一塊充滿希望的火星岩石，正等待搭乘返航之旅
一塊名為「藍寶石峽谷」的岩石樣本密封在NASA的「毅力號」火星探測車內，保存著化學線索，科學家希望藉此檢驗是否有古代生命存在的可能證據。原本計畫將樣本帶回地球的任務已遭取消；NASA最初的火星樣本取回計畫預估成本高達110億美元，預計返抵日期也延至2040年。
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中國正採取另一條路線。根據中國政府於2025年7月發布的天問三號任務概要，天問三號目標在2028年前後發射，並於2031年前後將至少500克火星物質送回地球。這將使中國成為第一個在火星採集樣本並將其帶回地球的國家。
NASA在計畫取消前，已為樣本取回計畫投入約25億美元。「毅力號」已將樣本存放在33支採樣管中，這些樣本是在多年探索耶澤羅撞擊坑期間挑選的。30多億年前，河流曾在此注入一座湖泊。
這場競賽的意義不只在於哪個國家先抵達。中國的任務將從另一處地點採集自己的樣本。從古河道旁一塊斑點岩石中鑽取的「藍寶石峽谷」，仍將留在火星上，除非有另一項任務前往取回。
NASA局長傑瑞德．艾薩克曼表示，該機構打算最終把樣本帶回地球，無論是使用機器人或太空人。目前尚未公布時程或替代任務。另一方面，中國正著手建造計畫中要執行飛行任務的航天器。
科學家為何關注「藍寶石峽谷」
「毅力號」於2024年7月在尼雷瓦谷附近，從一塊箭頭形狀、名為「夏娃瀑布」的岩石中採集「藍寶石峽谷」。尼雷瓦谷是河流侵蝕形成的山谷，河水曾流入耶澤羅古湖。探測車鑽出一段約粉筆大小的圓柱形岩芯，並將它密封在採樣管中。
「夏娃瀑布」受到關注，是因為岩石上有一些形似豹紋的小斑點。在地球上，類似特徵可能形成於微生物消耗埋藏在沉積物中的有機物時。微生物的活動會改變附近鐵礦物的化學性質，留下淺色斑點或光暈。
普渡大學博士後研究員、也是「毅力號」科學團隊成員的艾德里安．布羅茲，協助撰寫一篇於2025年9月發表、探討這塊岩石的研究。他形容這項發現何以格外引人注目：
我認為，這是我們第一次發現某種足以稱為『潛在生物特徵』的事物。
生物特徵是可能由生命產生的物理或化學現象。檢驗「藍寶石峽谷」的科學家必須判斷，斑點究竟是由微生物形成，還是一般化學反應所致。周圍的泥岩也有大量類似特徵，讓研究人員能在更廣泛的地質環境中進行調查。
早在「毅力號」於2021年2月抵達之前，水就已塑造了這片地貌。耶澤羅昔日的河流與湖泊，使這裡成為尋找岩石的理想地點，這些岩石或許保存著數十億年前生物的痕跡。
地球上的實驗室為何重要
「毅力號」配備了檢驗岩石化學成分與結構的儀器，但它的科學設備之所以如此配置，部分原因是為了挑選日後送回地球研究的樣本。探測車必須在電力、重量與設備都有限的條件下運作；實驗室則能運用更多種類的技術，檢驗同一份樣本的微小碎片。
普渡大學地球、大氣與行星科學教授，也是「毅力號」團隊成員的布里奧妮．霍根，說明為何需要直接檢驗樣本：
我們可以繼續做這些研究、提出這些線索，但除非把樣本帶回來，否則永遠無法確定。
火星隕石「艾倫丘陵84001」顯示，這類研究有多麼艱鉅。這顆隕石於1984年在南極洲發現，最初被解讀為可能含有古代生命的殘留物。後續研究則顯示，地質作用也能形成類似生物痕跡的特徵。
因此，研究「藍寶石峽谷」的科學家需要多種相互支持的證據，才能確認同一種解釋。他們可以檢視礦物結構、有機分子，以及化學變化與岩石形成歷程之間的關聯。樣本若能送回地球，不同實驗室也能重複測試並比較結果。
樣本取回計畫為何變得過於昂貴
NASA與歐洲太空總署共同規劃的火星樣本取回計畫，需要一連串航天器與任務操作。著陸器會把小型上升火箭送到火星。「毅力號」會將樣本送到著陸器，再把樣本放入容器，發射進入軌道。
一艘在火星上空待命的歐洲太空船將捕獲樣本容器，帶它前往地球，並釋放一個能安全著陸的返回艙。從火星發射物質並在軌道上接收，都是太空探索史上的創舉。
工程上的挑戰，是在保持航天器足夠輕巧、能夠發射與著陸的同時，運送足夠的設備和推進劑。NASA的接力式設計把這些工作分配給多艘飛行器，也因此增加了多個可能因延誤或技術問題而影響整項任務的環節。
地球與火星大約每26個月才會出現一次適合發射的時機。錯過一次就可能讓時程延後約兩年，因此航天器研發期限尤其攸關成敗。
原始計畫的預估成本上限為110億美元。2024年提出的修訂方案，預估成本約70億美元，但外界仍質疑是否負擔得起，以及能否達成較低的成本估算。NASA的2026會計年度預算提案主張終止火星樣本取回計畫，國會並於1月批准取消。
2011年，火星樣本取回計畫被列為NASA行星科學的最高優先事項。計畫取消後，成功採集具科學價值的岩石，卻無法直接研究，兩者之間留下了缺口。
形塑這場競賽的關鍵日期
隨著樣本取回架構日益複雜，NASA的計畫一再變動。中國則把採集與取回整合為單一任務計畫，並運用其火星著陸和月球採樣任務的經驗。
以下重要進展顯示兩項計畫如何走到目前的局面：
- 2021年2月：「毅力號」在耶澤羅撞擊坑著陸，研究古代環境並採集樣本。
- 2021年5月：中國天問一號任務在火星著陸，並部署「祝融號」火星車。
- 2022年：NASA修訂樣本取回設計，改由「毅力號」將樣本送至著陸器，並以回收直升機作為備援。預計樣本送回日期延至2033年。
- 2024年：中國透過嫦娥六號從月球背面取回樣本。NASA重新評估火星樣本取回計畫，「毅力號」則於7月採集「藍寶石峽谷」。
- 2025年7月：中國政府公布天問三號計畫，預定於2028年前後發射，並於2031年前後送回樣本。
- 1月：國會在2026會計年度終止提案提出後，批准取消NASA的火星樣本取回計畫。
- 2026年3月：天問三號總設計師劉繼忠表示，計畫將於2026年進入飛行硬體研製階段。
- 2026年底：中國科學團隊計畫將著陸地點候選名單縮小至3個最終選項。
中國於3月宣布進入硬體研製階段，代表計畫已從原型研製更進一步。官方時程仍是2028年前後發射、2031年前後返回；有報導稱發射日期為2031年，與這項時程不符。
天問三號如何採集並送回樣本
中國計畫於2028年底從海南島文昌發射兩枚長征五號運載火箭。其中一枚將搭載著陸器與上升設備，另一枚則搭載軌道器及將樣本送回地球的系統。
中國政府表示，前往火星的旅程需時7至8個月，之後將在火星執行約一年的任務。著陸器主要在地表採集樣本的任務，預計約持續70天，這段時間包含在整體任務時程內。
天問三號將採用三種採樣方式：從地表挖取物質、鑽探至最深2公尺，以及派遣無人機採集更多樣本。任務不會搭載火星車。任務首席科學家、中國科學院院士侯增謙表示，無人機將前往著陸點數百公尺範圍內的地點。
鑽探系統能取得地表下方的物質，無人機則可把採樣範圍擴展至著陸器周圍以外的區域。這些方法搭配運用，目標是取得比只在航天器旁挖取樣本更多樣的樣本。
採集完成後，上升飛行器將把裝有至少500克樣本的密封容器發射至火星軌道。待命中的軌道器將接收容器，並啟程返航。中國的月球任務提供了實用經驗，但從火星起飛以及在軌道上交會，仍需要新的能力。
安全著陸限制了中國的搜尋地點
根據侯增謙於2025年7月發布的官方任務概要，天問三號科學團隊已將最初80多個候選著陸地點縮減至19個。預定在2026年底前選出3個最終地點。科學家偏好具備可能支持生命、並能保存生命痕跡之條件的地點。
工程師也設下嚴格限制。著陸地點必須位於北緯17度至30度之間。任務資料指出，地形須低於火星平均海拔至少3公里，讓航天器能在下降時穿過更多大氣層並減速。
預計的著陸橢圓區，也就是航天器可能著陸的範圍，約長50公里、寬20公里。相較之下，無人機的採樣範圍小得多。因此，任務需要選擇一片廣大區域，在其中多處都能取得有用物質，而非只依賴一處小型露頭。
「毅力號」採取不同做法，穿越耶澤羅撞擊坑，並挑選地質背景已仔細記錄的岩石。科學家知道每份樣本的採集位置，也了解它們與鄰近岩層及古代水體地貌的關係。天問三號則會在局部區域採集一組樣本，不會先花多年時間以火星車勘查。
耶澤羅不在中國已公布的候選地點之列。天問三號若成功帶回樣本，將為研究火星開啟新的窗口；「藍寶石峽谷」則仍須等待自己的取回任務。這兩批樣本來自火星不同地區，將回答不同問題。
科學家將檢驗哪些項目，以及如何保護樣本
天問三號的科學目標包括搜尋可能的生命跡象、研究火星支持生命的能力如何改變，以及檢視火星的地質歷史。這些目標將生命問題與火星的水、大氣和岩石連結起來。
參與任務規劃的香港大學天體生物學教授李一良，說明了幾種可能的研究方向。研究人員將尋找與生物功能相關的分子、微觀化石痕跡，以及同位素比例的變化。
同位素是同一種化學元素中質量不同的型態。生命活動可能偏好其中一種型態。在地球上，光合作用傾向使用較輕的碳，讓碳同位素比例出現可測量的變化。研究人員將對照樣本中的礦物和其他化學特徵，檢驗火星是否存在類似模式。
中國也計畫興建一座安全實驗室，配備極潔淨的工作區與生物安全設施。侯增謙表示，樣本處理流程將涵蓋採集、封裝、運送、處理及生物風險評估，並遵循太空研究委員會制定的行星保護政策。
行星保護有兩個目的：避免地球生物污染火星，以及安全封存從其他天體帶回的物質。潔淨處理也有助於科學家判斷化學痕跡究竟源自火星，還是在採集與分析過程中進入樣本。
侯增謙表示，在符合安全要求的前提下，國際科學家將能研究帶回的物質。多間實驗室參與，可擴大檢驗方式，也讓研究人員能彼此查核結果。
NASA與歐洲仍有哪些可能方案
NASA表示正在評估更簡單、較省錢的取回方案，包括由商業界及國際夥伴參與。洛克希德馬丁公司提出一項固定價格低於30億美元的任務計畫，利用「洞察號」火星著陸器及OSIRIS-REx小行星採樣任務的經驗，最晚於2037年帶回「毅力號」採集的30份樣本。
根據該公司公布的價格上限，這項提案的成本不到原先110億美元最高估算的三分之一。提案所列的返抵日期比中國設定的2031年目標晚6年。NASA尚未採納這項提案。
國會通過的折衷版支出法案，為火星未來任務編列1.1億美元。相關工作可用來支援更先進的著陸技術及其他探索所需能力，包括未來的樣本取回任務。
歐洲太空總署正在研究，能否讓研發進度較取回著陸器更超前的地球返回軌道器，改用於從軌道研究火星。日本也正著手從火星衛星火衛一取回樣本；小行星撞擊火星後，火星物質可能被拋射至火衛一上。
「毅力號」與「好奇號」將繼續使用搭載的儀器進行研究。「毅力號」密封的樣本可留待未來任務取回，探測車也還有部分未使用的採樣管，可用於存放後續發現。
NASA火星探索計畫分析小組主席維多利亞．漢彌爾頓，形容計畫取消對科學界造成的影響：
這令人深感失望。
NASA已完成尋找並採集具研究價值岩石這項艱鉅工作。中國現在則擁有更明確的樣本送回路徑。對科學家來說，核心目標依然是取得能解釋火星歷史的物質，並釐清火星歷史是否曾包含生命。
重點整理
- NASA的火星樣本取回計畫因成本上升與延誤而取消，「毅力號」採集的樣本仍留在火星。
- 「藍寶石峽谷」含有斑點，科學家希望檢驗其是否可能源自生物作用。
- 中國官方以2028年前後發射天問三號、2031年前後帶回至少500克樣本為目標。
- 天問三號計畫從地表挖取樣本、鑽探至2公尺深並以無人機採集，不會搭載火星車。
- 中國計畫於2026年底前選出3個最終著陸地點。耶澤羅不在已公布的候選地點之列。
- 洛克希德馬丁提出的樣本取回任務尚未獲採納，NASA也未公布替代計畫時程。
