研究确定了在火星上钻探的岩石的原始方向

当它在火星上一个古老的湖床上蹒跚而行时，美国宇航局的毅力号火星车正在组装一个独一无二的岩石收藏。这艘汽车大小的探险家正在有条不紊地钻入这颗红色星球的表面，并拉出储存在坚固的钛管中的基岩核心。科学家们希望有朝一日能将这些试管送回地球，并分析其中的内容物，以寻找嵌入的微生物生命的痕迹。

自 2021 年登陆火星表面以来，火星车已经在其 43 个管子中用基岩芯填充了 20 个。现在，麻省理工学院的地质学家已经远程确定了迄今为止收集到的岩石的一个关键特性，这将有助于科学家回答有关地球过去的关键问题。

在今天发表在《 地球与空间科学》杂志上的一项研究中，麻省理工学院的一个研究小组报告说，他们已经确定了迄今为止火星车收集的大多数基岩样本的原始方向。通过使用火星车自己的工程数据，例如车辆及其钻头的位置，科学家们可以在从火星地面钻出之前估计每个基岩样本的方向。

这些结果代表了科学家首次在另一个星球上定位基岩样本。该团队的方法可以应用于火星车在古代盆地之外扩大勘探范围时收集的未来样本。然后，将不同位置的多个岩石的方向拼凑在一起，可以为科学家提供岩石最初形成的火星条件的线索。

“有很多科学问题依赖于能够知道我们从火星带回的样本的方向，”研究作者、麻省理工学院地球、大气和行星科学系研究生埃利亚斯·曼斯巴赫说。

“岩石的方向可以告诉你地球上可能存在的任何磁场，”麻省理工学院行星科学教授本杰明·韦斯（Benjamin Weiss）补充道。“你还可以研究水和熔岩是如何在地球上流动的，古代风的方向，以及构造过程，比如什么被抬升，什么下沉。因此，能够在另一个星球上定位基岩是一个梦想，因为它将开启如此多的科学研究。

Weiss 和 Mansbach 的合著者是麻省理工学院的 Tanja Bosak 和 Jennifer Fentress，以及包括加州理工学院喷气推进实验室在内的多个机构的合作者。

深刻的转变

绰号为“珀西”的毅力号火星车正在探索杰泽罗陨石坑的底部，这是一个大型撞击坑，上面堆满了火成岩，这些火成岩可能是过去火山喷发沉积而成的，以及可能由长期干涸的河流形成的沉积岩。

“火星曾经是温暖潮湿的，那里可能曾经有过生命，”Weiss说。“现在又冷又干，这个星球上一定发生了一些意义深远的事情。

包括魏斯在内的许多科学家怀疑，火星和地球一样，曾经拥有一个磁场，可以保护火星免受太阳风的影响。当时的条件可能对水和生命有利，至少在一段时间内是这样。

“一旦磁场消失，太阳的太阳风 – 这种从太阳沸腾并移动速度超过音速的等离子体 – 就会撞击火星的大气层，并且可能在数十亿年内将其移除，”Weiss说。“我们想知道发生了什么，以及为什么。

火星表面下的岩石可能保留了火星古代磁场的记录。当岩石首次在行星表面形成时，其磁性矿物的方向由周围的磁场决定。因此，岩石的方向可以帮助追溯行星磁场的方向和强度，以及它如何随时间变化。

由于毅力号火星车正在收集基岩样本，以及地表土壤和空气，作为其探索任务的一部分，韦斯是火星车科学团队的成员，他和曼斯巴赫寻找确定火星车基岩样本的原始方向的方法，作为重建火星磁历史的第一步。

“这是一个了不起的机会，但最初没有任务要求确定基岩的方向，”曼斯巴赫指出。

随它滚动

在几个月的时间里，曼斯巴赫和韦斯与美国宇航局的工程师会面，制定了一个计划，即如何在从地下钻出之前估计每个基岩样本的原始方向。这个问题有点像预测一小圈薄片蛋糕指向哪个方向，然后拧动一个圆形的饼干切割器来拉出一块。同样，为了对基岩进行采样，毅力号开瓶器将管状钻头以垂直角度拧入地下，然后将钻头连同它穿透的任何岩石一起直接拉回。

为了在岩石从地下钻出之前估计岩石的方向，研究小组意识到他们需要测量三个角度，即阎、方位角和滚动，它们类似于船的俯仰、偏航和滚动。哈德本质上是样品的倾斜度，而方位角是样品相对于真北指向的绝对方向。辊是指样品在返回其原始位置之前必须转动多少。

在与美国宇航局的工程师交谈时，麻省理工学院的地质学家发现，他们需要的三个角度与火星车在正常运行过程中自行进行的测量有关。他们意识到，为了估计样品的阜角和方位角，他们可以使用漫游车对钻头方向的测量值，因为他们可以假设钻头的倾斜度与它提取的任何样品平行。

为了估计样品的滚动，该团队利用了漫游车的一个机载摄像头，该摄像头拍摄了钻头即将采样的表面的图像。他们推断，他们可以使用表面图像上的任何显着特征来确定样品必须转动多少才能返回其原始方向。

在表面没有明显特征的情况下，研究小组使用火星车的机载激光在岩石上做一个字母“L”形状的标记，然后钻出样本 – 这一举动在当时被开玩笑地称为另一个星球上的第一个涂鸦。

通过结合火星车的所有定位、定向和成像数据，该团队估计了迄今为止收集的所有20个火星基岩样本的原始方向，其精度与地球上的岩石定向相当。

“我们知道方向在2.7度的不确定性范围内，这比我们对地球上的岩石所做的要好，”曼斯巴赫说。“我们现在正在与工程师合作，使这个定向过程自动化，以便将来可以用其他样品来完成。”

“下一阶段将是最令人兴奋的，”Weiss说。“火星车将驶出陨石坑，以获得火星上已知最古老的岩石，这是一个难以置信的机会，能够确定这些岩石的方向，并希望发现许多这些古老的过程。

这项研究在一定程度上得到了美国宇航局和火星2020参与科学家计划的支持。