃動泥土
MSL的眾多首創之一是其小型化的X射線儀器，這項工程壯舉已經催生了一系列新的地球衍生技術。 CheMin儀器是「化學與礦物學」的縮寫，它首次將一種標準的元素鑑定方法帶到了另一個星球的表面。 CheMin首席研究員、來自美國NASA艾姆斯研究中心的戴維·布萊克表示，X射線衍射通過檢測穿過原子間隙的X射線衍射圖樣來識別礦物。
「如果你開車經過一片整齊種植的樹林，你可以沿著樹行往下看，偶爾會看到一條小路穿過樹叢。晶體中也存在類似的圖案，光線可以穿過這些圖案，而這些圖案正是衍射發生的部位，」他說。 “所有晶體材料的衍射圖案都略有不同，因此衍射可以毫不含糊地告訴你，你正在觀察的究竟是什麼材料。”
要進行這類測量，理想情況下需要將篩過的岩石樣本攤開，並使其四處彈跳，使其飛過X射線源。但對於航天器而言，移動部件通常是行不通的。為了解決這個問題，布萊克和他的團隊不得不設計一個壓電裝置來振動沙粒。設計的部分靈感來自布萊克和同事幾年前從Radio Shack購買的一堆小型蜂鳴器。當CheMin工作時，它的振動頻率大致相當於一個雙高音C——聽起來像女高音歌唱家的聲音。
布萊克說，他已經研究小型化X射線衍射儀20多年了。他說，這是辨識礦物的最佳方法，而辨識礦物又是了解岩石形成環境的最佳方法，也能從中發現可能對益生元化合物甚至生命體有用的成分。
MSL 的其他儀器也會尋找這個訊號。
除了化學分析儀陣列（CheMin）之外，火星樣品分析儀（SAM）將加熱鑽取的樣品並使其內容物氣化，然後使用氣相層析儀和兩種光譜儀分析蒸氣。樣品加熱後，不同的物質會揮發並以氣體形式釋放出來——例如，首先是水。透過檢測這些蒸氣的成分，可以確定物質的組成。這將是火星科學實驗室（MSL）尋找生命跡象的關鍵方法之一。瓦薩瓦達表示，發現任何此類證據都將是顛覆性的，因此MSL配備了一套自測工具包。這是一個陶瓷樣品空白，其中包含一種人工合成的有機化合物——並非生命體，而是一種地球上不會自然存在的含氟有機化合物。如果SAM的有機物分析結果出現任何爭議，該樣品空白將有助於驗證其分析的準確性。
如果這一切聽起來很重複，那是因為它確實如此——而這正是重點所在，Vasavada 表示。
「觀察岩石的方法有很多種，沒有哪一種技術是絕對準確的，」他說。 “當我們用兩到三種方法證實一塊岩石中含有某種礦物或元素時，我們就可以通過整合所有這些不同儀器的結果，把整個故事拼湊起來。”
火星科學實驗室（MSL）的主要目標是執行為期一年（火星運行一年，地球運行兩年）的主要探測任務，但如果「好奇號」火星車的表現能像它的前輩一樣出色，那麼任務期限可能會延長，而且很可能會延長。 「勇氣號」和「機遇號」火星車的設計壽命均為三個月，但它們的實際運行時間卻遠遠超過了保固期近八年（「機遇號」目前仍在運行）。工程師希望「好奇號」火星車能在火星上運行十年之久。
「這不是那種登陸後盡可能多地收集信息，然後其他一切都是錦上添花的任務，」瓦薩瓦達說。 “這是一項計劃在幾年內逐步展開的任務。”
因此，「好奇號」將有充足的時間來解答深刻的問題，並且有可能提出全新的、意義深遠的問題。
