Ute i kylan, tomt tomrum bortom jorden, NASA:s senaste Mars-uppdrag närmar sig 43, 000 miles per timme mot den röda planeten. Uppdraget, mars 2020, passerade halvvägs av sin resa i oktober 2020 och förväntas landa på fast mark den 18 februari.

Uppdraget är den första delen av en djärv plan att göra något som mänskligheten aldrig har gjort förut:ta tillbaka en bit av en annan planet till jorden. (NASA har hämtat stenar från månen, men det anses inte vara en planet.) Denna plan, känd som Mars Sample Return, kommer att involvera tre uppdrag som spänner över ett decennium.

För Ken Farley, Caltechs W. M. Keck Foundation professor i geokemi och uppdragets projektforskare, Mars 2020 är kulmen på år av drömmar och noggrann planering.

"Idén att ta tillbaka ett prov från Mars går tillbaka årtionden, " säger han. "Vi är i en position nu där om allt går enligt plan, prover kommer att komma tillbaka till jorden 2031. Det låter som en lång tid, men att det här blev verklighet har alltid varit 10 år bort sedan jag gick i gymnasiet. Nu gör vi det faktiskt."

När uppdraget väl anländer, den kommer att placera ut två fordon:Ingenuity helikopterdrönaren och Perseverance rover. Uppfinnsamhet kommer att testa vår förmåga att använda flygplan på en planet som har en atmosfär som är mindre än 1 procent så tät som jordens. Uthållighet kommer att vara engagerad i en uppgift som erbjuder potentiellt paradigmskiftande belöningar:att borra in i Mars steniga yta för att undersöka möjligheten till tecken på liv som en gång kan ha funnits där.

På många sätt, Perseverance rover är ungefär som de tidigare roveruppdragen som NASA och JPL, som Caltech hanterar för NASA, har skickat till Mars. Dessa tidigare rovers, inklusive Opportunity (2004), Spirit (2004), Sojourner (1997), och Curiosity (2012), designades för att ta mätningar av planetens atmosfär och yta och sända dem tillbaka till oss. Till utseendet liknar Curiosity, men större, tyngre, och med ett provcachesystem istället för ett laboratorium ombord, Perseverance kommer att samla stenprover för att förbereda dem för deras återkomst till jorden.

Det kommer att göra det vid kanten av Jezero-kratern, som tros ha innehöll en sjö lika stor som Lake Tahoe när Mars fortfarande hade flytande vatten på sin yta för miljarder år sedan. Farley säger att en nyckelattraktion i Jezero är ett välbevarat floddelta, en geologisk egenskap som bildas när en flod tappar stora mängder sediment när den mynnar ut i en sjö eller ett hav. På jorden, floddeltan är produktiva platser där livet blomstrar, så tanken är att om livet någonsin utvecklades någonstans på Mars, det kan likaledes ha varit rikligt vid den röda planetens egna deltan.

"Jezero skulle ha varit en plats som var beboelig, " säger Farley. "Livet som vi känner det kunde ha levt i den sjön, och leran i ett delta är riktigt bra på att bevara livets biosignaturer."

När Perseverance kommer till ett område som ser lovande ut för forskargruppen, den kommer att få ett prov med en borrkrona som skär en cylinderformad kärna medan man borrar berget. Sådana kärnor är värdefulla för forskare eftersom de ger en tvärsnittsvy av lagren och andra egenskaper hos berget. Rovern kommer att borra cirka 40 kärnor från marken, var och en ungefär lika stor som en kritastav, och förslut dem i provrör. Vid något tillfälle, Rover kommer att placera dem på Mars yta för senare hämtning.

"Efter att vi borrat dem, vi gör något som verkar galet:vi sätter dem på marken i vad vi kallar en cache, " säger Farley. "I de kommande två delarna av programmet, vi går och hämtar dem och tar tillbaka dem."

Den andra etappen av provreturprogrammet kommer att skjuta upp en Sample Retrieval Lander mot den röda planeten 2026 eller 2028. Ombord på landaren kommer en rover och raket som kallas Mars Ascent Vehicle. Efter landning vid Jezero Crater, Rover kommer att hämta cachen med kärnor som lämnats av Perseverance och placera dem i raketen. Med kärnorna på plats, raketen kommer att skjuta upp från ytan och placera en behållare i basketstorlek som håller proverna i omloppsbana runt Mars.

Det sista steget i provretur kommer att skicka en annan rymdfarkost som kommer att göra samma långa vandring till den röda planeten, men när den kommer, det kommer inte att landa. Istället, Earth Return Orbiter kommer att hämta den kretsande cachen med stenprover och bege sig tillbaka till jorden. NASA och Europeiska rymdorganisationen kommer var och en att tillhandahålla komponenter för uppdraget Sample Retrieval Lander och Earth Return Orbiter-uppdraget, med återkomst till jorden planerad i början av 2030-talet.

Det är en lång tidslinje; Mars 2020-utvecklingen startade 2013, och planetproverna kommer inte att returneras förrän minst 18 år senare. Men, Farley säger, det finns goda skäl att göra på det sättet.

"Det är bara för komplicerat att skicka allt på en gång, " säger han. "Och det är mycket vettigt att sprida ut det över flera år så att mängden pengar du behöver på ett år inte är för mycket. Också, du behöver mycket talang för att uppfinna och bygga de nya sakerna som varje del av det här uppdraget behöver. Genom att utveckla dem under en längre period, vi kan ha tillräckligt med ingenjörer för det."

Vilka är fördelarna med att föra tillbaka Mars-stenar till jorden?

För en, eftersom de livsformer som fanns på jorden för 3,5 miljarder år sedan var mycket mer primitiva än idag, det finns inga fossila ben att hitta. De tydliga tecknen på mikroberna som fanns på den tiden, som var enkla och mjuka, är mycket svårare att med säkerhet identifiera än en bit av en dinosaurie. Det krävs mycket känsliga instrument för att identifiera dessa tecken på liv – utrustning som helt enkelt är för stor och tung för att sätta på en raket och skjuta ut i rymden.

"Några av instrumenten vi kommer att använda för att testa är stora som en bil, " säger Farley. "Du kan bara inte flyga något sådant, så om vi någonsin ska få en kvantitativ historia om Mars och tydliga bevis för potentiellt Mars-liv, vi måste ta tillbaka prover. Och bevisbördan för att säga att det fanns liv på Mars är mycket hög. Du måste vara säker, och det bästa sättet för oss att vara säkra på är att undersöka dessa prover i laboratorier här på jorden."

Trots det faktum att Mars för närvarande är för kallt och torrt för att någon känd form av liv ska kunna existera där nu, av säkerhetsskäl kommer kärnorna att förvaras i en säker anläggning tills det kan bekräftas att de inte innehåller några levande Marsorganismer.

Om allt går rätt, och NASA tar med framgång prover tillbaka, kunskapen vi får om Mars kan vara enorm, Farley säger, och skulle också kunna ge inblick i vårt eget ursprung.

"Livet blomstrade på denna planet för 3,5 miljarder år sedan i grunda sjöar och hav, " säger han. "Jezero är en 3,5 miljarder år gammal grund sjö på Mars, så vad är skillnaden mellan den sjön och de gamla sjöarna och haven på jorden? Fanns det liv i Jezero? Om du bygger en beboelig miljö, dyker livet alltid upp? Eller finns det något magiskt med vår planet?"

"Svaret på denna fråga är djupgående, " tillägger han. "Det senaste decenniet har avslöjat att galaxen är fylld med miljarder planeter, och många av dem är sannolikt beboeliga. Hur många av dem gjorde eller lever liv?"