Amikor a NASA Phoenix leszállóegysége 2008. május 25-én megérkezett a Mars északi sarkvidéki síkságára, a küldetés egyik legfontosabb célja annak megállapítása volt, hogy valóban található-e vízjég közvetlenül a felszín alatt. A Mars körül keringő szondák neutron- és radarvizsgálatai már évekkel korábban arra utaltak, hogy a magasabb szélességeken hatalmas mennyiségű fagyott víz rejtőzik a talajban, de ezt még soha nem igazolta egy helyszíni mérés.
A Phoenix egy robotkarral felszerelt álló leszállóegység volt, mozgásra nem volt képes mint a marsjárók, ezért minden tudományos vizsgálatot a leszállási hely közvetlen környezetében kellett elvégeznie. A közel 2,4 méter hosszú kar végén egy ásókanál kapott helyet, amellyel árkokat és gödröket ásott a vöröses marsi talajba.
A neutronvizsgálat alapja az, hogy a Mars felszínét folyamatosan bombázzák a világűrből érkező kozmikus sugárzás részecskéi. Amikor ezek a részecskék becsapódnak a talajba, neutronok szabadulnak fel. A hidrogénatomok – amelyek a víz alkotórészei – nagyon hatékonyan lassítják ezeket a neutronokat. Ha egy szonda a vártnál kevesebb nagy energiájú neutront érzékel egy terület fölött, az arra utalhat, hogy a talajban sok hidrogén található. A Mars esetében a legvalószínűbb hidrogénforrás a vízjég. A NASA Mars Odyssey neutrondetektora így készített térképet a Mars vízben gazdag régióiról.
A küldetés 21. marsi napján a kutatók meglehetősen érdekes jelenséget figyeltek meg. Az egyik frissen kiásott árok alján fényes, fehér foltok jelentek meg., és ezek élesen elütöttek a környező vörösesbarna talajtól. A tudósok előtt két lehetőség állt: a fehér anyag lehetett vízjég vagy valamilyen világos színű sólerakódás.
A kérdés eldöntéséhez nem kellett laboratóriumi vizsgálat. Elég volt várni.
A következő napokban a Phoenix rendszeresen lefényképezte ugyanazt a területet. A fehér darabkák fokozatosan kisebbek lettek, majd négy nap elteltével gyakorlatilag eltűntek. Ez kulcsfontosságú bizonyíték volt. A Mars felszíni légnyomása ugyanis a földi érték kevesebb mint egy százaléka, és ami az árulkodó jel ebben az esetben, hogy lyen környezetben a vízjég gyakran nem olvad meg folyékony vízzé, hanem közvetlenül vízgőzzé alakul. Ezt a folyamatot nevezzük szublimációnak.
Ha a fehér foltok sómaradványok lettek volna, nem tűnnek el, de mivel ennek pont az ellenkezője történt, a kutatók arra jutottak, hogy valóban vízjég került elő a felszín alól.
A felfedezés több szempontból is jelentős volt. Először sikerült közvetlenül megérinteni és megfigyelni a marsi felszín alatti vízjeget. A mérések azt mutatták, hogy a leszállóhely környékén a jégréteg rendkívül sekély mélységben helyezkedik el, helyenként mindössze néhány centiméterrel a felszín alatt. Ez arra utal, hogy a Mars északi sarkvidékének talaja valójában egy vékony por- és homokréteg alatt rejtőző fagyott világ.
A Phoenix más műszerei is megerősítették a víz jelenlétét. A TEGA nevű fedélzeti laboratórium talajmintákat hevített fel, és kimutatta, hogy a minták vízgőzt bocsátanak ki. A leszállóegység meteorológiai állomása hófelhőket is megfigyelt, ami akkoriban teljesen új eredménynek számított. A Marsról korábban tudtuk, hogy léteznek rajta jégsapkák, de a Phoenix bizonyította, hogy a víz aktív szerepet játszik a mai marsi vízkörforgásban is.
Még egy meglepő felfedezés: a küldetés eredményei arra utalnak, hogy a Mars tengelyferdesége a múltban jelentősen változhatott. Egyes korszakokban a bolygó pólusai több napfényt kaptak, mint ma, így a jég részben elpárologhatott, majd más területeken rakódhatott le. A jelenleg megfigyelhető felszín alatti jégrétegek ennek a hosszú éghajlati történésnnek a lenyomatai.
A jövő emberes Mars-expedíciói számára a felfedezés gyakorlati jelentősége érthetően óriási. A víz helyben történő kitermelése csökkentheti a Földről szállítandó készletek mennyiségét. A vízből ivóvíz készíthető, sőt elektrolízissel hidrogén és oxigén nyerhető, amelyek rakéta-hajtóanyagként is felhasználhatók.
