尋找地球之外的太空生命是人類終極的好奇，也是太空生物學的烈火熱情。在地球之外尋找生命，首選目標即是火星。火星的探測計畫眼前著重的問題是：火星曾經有生命嗎？火星有支撐生命的條件嗎？從地質分析可了解多少火星的環境與氣候變遷？即使火星未找到生命痕跡，人類也想知道去火星選擇在哪裡降落？我們有機會在那裡生存嗎？火星表面是否可找到「適居」地點？人類上火星之後當如何就地取材？

 火星任務太空接力賽

在所有天文太空的研究中，火星是人類挹注資金最高額的項目，因為火星環境與地球最相似，過去60年來人類對於火星的認識與太空技術已經相當成熟，況且每兩年就有一次「發射窗口」的機會，想參與太空科技能力評比的國家都要先通過去火星的初賽。人類自從1960年代登月成功之後就開始探測火星的計畫，成功實現機率僅為半數。最大贏家是美國太空總署(NASA)，1964-2018年間共執行火星計畫21次，15次圓滿成功。前蘇聯最慘，從1960-1988年共計發射17次火星任務，僅有一次成功紀錄。

行星探測計畫有不同的進程：最容易的是飛越（flyby），只要能從地球軌道進入火星軌道，在近距離通過時速取得火星觀測資料。有了這個能力之後，第二階段是發展火星的軌道太空船（orbiter），換軌到火星後要降速到低於火星的脫離速度5公里/ 秒，被火星的重力束縛，成為繞火星運轉的人造衛星。之後繼續挑戰困難的任務--降落在火星表面（lander），因為火星大氣太過稀薄，地形崎嶇表面又布滿坑洞碎石，保障太空船安全登陸不至於墜毀或撞擊，需要創新的減速技術。登陸成功之後，更企圖在火星上開漫遊車（rover）四處移動，最好也在漫遊車安裝可伸縮的自拍器、配備可鑽探的長手臂和更多先進的分析儀器。

1960年最早的蘇聯「火星一、二號」（Ｍars 1, 2）， 1962-1964 美國的「水手號3, 4, 5, 8」先以「飛越」為任務目標可惜大多失敗，人類首次成功飛越是1964發射的水手四號，在通過火星高空（最接近火星表面時高度為9,844公里）取得22張影像傳回。此後蘇聯與美國又經歷數次失敗，1971年美國的水手九號成為火星的第一個軌道衛星，水手九號進入火星軌道之後，火星卻以鋪天蓋地長達一個半月之久的沙塵暴迎接這個外來的衛星，水手九號計畫耐心等候，終於成功達標獲得空前的勝利，在它圍繞著火星轉的十個多月期間，研究了火星的大氣壓、密度，火星表面的組成物質、重力場、地表起伏等，燃料用罄之前共完美傳回7,329張火星影像（參考資料1)。

除了美國與前蘇聯的太空較勁之外，日本於1998年也嘗試發射「希望號」（Nozomi）可惜任務失敗。到了21世紀，火星任務更是美國太空總署贏者全拿的局面，歐洲太空總署（ESA） 2003年首次計畫是雙重任務，包含火星快車 (Mars Express) 軌道太空船和登陸小艇「小獵犬2號」（Beagles2），可是小獵犬2號降落後渺無音訊，這項計畫僅能算一半成功。歐洲太空總署(ESA) 與俄羅斯2016年的「火星生物探測器」（ExoMars）也是軌道器成功、但登陸小艇再次失敗。俄羅斯與中國2011年的合作計畫失敗，最特別的是印度在2013年發射的火星軌道衛星(Mars Orbiter Mission) 軌道太空船，軌道十分特殊，距離火星最近時387公里，最遠則在8萬公里高，呈相當扁平的橢圓軌道。總結至今全球前後共有44次火星任務，成功的任務加起來18次。

火星軌道太空船就如同地球上空的觀測衛星，能全面性連續地收集火星表面的各種資料。在水手九號之後，1997年起NASA的火星全球探勘衛星（Mars Global Surveyor , MGO）取得廣角、解析度達6公尺的影像，且非常順利地運轉直到2006年為止，它搜遍了火星全球表面，對於火星的氣象模式特別是「沙塵暴」的發生季節與頻率建立了很好的觀測數據，它配備的雷射測高計的資料描繪出北極區冰帽的立體樣貌。而火星表面很多「山溝」的景象透露出火星有偶發「液態水」流出地表。火星漫遊號( Mars Odyssey) 自2001年出發後至今已工作將近20年，它的伽馬射線分光儀測出火星極區、阿拉伯地盤( Arabia Terra )、亞馬遜平原、艾里申等大片區域存在地下冰，也測出火星地表受到的輻射威脅比預期高出兩、三倍，同時也擔負傳遞火星漫遊車機會號和好奇號的訊息。ESA 火星快車軌道探測器，攜帶著OMEGA 分光儀、NASA的火星探勘軌道衛星 （Mars Reconnaissance Orbiter, MRO ) 分別都在火星上發現大區域黏土礦物，MRO軌道衛星在火星表面大約300公里的高空，配備的高解析度相機達30公分的清晰度，甚至比大家常用的地球地圖google map還要精細。另有兩個軌道衛星分屬ESA太空船（ExoMars Trace Gas Orbiter） 以及NASA的火星大氣與揮發性物質演化（MAVEN）主要針對火星大氣的微量氣體與高層電離的特徵。從火星軌道太空船收集到的數據截至目前實在太豐富了，然而這些數據需要更多適當理論才能建構出合理解釋。

根據我們對於生物的認識，以往認為生命的三要素是：陽光、空氣和水，20世紀晚期卻在地球上暗無天日的深海、火山熱泉與深入地底，發現依舊充滿活蹦亂跳的生命之後，才懂了不管高溫、高壓、高鹽等等極端環境，生命幾乎無所不在。人類深刻檢討生命的基本要素，原來「水」是生命最核心的需求。21世紀的火星探測即以「跟著水走（follow the water ）為目標，選擇登陸火星的位置依工程的考量則是：(1)比較低的海拔，以利在登陸時有較大的空氣阻力來減速；(2) 介於南北緯30度之間，以利太陽能發電，且終年溫度不至於過低至機械操作失靈。從科學的角度來說，選址考慮即是遵循「跟著水走」的目標，標定河谷、沖積扇、三角洲、濱海等環境優先。

火星登陸任務在地形、礦物、地層等的細微了解，是建立火星地表作用與氣候環境變遷理論的第一手資料。火星成功登陸任務至今共有八次（圖1 (a) )，全是由美國太空總署執行，1976年維京一號與維京二號分別在火星金色平原 （Chryse Planitia, 22.48°N, 49.97°W）, 烏托邦平原 (Utopia Planitia, 47.27°N, 225.99°W）兩地降落，1997年探路者號（Pathfinder）成功登陸後放出漫遊小車旅居者號（Sojourner）工作三個多月。本世紀以來，2004年到達火星的孿生兄弟精神號與機會號，以及2012年的好奇號，裝備齊全有如野外地質學家，都擊出了比漂亮全壘打更完美的驚人成果。登陸任務的選址除了2007年在北極附近著陸驗證地下水冰的「鳳凰號」（圖1 (b) )，2018年派出「洞察號」則監視「火星震」與火星地下物理現象。其他多次任務考量是尋找水和生命的蹤跡（圖1 (c) )，以地質調查為主，從2004年至今十餘年所發現的地質現象，讓我們對火星的過去環境與氣候非常豐富的收穫。


圖1. 火星登陸任務-- (a) 至今八次成功的任務，以及2020即將發射的毅力號選址（Mars 2020，黑粗方框標示) 。選址首先考量在南北緯30度（虛線）之內較溫暖的地表以利機械運作以及收集太陽能。(b)比較特殊的登陸位置為「鳳凰號」主要任務是為了探極區的地下水冰。(c) 登陸火星大多選在湖泊、海濱及河道終點等可能尋找水與生命蹤跡的環境(資料來源： NASA, google Mars)。

目前在火星上運轉的除了好奇號與洞察號，還有六個地球派去造訪的軌道衛星，日日夜夜為火星拍照、測量大氣、溫度、風（Ｍars Odyssey ＆MRO)、微量氣體與揮發物(MAVEN)，偵查那裡有沙塵暴、土石崩塌（MRO)，地球上的科學家因而可為火星預報天氣、發布火星震或雪崩、沙塵暴的消息。其中有些同時作為火星表面登陸小艇和地球聯繫的中繼站，為火星表面調查地質的好奇號、偵測火星震與火星內部結構的洞察號，傳遞他們所收集到的資訊（圖2）。


圖2. 21世紀在火星上的軌道衛星以及登陸任務，火星探測的目標從「跟著水走」、「探索適居居性」、「尋找生命蹤跡」到「為人類登陸火星部署」，2020年將出發的毅力號，可能在七月中旬到八月初的發射窗口啟程(資料來源： NASA)。

 地質證據如何揭露火星的氣候環境變遷？

1965年水手四號從距離火星地表將近一萬公里高空飛越，沒有看到河流、海洋、或是綠意盎然的世界，傳回的影像盡是乾枯死寂的荒漠礫石 ，雖然感到挫折卻依舊滿懷盼望的人類，歸咎於可能是太空船飛得太高了吧！因而企圖就近到火星表面查看清楚。1976年美國的維京一號、二號分別降落，兩艘維京號太空小艇成功傳回1,400 張影像，也就地進行了三項生物實驗，最終宣告兩處都沒有生命蹤跡，尋找火星生命的熱情因此略為被澆熄了。

但1984年一塊南極找到來自火星的隕石ALH84001含有磁鐵礦和碳酸鹽，代表這隕石是在火星曾是汪洋大海的環境中形成，磁鐵礦在地球也常與微生物作用有關。有些科學家更認為隕石中的微構造看來像是奈米化石，這個發現激起人類思索在火星上要找的生命是什麼？1997年派出第一艘可以移動的小車「旅居者號」伴隨駐站登陸小艇「探路者」號抵達火星，在阿瑞斯古 (Ares Vallis, 19.33N/33.55W)附近巡邏拍照，提供岩石照片與天氣資料，沒有生命蹤跡。但既然能夠成功在火星表面開車漫遊，也開拓了遣派機器地質家去火星進行調查的企圖，後來的精神號、機會號以及好奇號三艘火星漫遊車。

目前火星表面氣壓低到無法保留「液態水」，從軌道太空船建立的火星地表可以看到各種河流雕塑的地形，河道、峽谷、支流、沖積扇與三角洲，甚至大片範圍的洩洪道，充分顯示出這是一個曾經與地球一樣有到處液態水漫流的行星（參考資料 2）。火星上曾經有大量的水，有「水」出現，符合生命的基本條件。問題是火星上大量的水到那裡去了？是深藏在地底的地下水？還是高緯度的永凍土中？目前為止這兩種隱藏版的火星水都曾現出蛛絲馬跡，從火星軌道探測器的分析有不少發現。因此進一步要探究的問題是火星的水曾經有多少？是長期存在的現象，還是偶發的？在火星表面消失之前存在了多久？是否有足夠潮濕的環境，是否夠溫暖？足以讓生命出現、演化並保留在地層中？這些問題就需要從地質學去參透火星環境變遷了。

火星探勘軌道飛行器(MRO ) 在火星上發現了上千個位置有黏土礦物，大體可知火星上有過長期溫暖潮濕的氣候，因為黏土是長石經過水解轉變而成的，但究竟長石是在怎樣的環境下與水變化？是河岸、湖泊、海濱還是溫泉，確實情況還是需要派一部地質機器人小車登陸去找更多證據。登陸火星的漫遊車、實驗室，基本上都是地質探路先鋒。透過地質分析了解火星的環境與氣候變遷，在火星找到的礦物與地球上比對，是目前我們建立火星過去歷史的根據。

2004年兩艘孿生漫遊小車「精神號」「機會號」分別在火星赤道的兩端古瑟夫坑（Gusev crater at 14.5718°S, 175.4785° E.）及子午線高原 (Meridiani Planum at 354.4742°E, 1.9483°S），古瑟夫坑這個地點看起來像河道蜿蜒曲流進入的終點湖泊。但精神號開始探索之後，發現該地的地層被火山岩覆蓋。精神號且戰且走、遠眺附近尋找有價值的目標，爬上附近的哥倫比亞小丘(高度90公尺）在土壤中發現含有蛋白石（含水的二氧化矽），類似黃石公園的溫泉或噴泉活動的沈積物，這次發現讓科學團隊歡呼不已。火星另一端的機會號也在奮進坑(Endeavour Crater)發現蒸發而形成的石膏，暱稱「小藍莓」的赤鐵礦小球粒，還有黃鉀鐵礦(jarosite )，都是與水有關的礦物。這些含有「水」的礦物，說明火星確實到處都有水的遺跡。

2012年火星實驗室到達蓋爾隕石坑(Gale Crater)，從先前的軌道太空船知道這是一個厚達數公里黏土堆積的低窪坑洞，透過光譜分析得知有鐵鎂綠土（蒙脱石類，Fe/Mg smectite)和富鎂碳酸鹽等代表沖積河道中性環境的風化產物，說明黏土形成時這區域如同地球上的淡水湖一樣。從隕石坑邊緣流入的河水夾帶的細泥，是由附近岩石風化而來的黏土礦物，經年累月緩緩沉到湖底，一層又一層堆積，在火星的地表水消失後，現今蓋爾隕石坑是已經乾涸的古老河湖床沈積紀錄。在2015年之前好奇號在這一帶仔細鑽探、研究礦物組成，分析得出黏土礦物大多為含鐵皂石(Fe-saponite) ，這在地球大多是火成岩與熱水作用生成的，少量的三價鐵綠土代表較乾燥環境，發現氧化錳(MnO)，說明大氣曾有充足的氧氣，這些現象大致上與預期相去不遠。

意外的是2017年好奇號爬到隕石坑中的夏普山（圖3 ），看到一大片刻畫著「泥裂」的地表，像我們在水庫乾枯見底時，很容易看見底部泥巴曬乾後的裂痕。泥裂說明這些岩石形成時氣候開始變乾燥了，另一個支持的證據是在這150公尺厚的岩盤偵測高達將近有三分之一強到一半的重量百分比是硫酸鈣（石膏），石膏常出現在鹹水湖岸，因為溶解度低，在蒸發作用強烈時最容易從鹽水中析出，除了硫酸鈣，其他成分有硫酸鎂與氯酸鹽類（參考資料 3）。泥裂加上硫酸鹽類，可雙重確認這些岩層代表鹹水湖環境正經歷散失水、由潮濕發展為乾燥的氣候。那麼湖水是快速蒸發，還是經過很久才逐漸乾枯？從不同比例礦物的組合，能找出更多環境的指標。簡而言之，請想像曬鹽場在盛暑數週不見降雨，水中鹽類全結晶出來便能有純淨的曬鹽結晶。萬一天氣不夠晴朗，偶有陣雨，經過很多年才完全乾燥，這析出的鹽結晶中肯定夾雜了很多灰塵細沙。因此又能根據不同組合的礦物進一步了解，諸如欠缺硫酸鐵和碳酸鹽組成，代表是屬於酸鹼值中等的氧化環境等等，地質學家得以重建這個區域在不同年代經歷的變遷過程。


圖3. 夏普山上多呈水平層狀堆積的沈積岩，是河道進入湖泊的典型沈積岩層。其中不同薄層有差異比例的硫酸鹽礦物組合，更說明這個湖逐漸乾涸的變遷過程(資料來源： NASA)。

登陸漫遊車除了分辨組成岩層的成分，岩層的構造也能就近明察秋毫，沈積岩裡的細節透露出地層演化的時空，可分辨是海底沉積或是風搬運的堆積？是山麓的沖積扇、還是進入侵蝕基準面的三角洲？不同的作用就保留不同的構造。舉例來說，透過軌道衛星清晰影像來分析火星傑哲羅坑(Jezero, 18.9N, 77.5E)，從照片中整理出26層曝露的岩層都是向西側的傾斜，傾斜角度介於0.5～9度。終端沈積層傾斜低於休止角，代表懸浮物堆積，而不是由重力驅使的碎屑沈積，根據三角洲前緣斜坡的前積層(foreset)傾斜角較大，底層的底基層( bottomset)坡角較平緩。同時出現在高度越上方位置的岩層傾斜角越大，顯示該處是一個三角洲的堆積（圖4）(參考資料 4）。由於三角洲沉積物顆粒會比沖積扇細小，有較高的機會保存化石，目前這個地點已經被選為2020年火星毅力號選擇的登陸地點。


圖4. 從岩層不同層面的傾斜角推測火星的傑哲羅坑(Jezero)過去是三角洲堆積環境

 21世紀的火星生命旅程

我們對於生物的認知全建立在對於地球生命的了解。最初人們幻想過最好火星上的小綠人願意現身、與我們交換想法。自從太空船到火星之後，這個願望降低到只求在火星的地層中發現微生物蛛絲馬跡，甚至只要確認火星是「可適居」的星球，都會讓人類感到安慰。這個願望從未消失，主要是太陽系可讓生命出現與繁衍的「適居帶」介於金星到火星之間，適居帶是依據恆星的表面溫度，以及行星與恆星的距離兩個條件決定，適居帶簡單來說就是適於「液態水」存在的範圍。我們已知金星表面濃厚的二氧化碳大氣籠罩，攝氏超過500度的高溫無法讓生命存活；地球生命豐富，因而我們好期望在火星找到生物伴侶，畢竟火星氣溫在攝氏零度上下，和地球有相似的四季變化，是符合生命適居的條件。

火星早期曾經有大量的水，從地表可以看到各種河流雕塑的地形，河道、峽谷、支流、沖積扇與三角洲，甚至大片範圍的洩洪道，充分顯示出這是一個曾經與地球一樣有到處液態水漫流的行星。 火星上的水到那裡去了？是深藏在地底的地下冰？還是高緯度的永凍土中？目前為止這兩種隱藏版的火星水都現出蛛絲馬跡，火星快車、火星探勘軌道衛星分析發現靠近極區，以及中緯度的地下可偵測到水冰，而且埋藏在一公尺深度以內。2008在北極區登陸的鳳凰號檢驗水冰是否存在於地下？用它的機械手臂挖出溝槽，有一處在抵達的第20個火星日(sol 20)到第 24個火星日(sol 24)的連續照片（圖5）中，可以看到照片中白色物變小或消失，說明這片白色物體是水冰，不是乾冰，因為乾冰昇華速率要快很多，四個火星日之後應完全消失無蹤。


圖5. 鳳凰號挖出的溝槽--左圖是在鳳凰號到達火星的第20日（一個火星日sol是24.6小時），請注意圖中溝槽的左下角，在陰影下有數塊將近兩公分(2/3”)的小冰塊。右側為第24個火星日照片，顯示左下角的小塊水冰已經蒸發，但是圖中上方較大的水冰尚能保留(資料來源： NASA)。

NASA為此也製作了一張火星「水」的寶藏圖（圖6），紫色區域代表最淺處的地下冰，登陸火星的太空人有機會在地表往下挖 2-3公分就能找到水冰。同時考慮地表溫度不會太低與地形平緩等條件，圖中白線框出的範圍是最適合太空人就地找到水源的區域。

圖6. 火星上的水冰寶藏圖--右側的色標顯示這些色彩代表在地下不到一公尺之內蘊藏著水冰，越冷的顏色覆蓋區域水冰躍進地表。黑色範圍標示為厚層細沙區域，太空船在這些地區降落可能沉陷，特別在寶藏圖上以黑色警示(資料來源： NASA)

目前在火星進行高空繞轉的除了兩個忠實的衛星（火衛一、火衛二）之外，有六個地球派去造訪的軌道衛星，日日夜夜為火星拍照、測量大氣、溫度、風（Ｍars Odyssey, MRO)、微量氣體與揮發物(MAVEN)，偵查哪裡有沙塵暴、土石崩塌（HiRISE/MRO)，讓地球上的科學家可以為火星預報天氣、發布火星震或雪崩、沙塵暴的消息。其中有些同時作為火星表面登陸小艇和地球聯繫的中繼站，為火星表面調查地質的好奇號、偵測火星震與火星內部結構的洞察號，傳遞他們所收集到的資訊。

那裡有適合生命存在的條件？火星軌道衛星檢測出火星的高輻射量、高氯酸鹽對生命具有威脅，或許因此火星目前是死寂的，但早期溫暖潮濕的環境是很有機會醞釀生命的。生命曾在火星出現嗎？太空生物科學家規劃了火星可能找到化石的地點，通常碳酸鹽保存化石的機會大，這也是2020年毅力號的登陸地點傑哲羅坑(Jezero) 為三角洲的水下沉積碳酸鹽，是尋找化石非常有希望的位置。這回火星任務還配給毅力號一架無人機，人類可能開啟在火星低層飛行的新旅程。

原定在今年七月接棒火星探測的不僅美國太空總署(NASA)的Mars 2020（Perseverance/毅力號）、歐洲太空總署(ESA)的 羅瑟玲·富蘭克林 （Roselind Frankline ），還有中國的火星一號。ESA的計畫近期因受新冠病毒COVID-19影響，已將火星任務延後到2022年。毅力號明年初抵達後會有什麼新的發現呢？讓我們拭目以待。

 參考資料