编者按:本文重点介绍了韦伯科学进展中的数据,这些数据尚未通过同行评审。

9月5日,NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄了第一批火星图像和光谱。该望远镜与ESA(欧洲航天局)和CSA(加拿大航天局)的国际合作项目,以其红外灵敏度为我们的邻居星球提供了独特的视角,补充了轨道飞行器、火星车和其他望远镜收集的数据。

韦伯独特的观测站位于近一百万英里外的日地拉格朗日点L2,提供了火星可观测圆盘(面向望远镜的阳光照射面的一部分)的视图。 因此,韦伯能够以所需的光谱分辨率捕获图像和光谱,以研究诸如沙尘暴、天气模式、季节变化等短期现象,以及在单次观测中发生在火星一天的不同时间(白天、日落和 夜间)的过程。

由于距离太近,无论是可见光(人眼可见)还是韦布设计用来探测的红外线,这颗红色星球都是夜空中最亮的物体之一。这对天文台提出了特殊的挑战,该天文台是为探测宇宙中最遥远星系的极微弱光线而建造。韦伯的仪器非常敏感,如果没有特殊的观测技术,来自火星的明亮红外光会令人眩目,造成一种被称为“探测器饱和”的现象。天文学家通过使用非常短的曝光时间,只测量到达探测器的部分光线,并应用特殊的数据分析技术,来调整火星的极端亮度。

韦伯的第一张火星图像由近红外相机(NIRCam)拍摄,以两种不同的波长或红外光颜色显示了火星东半球的一个区域。这张图片显示了来自NASA的表面参考图和左侧的火星轨道器激光高度计 (MOLA),两个韦伯NIRCam仪器的视野重叠在一起。韦伯的近红外图像显示在右侧。

2022年9月5日,韦伯的NIRCam仪器拍摄到了第一张火星图像[保证时间观测计划1415]。左图:NASA和火星轨道器激光高度计(MOLA)观测到的火星半球参考地图。右上角:NIRCam图像显示2.1微米(F212滤光片)反射的阳光,显示了陨石坑和尘埃层等表面特征。右下角:同时拍摄的NIRCam图像显示约4.3微米(F430M滤光片)的发射光,显示了温度与纬度和一天中时间的差异,以及大气影响导致的海腊斯盆地变暗。亮黄色区域正好处于探测器的饱和极限。
影像来源:NASA, ESA, CSA, STScI, Mars JWST/GTO team

NIRCam较短波长(2.1微米)的图像(右上角)主要由反射的阳光组成,因此显示出与可见光图像相似的表面细节(左上角)。这张照片中,惠更斯陨石坑的环形山、大锡尔蒂斯火山的深色火山岩以及海腊斯盆地的光亮都很明显。

NIRCam长波(4.3微米)图像(右下)显示了热发射——行星在失去热量时发出的光。4.3微米光的亮度与地表温度和大气温度有关。地球上最明亮的区域是太阳几乎在头顶上的地方,因为那里通常最热。极地地区的亮度越来越低,那里接收的阳光越来越少,而寒冷的北半球发出的光线也较少,一年中的这个时候正处于冬季。

然而,温度并不是影响4.3微米的光到达韦伯滤光片数量的唯一因素。当行星发出的光穿过火星大气层时,一些光会被二氧化碳分子吸收。海腊斯盆地是火星上保存完好的最大撞击结构,横跨1,200英里(2,000公里),由于这种影响,它看起来比周围更暗。

“这实际上不是海腊斯的热效应。”NASA戈达德太空飞行中心的首席研究员杰罗尼莫·维拉纽瓦解释道,他设计了这些韦伯观测。“海腊斯盆地海拔较低,因此空气压力较高。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 [4.1-4.4 微米] 的热发射。在这些数据中梳理这些相互竞争的效应将非常有趣。”

维拉纽瓦和他的团队还发布了韦伯的第一个火星近红外光谱,展示了韦伯用光谱研究这颗红色星球的能力。

虽然这些图像显示了在特定的日期和时间,火星上不同位置的大量波长上的亮度差异,但光谱显示了代表整个火星的数百种不同波长之间亮度的细微变化。天文学家将分析光谱的特征,以收集有关火星表面和大气的额外信息。

作为保障时间观测计划1415的一部分,韦伯于2022年9月5日通过近红外光谱仪(NIRSpec)在3个狭缝光栅(G140H、G235H、G395H)上拍摄到火星的第一个近红外光谱。光谱主要是由波长小于3微米的反射光和波长较长的热发射组成。初步分析表明,光谱下降出现在特定波长,光被火星大气中的分子吸收,特别是二氧化碳、一氧化碳和水。其他详细信息显示了有关尘埃、云层和地表特征的信息。通过构建光谱的最佳拟合模型,例如使用行星光谱发生器,可以推导出大气中给定分子的丰度。
影像来源:NASA, ESA, CSA, STScI, Mars JWST/GTO team

该红外光谱是通过结合韦伯近红外光谱仪(NIRSpec)所有六种高分辨率光谱模式的测量而获得的。对光谱的初步分析显示了一组丰富的光谱特征,其中包含有关尘埃、冰云、行星表面的岩石类型以及大气成分的信息。水、二氧化碳和一氧化碳的光谱特征(包括被称为吸收特征的深谷)很容易被韦伯探测到。研究人员一直在分析这些观测的光谱数据,并正在准备一篇论文,他们将提交给一份科学期刊,供同行审查和发表。

未来,火星研究小组将利用这些成像和光谱数据来探索整个星球的区域差异,并在大气中寻找微量气体,包括甲烷和氯化氢。

这些对火星的NIRCam和NIRSpec观测是作为韦伯第1周期保证时间观测 (GTO) 太阳系计划的一部分进行,该计划由AURA的海蒂·哈梅尔领导。

参考来源:
https://blogs.nasa.gov/webb/2022/09/19/mars-is-mighty-in-first-webb-observations-of-red-planet/

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