當宇航局的“毅力”號火星車繞著火星上的一個古老湖床緩慢行駛時，它正在收集一批獨一無二的巖石。這輛汽車大小的探險家正在有條不紊地鉆入這顆紅色星球的表面，并取出儲存在堅固鈦管中的基巖核心。科學家們希望有一天將這些管子帶回地球，并分析其內容物，以尋找嵌入微生物生命的痕跡。

自 2021 年登陸火星表面以來，火星車已在其 43 個管道中的 20 個管道中填充了基巖芯。現在，麻省理工學院的地質學家已經遠程確定了迄今為止收集的巖石的一個重要特性，這將幫助科學家回答有關地球過去的關鍵問題。

在今天發表在 《地球與空間科學》雜志上的一項研究中，麻省理工學院的一個團隊報告說，他們已經確定了火星車迄今為止收集的大多數基巖樣本的原始方向。通過使用火星車自己的工程數據，例如車輛及其鉆頭的定位，科學家們可以在從火星地面鉆出每個基巖樣本之前估計其方向。

這一結果代表著科學家首次在另一顆行星上定位基巖樣本。該團隊的方法可以應用于火星車在古盆地之外擴大勘探范圍時收集的未來樣本。將不同位置的多個巖石的方向拼湊在一起可以為科學家提供有關火星上巖石最初形成條件的線索。

“有很多科學問題都依賴于了解我們從火星帶回的樣本的方向，”該研究的作者、麻省理工學院地球、大氣和行星科學系的研究生埃利亞斯·曼斯巴赫(Elias Mansbach)說。

麻省理工學院行星科學教授本杰明·韋斯補充道：“巖石的方向可以告訴你有關地球上可能存在的任何磁場的信息。” “你還可以研究水和熔巖在地球上的流動方式、遠古風的方向以及構造過程，比如什么隆起和什么下沉。因此，能夠在另一個星球上定位基巖是一個夢想，因為它將開啟如此多的科學研究。”

Weiss 和 Mansbach 的合著者是麻省理工學院的 Tanja Bosak 和 Jennifer Fentress，以及加州理工學院噴氣推進實驗室等多個機構的合作者。

深刻的轉變

綽號為“珀西”的毅力號火星車正在探索杰澤羅隕石坑的底部，這是一個大型撞擊坑，上面覆蓋著火成巖，這些巖漿可能是過去火山噴發所沉積的，也可能是由長期干燥形成的沉積巖。注入盆地的河流。

“火星曾經溫暖潮濕，那里曾經有可能存在生命，”韋斯說。“現在又冷又干，這個星球上肯定發生了一些深刻的事情。”

包括韋斯在內的許多科學家懷疑，火星和地球一樣，曾經擁有一個磁場，可以保護地球免受太陽風的影響。當時的條件可能有利于水和生命，至少在一段時間內是這樣。

韋斯說：“一旦磁場消失，太陽的太陽風——這種從太陽中沸騰出來的等離子體，其移動速度超過了音速——就會猛烈地撞擊火星的大氣層，并可能在數十億年的時間里將其清除。” “我們想知道發生了什么以及為什么。”

火星表面下方的巖石可能保存著火星古代磁場的記錄。當巖石首次在行星表面形成時，其磁性礦物的方向由周圍的磁場決定。因此，巖石的方向可以幫助追溯地球磁場的方向和強度以及它如何隨時間變化。

由于毅力號火星車正在收集基巖樣本以及表面土壤和空氣樣本，作為其探索任務的一部分，作為火星車科學團隊成員的韋斯和曼斯巴赫尋找方法來確定火星車基巖的原始方向樣本是重建火星磁歷史的第一步。

“這是一個絕佳的機會，但最初并沒有定向基巖的任務要求，”曼斯巴赫指出。

與它一起滾動

幾個月來，曼斯巴赫和韋斯與宇航局工程師會面，制定了一項計劃，如何估計每個基巖樣本在從地下鉆出之前的原始方向。這個問題有點像預測一小圈薄餅所指向的方向，然后再扭轉圓形餅干切刀以拉出一塊。同樣，為了對基巖進行采樣，Perseverance 將管狀鉆頭以垂直角度擰入地面，然后將鉆頭及其穿透的任何巖石直接拉出。

為了在巖石被鉆出地面之前估計巖石的方向，團隊意識到他們需要測量三個角度：哈德角、方位角和橫滾角，這類似于船的俯仰角、偏航角和橫滾角。哈德本質上是樣本的傾斜度，而方位角是樣本相對于真北指向的絕對方向。滾動是指樣品在返回其原始位置之前必須轉動的程度。

在與宇航局的工程師交談時，麻省理工學院的地質學家發現，他們所需的三個角度與火星車在正常操作過程中自行進行的測量有關。他們意識到，為了估計樣本的方位角和方位角，他們可以使用流動站對鉆頭方向的測量結果，因為他們可以假設鉆頭的傾斜度與其提取的任何樣本平行。

為了估計樣本的滾動，該團隊利用了流動站的一個機載攝像頭，該攝像頭拍攝了鉆頭即將采樣的表面圖像。他們推斷，他們可以使用表面圖像上的任何顯著特征來確定樣品需要轉動多少才能返回到其原始方向。

在表面沒有明顯特征的情況下，研究小組使用流動站的機載激光在巖石上做一個字母“L”的標記，然后鉆出樣本——這一舉動被開玩笑地提到時間作為另一個星球上的第一幅涂鴉。

通過結合火星車的所有定位、定向和成像數據，該團隊估計了迄今為止收集的所有 20 個火星基巖樣本的原始方向，其精度可與地球上巖石定向相媲美。

“我們知道方向的不確定性在 2.7 度以內，這比我們對地球巖石的了解要好，”曼斯巴赫說。“我們現在正在與工程師合作，使這個定向過程自動化，以便將來可以在其他樣品上完成。”

“下一階段將是最令人興奮的，”韋斯說。“火星車將駛出隕石坑，獲取火星上已知最古老的巖石，這是一個令人難以置信的機會，能夠確定這些巖石的方向，并有望揭示許多這些古老的過程。”