江蘇雷射聯盟導讀:火星上到底有沒有生命體存在,火星上的巖石由什麼組成.本期帶大家了解NASA的毅力號火星探測車中使用的SuperCam超強雷射來探測火星巖石的組成和是否有有機物存在(火星遠古生物生命體存在證據)的科學探測.
毅力號火星探測車各部分功能部件的圖片，攜帶有3D列印的部件，安裝在機械手臂的末端的精密X射線光譜儀（PIXL）和MOX
圖解：攜帶有3D列印的部件，安裝在機械手臂的末端的精密X射線光譜儀（PIXL）和MOXIE的船體右舷上。該設備的大腦，或者稱之為天線塔，包含一個雷射儀器，稱之為SuperCam，該設備可以蒸發巖石材料並研究其產生的等離子體的化學成分
毅力號火星探測車上的SuperCam是一個利用超強雷射的巖石蒸發儀器,可以幫助科學家來探究火星的化石.
發射了一個新的攜帶雷射的機器人到火星上進行科學探測。但不像科幻小說中的雷射用來打仗，這次是用來研究距離火星地面表面大約２０英尺（７米）深的地方的礦物學特性和化學性質。這一設備可以幫助科學家找到火星上的微生物化石的信號。
在2020年的火星探測車中毅力號科學探測器中的7個科學儀器之一的SuperCam,在2020年夏季進行了發射,該SuperCam是由成百上千的部件所組成的,將會把比較典型的幾個一定尺寸的儀器,可以安裝在麥片盒大小的空間中.該設備會從探測車的頭部激發一個脈衝的雷射束的,將巖石從一定距離使得部分巖石發生蒸發,從而提供足夠有用的信息來分析巖石的微生物信號,這是這次發射的重要任務之一.
火星毅力號探測器SuperCam的超強雷射工作圖（藝術構圖）
在這裡,江蘇雷射聯盟帶領大家領略一下是什麼使得這一設備變得如此專業的?
遙不可及?
使用雷射束可以幫助研究人員識別火星上的礦物,它可以實現機器人手臂不能觸及的地方或由於區域過大導致火星探測車不能觸及的區域.這一設備使得研究人員可以在確定是否要探測車做進一步的分析的時候來分析一個目標.尤其令人感興趣的是:在液態水中的礦物,如陶土,碳酸鹽和硫酸鹽等.眾所周知,液態水的存在對於生命體的存在至關重要,包括微生物,這在火星上幾十億年前也許會存在.
科學家同時使用SuperCam獲得的信息來幫助他們來確定什麼地方的巖石的芯部的樣品適合樣品緩存系統來抓取樣品.火星探測車毅力號在2020年實現在一個金屬管中收集這些巖石的芯部樣品,最終將其沉積在一個預定位置用於將來的任務以取回和將其帶回地球進行研究.
雷射聚焦
SuperCam是好奇號火星探測車的化學探頭的新一代產品.同它的前任一樣,SuperCam可以使用一個紅外的雷射束來加熱材料,加熱材料時溫度可以達到大約18,000華氏溫度(10,000攝氏度)—一個稱之為雷射誘導擊穿光譜技術(laser induced breakdown spectroscopy, or LIBS ) — 來蒸發它.一個特殊的相機可以從這些巖石中所產生的等離子體中來確定這些巖石的化學組成.
2020年火星探測器——毅力號火星探測器的一個重要的組成單元SuperCam，將會在火星上進行測試，測試時將會使用雷射來對巖石進行氣化和研究巖石材料的化學成分
同好奇號火星探測車的化學成分探測一樣（ChemCam），將會使用人工智慧技術來在驅動的過程中尋找尋找值得探索的巖石目標，當操作人員不屬於圈內的專業人士的時候，可以使用這一人工智慧系統來發揮作用。此外，這一升級後的人工智慧，可以使得SuperCam對每一個非常小的巖石特徵的特定點進行探測。
SuperCam的另外一個特徵就是它上面安裝有一個綠色的雷射，這一綠色雷射用來探測表面材料的分子組成。這一激發的綠色的雷射束可以激發樣品中的化學鍵，並產生一個取決於元素成分的信號來——這一技術稱之為拉曼光譜（Raman spectroscopy）。SuperCam 同時使用綠色雷射來造成礦物和碳基化學材料發射出光或者發出螢光來。
礦物和有機化學物質發出的螢光具有不同的速率，因此SuperCam的光探測特徵的快門可以實現在一次快達100納秒的速度——這一速度如此之快，非常少的光的光子能夠有機會進入。改變快門的速度（這是一種稱之為時間分辨的發光光譜，即time-resolved luminescence spectroscopy）將會使得科學家可以更好的確定這些物質中存在的成分。
而且，SuperCam還可以使用從太陽中反射過來的可見光和紅外光來研究巖石中的礦物含量和沉積物的含量。這一可見光和紅外光的探測技術作為拉曼光譜的補充，每一種技術均對不同的礦物材料的類型比較敏感。
帶麥克風檢查的雷射器
SuperCam還包括一個麥克風，因此科學家可以聽見雷射每一次擊打目標時的聲音。由雷射擊打巖石所帶來的微妙的變化所造成的爆裂的聲音主要取決於巖石材料的性質。
這一麥克風作為一個實用的技術，通過告訴我們一些關於距離我們一定距離的巖石的信息。但我們同時也可以實用它來直接的記錄火星景觀或者探測車旋轉時的聲音。
2020年 毅力號火星探測車中 的 SuperCam正在經過科學家的測試及其組成圖（右圖）
圖解：2020年 毅力號火星探測車中的主要科學探測儀器 SuperCam，正在進行測試，將使用雷射來蒸發巖石和用它來研究火星表面的巖石材料的成分，
NASA的下一代探測器
2020年的火星探測器屬於第三次使用這一特定的麥克風在火星表面進行記錄。在1990年晚期，同樣設計的探測器火星極地著陸者，墜毀在表面上。在2008年，鳳凰號登陸火星探尋使團經歷了電子問題，造成了麥克風的使用受到阻礙。
圖解: 2020年的火車探測器毅力號中安裝有23個相機.許多相機都是在好奇號火星探測車的基礎上進行了升級,只有一少部分是此次探測額外新增加的相機（上圖）。在這個圖中，NASA的毅力號火星探測車還使用了行星X射線巖石精密化學測試儀（Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry (PIXL)）。該設備位於火星探測車的機器臂的末端，這一Ｘ射線光譜儀將會幫助研究人員來研究巖石中的古代微生物的信號（下圖）
NASA2020火星探測車
NASA 2020的火星探測器包含有23個相機來獲得全景圖，揭示障礙物，研究大氣，幫助科學儀器進行探測．
團隊協作工作的結晶
SuperCam是在位於墨西哥的洛斯阿拉莫斯國家實驗室的領導下開展工作的，在此處發展了相應的科學儀器．該儀器的部件包括數個光譜儀，電子控制儀器以及相關的軟體等．
桅杆單元是數個法國研究中心的實驗室和法國的大學在法國航天局的合約下發展和製造的．火星探測車上的校準靶材是西班牙的巴亞多利德大學提供的．
而美國的NASA的JPL（推進實驗室）則完成構建和操控火星2020探測車的發射指導任務，該任務在總部華盛頓進行．
這一設備上的科學相機包括：
Mastcam-ZSuperCamPIXLSHERLOCWATSONMastcam-Z相機
Mastcam-Z是一對相機，用來獲得彩色的圖片和視頻，三維的立體圖像，並且具有一個功能強大的變焦距鏡頭.好奇號火星探測車上的Mastcam相機一樣，毅力號火星探測車上的Mastcam-Z由兩個複製相機系統安裝在桅杆上,在巖石上支撐站起來.相機挨在一起對同一點進行拍照,提供同我們人眼觀察時所看到的3D視景圖像,甚至比僅僅使用人眼觀察的效果還要好.這些相機同時還具有變焦功能,從而可以觀察到遠距離的詳細信息.
SuperCam相機
SuperCam對準巖石目標發射出一束雷射,達到機器臂所不能到達的巖石表面,然後分析蒸發的巖石來揭示其元素組成.這一相機同好奇號火星探測車上的化學探測器 ChemCam相類似,SuperCam發射出一個直徑不到1mm的雷射束,達到距離超過20英尺(大約為7米)的巖石.該設備中的相機和光譜儀就會檢測巖石的化學組成.它會尋找有機的成分,有機成分是同火星中的過去的生命體是密切相關的.當雷射擊打巖石的時候,它會產生等離子體,這一等離子體是極端熱的氣體,由自由漂浮離子和電子所組成.一個機載的光譜儀記錄等離子體的譜線,該譜線能夠揭示材料的化學成分.
SuperCam科學儀器在2020年毅力號火星探測車中進行巖石探測發射雷射時的藝術構圖
PIXL使用X射線螢光來識別目標點的化學成分,其識別的目標物體大小可以小於一個精製食鹽的晶粒.該設備中包含一個微環境攝像機(Micro-Context Camera)來提供同元素成分圖相關的照片,可以清晰的從視覺層面觀察到目標區域的元素特徵.
PIXL 的足動物的設計(上圖)和進行分析時的場景圖
圖解:NASA毅力號火星探測車是一個由6個機械臂所組成,其上面的類似六足動物的設計是PIXL儀器的關鍵部件.這一六足動物的設計使得PIXL可以緩慢,精確的移動到非常接近火星表面特定區域的某點進行探測,如上面的上圖所示.PIXL 需要自動的獲得巖石目標物體位置的圖片.當儀器在夜間工作的時候,發光二極體在開始時就循環照明和獲得巖石目標的照片.使用人工智慧技術,PIXL依靠圖像來決定目標物體掃描的時候 距離有多遠(見上圖中的下部圖片)
SHERLOC的主要工具是光譜儀和雷射,但它同時也使用宏觀相機來獲得待研究區域極端近距離的照片.這就提供給科學家相關的信息來研究待研究的巖石的環境信息所需要的織構.
WATSON相機是探測車手臂或者說在毅力號火星探測車機械臂末端的旋轉機架上的一個工具.這一工具幾乎同好奇號火星探測車上的 火星手持透鏡成像儀一樣.WATSON 可以捕獲SHERLOC在火星礦物目標中所收集的非常詳細的信息的巨大信息量的上下文圖像.WATSON可以提供巖石和巖石表面碎片和灰塵中非常精細的織構和組織結構.由於WATSON可以在機器手臂上來回移動,它同時可以利用另外一個機器手臂上的儀器提供火星部件和目標物體的地理信息.例如,它可以探測出氧氣製造設備MOXIE 中的氧,來幫助檢測在入口處的灰塵聚集的程度來進行氧攝取.
WATSON 的校準目標連接在探測車的前面.它包含一個公制標準條形圖來幫助校準科學儀器.
我們的徵程是星辰大海 一窺 毅力號火星車的3D列印部件9:49我們的徵程是星辰大海 一窺 毅力號火星車的3D列印部件播放02:21 / 02:21高清倍速高清 540p2.0x1.5x1.25x1.0x0.8x50%
來源：NASA/JPL,Los Alamos National Laboratory,Space Sci Rev (2021) 217:4 https://doi.org/10.1007/s11214-020-00777-5