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詹姆斯韦伯太空望远镜的第一张火星图像揭示了大气的秘密

作者:AI佛

太空望远镜拍摄的火星红外图像显示了它的表面特征并暗示了它的化学成分。

詹姆斯韦伯太空望远镜的第一张火星图像揭示了大气的秘密

图一:詹姆斯韦伯太空望远镜于 2022 年 9 月 5 日通过其 NIRCam 仪器捕获了第一张火星图像 (图片来源:NASA、ESA、CSA、STScI、Mars JWST/GTO 团队)

詹姆斯韦伯太空望远镜 (JWST) 拍摄了第一张火星图像,以高灵敏度观察来自这颗红色星球的红外光。

詹姆斯韦伯太空望远镜的第一张火星图像和光谱于周一(9 月 19 日)在欧洲行星科学大会上发布(在新标签中打开)(EPSC) 2022。图像和测量是 2022 年 9 月 5 日在 JWST 距离火星约 100 万英里(160 万公里)的位置进行的。

韦伯的近红外相机捕捉到火星可观测圆盘的图像——被太阳照亮并面向望远镜的行星一侧(在新标签中打开)(NIRCam),并且可以为行星科学家提供地球近邻的独特视角,提供可与美国宇航局的毅力号和火星轨道飞行器等漫游者的观测结果结合使用的数据。

因为火星相对较近且非常明亮,所以它不是 JWST 最容易可视化的物体——旨在看到难以置信的遥远和微弱的物体。

“火星是如此明亮,挑战在于如何看到它,”美国宇航局行星系统实验室戈达德太空飞行中心的科学家和首席研究员朱利亚诺·刘齐在 EPSC 新闻发布会上表示,以纪念图像的发布。

为了防止来自火星的明亮红外光使 JWST 的仪器失明,科学家们使用了非常短的曝光时间来观察这颗红色星球。这意味着只测量到达 JWST 探测器的部分光,然后应用特殊方法分析收集到的数据。

“我们可以看到这种令人难以置信的分辨率,我们在红外线中有太空望远镜的衍射极限,这太棒了。我们可以看到整个星球,”Liuzzi 继续说道。

全天候观察火星

JWST 能够以天文学家研究火星天气模式、沙尘暴甚至由地球季节引起的变化等短期现象所需的空间分辨率捕获图像和光谱。

此外,韦伯望远镜可以在一次观测中捕捉到火星一天中不同时间发生的事件——白天、日落和夜间。

JWST 拍摄的第一张火星图像以两种不同波长的光显示了火星东半球的一个区域。

短波长图像以反射的阳光为主,显示了火星表面的细节,类似于可见光中的特征。这些特征包括惠更斯陨石坑,一个近 280 英里宽(450 公里)的撞击坑,以及 Syrtis 主要平原的深色火山岩。

韦伯太空望远镜的 NIRCam 相机捕捉到火星在失去热量时发出的更长波长的红外光。这种光的亮度与火星及其大气的温度有关,最明亮和最温暖的区域位于太阳几乎在地球上空的地方。

亮度向暴露在较少阳光下的火星极地和目前正处于火星冬季的地球北半球逐渐减弱。

然而,到达 JWST 的光量不仅与行星的温度有关。望远镜收集的图像还可以暗示火星大气和表面的化学成分。

海拉盆地的大气线索

使用詹姆斯韦伯太空望远镜收集的数据分析从火星探测到的光谱可以帮助天文学家确定其大气和表面的成分。

在分析了 JWST 图像后,Liuzzi 和他的团队发现,1,200 英里宽(1,930 公里)的 Hellas 盆地看起来比周围环境更暗,即使在该地区火星日最热的时候也是如此。

“其中一件整洁的事情是你可以看到火星上一个盆地的黑暗斑块。我们没想到会这样。我们看到了一些非常明亮的东西,但它变得更暗了,”Liuzzi 说。“这实际上不是 Hellas 的热效应。”

在这个保存完好的撞击结构上看到的变暗是光线穿过火星大气层并被二氧化碳吸收的结果。

“希腊盆地海拔较低,因此气压较高,”戈达德研究员解释说。“由于称为压力展宽的效应,较高的压力会抑制该特定波长范围内的热发射。在这些数据中梳理这些竞争效应将非常有趣。”

新图像还展示了詹姆斯韦伯太空望远镜利用望远镜近红外光谱仪 ( NIRSpec ) 仪器 进行测量的光谱技术研究火星的能力。

詹姆斯韦伯太空望远镜的第一张火星图像揭示了大气的秘密

图二:詹姆斯韦伯太空望远镜于 2022 年 9 月 5 日由近红外光谱仪 (NIRSpec) 拍摄到的第一个火星近红外光谱。(图片来源:NASA、ESA、CSA、STScI、Mars JWST/GTO 团队)

由于化学元素会吸收和发射特定波长的光,因此行星科学家可以使用光谱学来研究不同化学物质在穿过行星大气层的光中留下的“指纹”,以确定其成分。

科学家们获得的初步结果显示了光谱特征,其中包含有关火星尘埃、冰云、大气成分以及在地球表面发现的岩石类型的信息。

JWST 的观测应该能够识别水、二氧化碳、一氧化碳和其他化合物的存在。

Liuzzi 指出了关于火星上存在甲烷的争论,最初的地面观测和漫游车提供了这种化合物的证据,尽管是零星的。虽然 ExoMars 微量气体轨道器 (TGO) 测量结果无法证实这一点,而且地球上的观测因地球大气中的甲烷而变得复杂,但 Liuzzi 认为 JWST 观测结果可能会带来不同。

“最大的难题是,表面上的漫游车和观测数据留下了零到 10 公里 [6 英里] 之间的差距,”他说。“现在我们有了詹姆斯韦伯,我们可以看到整个[大气]柱一直到火星车所在的表面。所以我们提供了一种解决这个难题的新方法。”

甲烷很重要,Liuzzi 补充说,因为它可以告诉行星科学家火星上的许多地质过程,包括最近是否有大型物体从太空撞击了这颗红色星球。甲烷还可能暗示地球古代历史中的生物活动。

“这就是我们现在的主要目标。”Liuzzi 说。

JWST 团队目前正在撰写一篇论文,介绍其研究结果以供同行评审。

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