1972年，探测器“水手9号”拍摄的第一批近距离火星图像，让行星科学家们梦想成真：它们揭示了相互交错的山谷网络，这些山谷与地球上的排水盆地和河床惊人地相似，从而暗示火星表面曾经有过自由流淌的水。这些图像还暗示火星曾经有过大气层。我们的地球之所以能在地表拥有液态水，仅仅是因为它的大气层维持了高气压并留住了太阳的热量。因此，行星科学家们提出，当火星在46亿年前形成时，它也曾拥有一个能够留住热量的大气层，由二氧化碳和水蒸气组成。他们推测，有了温暖、水和空气，火星可能曾经是一个花园般的世界，是行星中的天堂。
然而，他们也发现了，这个花园并没有持续多久。没有一条河床比37亿年前更年轻。火星上发生了什么事情，导致其大气层被剥离，溪流干涸，花园永远冰封。
研究人员提出了许多关于火星大灾难的设想。一些人认为，太阳通过其带电粒子的风逐渐侵蚀了火星的大气层。另一些人则推测，行星本身吸收了它的大气层，将二氧化碳转化为碳酸盐岩石。然而，在过去的七年里，亚利桑那大学的两位行星科学家Ann Vickery和Jay Melosh一直在探索一种更为壮观的结局：他们认为，火星的大气层是被一系列小行星和彗星炸毁的。
他们的工作对于我们理解撞击在塑造当今太阳系方面所发挥的重要作用至关重要。正是行星胚的撞击形成了行星和卫星，撞击可能在几次场合中杀死了地球上大片生命。如今，Vickery和Melosh以及其他采用了他们研究方法的科学家们已经证明，撞击可能塑造了太阳系中行星和卫星的大气层。
Vickery和Melosh并不是第一个怀疑火星是否被来自火星之外的天体剥夺了大气层的人。十年前，其他人也曾考虑过这个想法；但他们的计算，侧重于弹丸坠落时如何加热大气层，表明不会有可观量的空气被移除。然而，在1988年，Vickery和Melosh决定更仔细地审视火星撞击的全部复杂性。他们的初步计算表明，之前的研究人员忽略了弹丸撞击地面后所发生事件的关键部分。
Melosh说，基本原理是，一次撞击不仅仅是打开一个陨石坑。在高速度下，弹丸会汽化并膨胀到大气层中。这种超高温的膨胀羽流会像推雪的扫雪机一样将上方的空气推向天空。蒸汽羽流会升多高取决于撞击行星的物体的质量和速度。如果它足够大且足够快，它就可以将羽流直接推向太空。它所清除的大气层部分就会永远被剥离出这颗行星。
为了弄清楚这个过程是否能解释火星缺失的大气层，Vickery和Meloshessentially将红色星球的影像倒放，从今天稀薄的大气层开始，追溯回可能在亿万年间被撞击移除的空气。首先，他们推导出了一个数学表达式，将时间与撞击率和大气损耗率联系起来。利用这个表达式，他们然后将时钟拨回，找出从火星目前的微弱大气层生长出古代、类似地球的大气层需要多长时间。如果他们的模型是正确的，它就会产生最初的、早期的火星。而反向生长大气层所需的时间，与正向丢失大气层所需的时间将是相同的。
利用目前大约每1000万年发生一次大型撞击的比率，Vickery和Melosh在火星河道年龄允许的时间内，无法生长出比现在大气层显著更厚的大气层。但我们正处在一个相对平静的时期，尽管木星上仍在发生彗星撞击。直到37亿年前，大型撞击仍频繁地轰击火星，不是每1000万年一次，而是每10000年一次。尽管那时行星已经存在了8亿年，太阳系仍然散布着形成初期的残骸，这些残骸在撞击行星和卫星的过程中不断产生更多的碎片。考虑到更高的撞击率，Vickery和Melosh能够从37亿年前一个几乎死寂的星球开始，在短短6亿到7亿年内形成一个浓厚的大气层。
尽管如此，研究人员知道他们的初步计算非常简单，结果可能相差十倍。Melosh说，我们很清楚其中有许多近似计算。因此，在1992年，他和Vickery开始在超级计算机上运行逐个模拟撞击。通过他们的程序，他们可以将大气层和地面分解成微小的单元，并根据基本的物理学原理，计算每次撞击后每个单元发生的情况，并进行能量和动量平衡。最终，他们设法让更复杂的模型得出了一个预测，这个预测开始被其他研究人员认真对待。结果与他们早期的预测非常相似：一场灾难性的火星大气层毁灭。
现在，对于早期火星天堂如何被摧毁有了一个有吸引力的解释，一些研究人员开始质疑那个天堂是否真的存在过。对其他恒星的研究表明，年轻的太阳比现在暗25%到30%。火星比地球离太阳远4900万英里，接收到的阳光不到我们现在享受的阳光的三分之一。宾州州立大学的地球科学家Jim Kasting和康奈尔大学的空间科学家Steven Squyres计算出，在如此微弱的阳光下，即使早期的火星大气层比现在地球的浓五倍，也无法留住足够的热量来阻止水结冰。Kasting说，仅凭二氧化碳和水，温度无法达到零下45华氏度以上。二氧化碳会形成冰冷的云，它们会反射阳光。火星接收到的微弱阳光会从云层反射出去，行星会进一步冷却。
至于今天看到的火星山谷如何在没有温暖大气层的情况下形成，Squyres和Kasting推测，这颗行星可能曾被大片冰层覆盖，而火星内部的热量可能融化了隐藏的通道。其他研究人员则认为，这些山谷根本不是由水形成的，而是由其他未知过程形成的。
然而，Vickery坚持她最初的假设。她指出，火星上存在看起来像地球上河流山谷网络的山谷网络，而且看起来不像太阳系中任何其他特征。最直接的解释是，这些网络形成的方式与类似的地球网络大致相同。这意味着有流动的液态水，而流动的液态水意味着浓厚的大气层。既然现在大气层如此稀薄，一定有什么方法让浓厚的大气层消失了。
美国地质调查局的地质学家Mike Carr也不喜欢早期火星寒冷的观点。他说，我认为我们遗漏了什么。一种可能性是Kasting的模型是错误的，可能存在甲烷或氨等其他温室气体。我对此感到非常困惑，我正在研究这个问题的不同方面。即使是Kasting，尽管他提出了疑问，为了解释今天看到的现象，他仍然倾向于早期火星温暖的观点。他说，关于早期火星气候可能是什么样子，还有待观察。在Vickery看来，我们可能要等到重返火星才能发现真正的答案。
尽管围绕火星的争论仍在继续，Vickery和Melosh帮助引导了其他研究人员证明，太阳系中现有和已灭绝的大气层都可能受到撞击的深刻影响。事实上，撞击不仅可能摧毁大气层，还可能建立大气层——关键在于物体撞击行星的方式。几年前，在康奈尔大学，行星科学家Chris Chyba决定研究那些摧毁火星空气的撞击在同一时期对地球造成了什么影响。他发现，一些撞击会像在火星上一样侵蚀地球的大气层，但大多数撞击则没有足够的动量。为了吹走大气层，撞击物必须足够大且足够快，才能产生能够逃脱行星引力的蒸汽羽流。火星的逃逸速度是每秒3.2英里，这对于撞击来说并不难达到。但是，要逃脱比火星大9.3倍的地球，一个物体必须以每秒7英里的速度移动。Chyba说，大行星由于引力，倾向于保留它们撞击到的物质。在大行星上，撞击会建立大气层，而在小行星上，侵蚀更有可能发生。
这些撞击带来的不仅仅是空气。撞击地球的彗星和小行星中的冰会汽化成气体，笼罩着行星，最终海量的水从大气层中凝结出来。Chyba计算出，金星也可能获得了相同量的水。即使在火星失去大气层的过程中，它也可能捕获了足够慢速移动的彗星，形成一层深达几百英尺的水。
其他研究人员已经开始重建外太阳系的撞击历史。NASA的Kevin Zahnle想知道为什么土星的卫星泰坦拥有巨大的氮气大气层，而木星的卫星卡利斯托和盖尼米德，尽管质量和密度与泰坦几乎相同，却没有任何大气层。他根据外太阳系中彗星种群的估计，计算了撞击到这些卫星上的物质量。然后，为了简单起见，他假设这些物质以从小型到大型的撞击物均匀分布范围到达。他的结果显示，这些卫星上的大气层与我们今天看到的相同。主要因素与Vickery和Melosh在火星上遇到的因素相同：质量和速度。盖尼米德和卡利斯托在木星深邃的引力井中高速运行，而泰坦则在较小的土星周围以较慢的速度运行。一个注定要与木星的一颗卫星相撞的物体，在巨行星的影响下加速，然后撞入快速运行的卫星。在这种情况下，蒸汽羽流的动量太大，无法停留并增加大气层；它只会飞向太空。但是，由于土星的引力场不那么强，撞击物速度不那么快。因此，当它们落在卫星上时，就会留在那里。
然而，Zahnle希望更接近现实，他摒弃了一些第一个模型中的人为假设，并将一些结果留给偶然性。他与北亚利桑那大学的物理学家Caitlin Griffith合作，采取了一种新方法。通过“旅行者1号”的照片，研究人员能够估算出撞击土星上布满陨石坑的卫星瑞亚（Rhea）和伊阿珀托斯（Iapetus）的质量。Griffith和Zahnle根据这些结果推断出撞击到附近的泰坦的物质量；再进一步推断，他们还计算出了木星的卡利斯托和盖尼米德的物质量。根据土星卫星上大型和小型撞击的比例，他们将相应的质量分成随机排序的彗星集合，然后将它们撞击到1000个泰坦、1000个盖尼米德和1000个卡利斯托上。
通过他们的模拟碰撞，Griffith和Zahnle发现他们经常能够为泰坦赋予至少与其现在拥有的大气层一样大的大气层。然而，令人惊讶的是，卡利斯托和盖尼米德各自都有一个早期的小型大气层。Griffith说，这些大气层可能太小，无法抵御紫外线辐射和木星的磁场。有趣的是，在模拟中，卡利斯托接收到的大气层比盖尼米德多，现在它有一个黑暗、不均匀的表面。Griffith说，这可能是一种有机粘液——一种经过处理的大气层残留物。
Griffith接下来要模拟的是火星的大气层。她可以与Vickery交流结果，Vickery正在让她的精密计算机程序达到一个新的复杂水平，以找出当撞击物以一定角度撞击行星时会发生什么。Vickery最近发现，一个物体垂直撞击地面对大气层的侵蚀程度不如早期模型所暗示的。但是，正如她指出的那样，这种撞击的可能性几乎为零。斜向撞击更有可能发生，Vickery怀疑它们也会破坏更多的大气层。一次斜向撞击会沿着其进入路径向前喷射蒸汽羽流，就像跳远运动员在脚落地时向前推动沙子一样。由于以低角度而不是垂直角度穿过空气，羽流可以将更多的空气推到前面并进入太空。就在去年，Vickery成功地让程序模拟了这种撞击的最初几秒钟，并发现羽流确实向侧面移动了。
随着Vickery和其他研究人员越来越接近撞击的真实情况，他们正在改变我们看待行星和卫星的方式。行星学直到现在一直是一门比较学科：研究人员通过比较行星本身的内在品质，如它们最初的气体、矿物和金属等，来试图弄清楚为什么一颗行星是一个灼热的温室，另一颗是气态巨行星，还有一颗是生命的乐园。现在看来，撞击在世界（行星和卫星）的诞生和死亡中可能扮演着更重要的角色。从火星上死寂的花园里，似乎萌生了新的理解。
