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9778818威尼斯官网 1MAVEN探测器已经抵达火星,开始环绕这颗红色星球运行。图片来源:NASA

9778818威尼斯官网 2今年10月19日,A1塞丁泉彗星将从火星旁边掠过,距离最近时仅有地月距离的1/3。到时候,机遇号火星车会看到这样的场景吗?图片来源:huffpost.com

9778818威尼斯官网 3艺术家绘制的示意图,展示了太阳风暴击中火星时,火星高层大气中的离子被剥离的场景。图片来源:NASA/GSFC

9778818威尼斯官网 4MAVEN探测器已经抵达火星,开始环绕这颗红色星球运行。图片来源:NASA

美新探测器传回图像:氢云正飘离火星

美国航空航天局(NASA)的MAVEN探测器,经过长达10个月的太空飞行之后,于北京时间9月22日上午10:24成功进入环绕火星的轨道。现在,它正在做着准备,即将对这颗红色行星的上层大气,展开前所未有的探测。MAVEN是“Mars Atmosphere and Volatile Evolution”的缩写,直译成中文大概就是火星大气及挥发物演化探测器。这是首个专门用于研究火星稀薄上层大气的探测器。

(文/David Dickinson)这或许是行星科学领域一辈子才能遇到一次的研究机会。

(艾麦乐 编译)研究火星大气的科学家说,这颗红色行星从几十亿年前的那颗温暖宜居的星球变成今天这个寒冷干旱的世界,太阳风暴在其中可能起到了很大的作用。

9778818威尼斯官网:太阳风暴剥掉了火星大气层,氢云正飘离火星。颤抖吧火星!外星机器又入侵了!

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“作为首个专注于研究火星上层大气的轨道,MAVEN将极大地增进我们对于火星大气历史的认知,火星的大气如何随时间改变,这些改变又如何影响了火星地表的演化,以及这颗行星潜在宜居性的演变。”NASA局长查尔斯·博尔登(Charles Bolden)说,“它还将给未来的探测任务,比如在21世纪30年代将人类送上火星,提供更有用的信息。”

今年10月,一颗彗星将从一颗行星旁边擦身而过,给科学家提供一次良机,来研究彗星与行星大气之间可能发生的相互作用。

这只是今天凌晨公布的诸多有关火星的发现之一,这些研究都发表在11月5日出版的《科学》(Science)和《地球物理研究通讯》(Geophysical Research Letters)上。这些科学发现的数据来源,是美国航空航天局(NASA)耗资6.71亿美元的MAVEN探测任务,它在去年将一枚巴士大小的探测器送到了火星轨道。

为什么说“又”呢?因为,“好奇”号的“恐怖7分钟”余音尚存,新的轨道飞行器又大驾光临,而且一来就是俩。好吧,我们老早就知道火星上没有外星人,似乎连个细胞都没有,科学家怎么还是对火星乐此不疲呢?

2013年发射的MAVEN旨在研究火星大气。

“在火星的科学探测方面,NASA有着悠久的历史,而MAVEN的安全抵达则开启了新一页的篇章。”NASA总部科学任务理事会副理事长兼宇航员约翰·格伦斯菲尔德(John Grunsfeld)说,“MAVEN将弥补NASA其他火星探测器(及全球其他合作伙伴的火星探测器)的不足,回答有关火星及地球以外生命的一些基本问题。”

这颗彗星编号C/2013 A1,名为塞丁泉(Siding Spring),它要擦过的那颗行星则是火星。A1塞丁泉彗星是在2013年年初,由澳大利亚塞丁泉天文台的罗伯特·麦克诺特(Robert McNaught)发现的。随即,这颗彗星在天文学界引发关注,因为人们发现它会在今年下半年运行到距离火星极近的位置(参见《2014年,火星遭遇彗星劫》

MAVEN是火星大气及挥发物演化任务(Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN)的英文首字母缩写。它的目标是测量火星大气的动态演变——再把这些测量结果代入模型,想要弄清楚火星在几十亿年前如何弄丢了它的大部分空气。

首先让我们隆重介绍一下火星的两位最新访客:美国宇航局的“美文”号(Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN, MAVEN)和印度空间研究组织的“妈咪”号(Mars Orbiter Mission,MOM)。前者的全称是“火星大气与挥发物演化任务”,顾名思义,主要工作在于研究火星大气;后者的全称是“火星轨道器任务”,是印度第一枚行星际探测器,主要定位是进行技术探索和示范。这两位访客还幸运地赢得了10万年一次的“宇宙大抽奖”,将借助10月的“赛丁泉”彗星飞掠火星的事件,“客串”一回彗星探测器。

图片来源:NASA/Goddard

进入绕火星轨道之后,MAVEN将开启一段为期6周的调试阶段,包括变轨到最终的科学探测轨道,以及检测设备及科学指令的执行。此后,MAVEN便将正式开始为期一个地球年的首要任务,测量火星上层大气的成分、结构及气体的逃逸情况,以及上层大气与阳光及太阳风的相互作用。

对彗星轨道的进一步测量排除了撞击火星的可能性,但它仍会从火星旁边掠过,最近距离仅有13.8万千米。这个距离大约是月亮到地球距离的1/3,而有记录以来距地球最近的彗星,即1780年的D/1770 L1莱克塞尔彗星,当年离我们最近时也要远出17倍之多。

基于更早之前的观测,科学家猜测,由于火星磁场不像地球磁场那样强,来自太阳的带电粒子在途经火星的时候,有能力从火星大气的顶层剥离掉分子和离子。

人类已经成功进行过几十次火星探测任务了,“美文”号何德何能,要耗费5亿美金去一个人们已经去过N次的地方?而且居然连个照相机都不带就上去了,如何发挥善于自拍卖萌的光荣传统啊?其实,“美文”号是为了解决一个大秘密去的。这个故事说起来可谓是跌宕起伏激动人心,各位看官且坐下,让我们慢慢道来。

本报讯 美国宇航局的火星大气与挥发物演化探测器日前传回的第一批图像显示,这颗行星正处在一个失去自己的过程之中——氢原子流正在漂移并远离这颗红色星球,进入太空深处。

9778818威尼斯官网 6MAVEN及NASA的其他火星探测器,将为本世纪30年代将人类送上火星的未来任务,铺平道路。图片来源:NASA

尽管撞上火星的可能性已经被彻底排除,不过2014年5月发表在《伊卡洛斯》(Icarus)上的一篇论文提出了一个有趣的可能:A1塞丁泉彗星的彗发(即彗星喷发出来的、包裹在彗头周围的气体和尘埃)与火星稀薄大气之间的相互影响。这项研究是由美国亚利桑那大学的行星科学系、比利时空间高层大气研究所、法国格勒诺布尔格勒诺布尔行星科学和天体物理研究所,以及美国科罗拉多大学博尔德分校环境科学研究合作所共同完成的。

3月8日,一场异常强烈的太阳风暴经过火星,让MAVEN任务的科学家有了一次难得的良机去采集数据。在今天发表的一篇科学论文中,由MAVEN任务首席研究员、美国科罗拉多大学的布鲁斯·贾科斯基(Bruce Jakosky)带领的一个研究团队报告说,磁场将离子加速到了它们通常速度的大约10倍。火星大气中的氧离子被高高抛起,高度超过他们的预期。

自从1877年意大利天文学家夏帕雷利发现所谓的“火星运河”之后,关于火星智慧生物的科幻作品便经久不衰。(夏帕雷利将这些特征用意大利语称为canali,意思是海峡、沟渠状物,结果英国人将这个单词翻译成canal,又被引申为人工开凿的“运河”,故许多人理解为火星上发现了人工运河。)直到1965年美国的“水手”4号探测器飞掠火星,传回了人类历史上第一批火星照片——也是第一批在地球以外的行星拍摄的照片,显示火星是一颗没有液态水和生命的死寂世界。这批照片震惊了全世界,火星人的传说似乎至此就偃旗息鼓了。

MAVEN项目负责人、博尔德市科罗拉多大学行星科学家Bruce Jakosky表示,这些图像是第一个清晰的证据,展示了一些关键的元素是如何侵蚀和远离火星大气的。

“MAVEN从最初的概念设计到现在探测器抵达火星,一共花了11年的时间。”MAVEN的首席科学家、美国科罗拉多大学博尔德分校大气及空间物理实验室的布鲁斯·贾科斯基(Bruce Jakosky)说,“我很高兴能够安全顺利的走到这一步,对即将开展的科学任务充满期待。”

9778818威尼斯官网 7哈勃空间望远镜拍摄的C/2013 A1塞丁泉彗星的照片,显示了彗星正在活跃地喷射出物质。图片来源:NASA

当这些科学家把测量数据代入他们的计算机模型时,他们发现在这样的条件下,火星大气中离子流失的速度是正常速度的大约10-20倍。

9778818威尼斯官网 81965年“水手”4号拍摄的火星表面。图片来源:NASA

NASA说,这一探测器将专注于研究早期火星上的水和二氧化碳消失之谜,这些问题对了解火星的历史、气候以及火星上存在生命的可能性十分重要。与此同时,MAVEN还将观测太阳风和其他因素是如何一点一点地蚕食火星大气,从而使科学家能够更好地推测火星表面曾经致密的大气层如何在数十亿年的时间里逐渐稀薄。正是这一过程使得火星从一个相对温暖、潮湿的行星变成了一个干燥、寒冷的不毛之地。

MAVEN的首要任务包括5次“深入下潜”行动,探测器的“近火星点”将从距离火星表面150千米下降到大约125千米。这些探测行动将为火星上层大气与下层大气的交界处提供重要信息,以便科学家能够完整地了解火星的上层大气结构。

为了进行这项研究,研究者考虑了2014年10月19日最靠近火星时,A1塞丁泉彗星可能的活跃程度。

这些科学家指出,在太阳系早期,太阳风暴出现的频率应该比现在更高。此外,火星磁场也在火星演化的极早期,随着火星液态金属核心的冷却,早就已经消失不见了。

然而,故事如果就这么结束未免也太没劲了。1976年抵达火星的“维京”号轨道飞行器拍摄到洪水侵蚀的山谷和大规模的冲刷平原,表明火星上曾经存在大量液态水。进一步分析显示,其中某些峡谷曾经的水流量可达长江的好几倍。2002年入轨的“火星奥德赛”号探测器的观测表明,火星地表以下存在大量水冰,整个行星的等价储水量至少相当于100个青海湖。

MAVEN于9月21日开始环绕火星运转。新近传回的图像拍摄自这架探测器装载的紫外光谱仪,尽管当时它距离这颗行星依然相对较远——环绕一个椭圆形火星轨道运转。

“对于MAVEN来说,今天是个特别的大日子。”MAVEN项目负责人、NASA戈达德太空飞行中心的戴维·米切尔(David Mitchell)说,“能够成为环绕火星及留在火星表面的这一大群探测器家族的一员,我们非常激动。调试阶段会让操控团队忙上6个星期,然后我们就终于能够开始执行科学任务了。祝贺操控团队,今天干得漂亮!”(编辑:Steed)

尽管A1塞丁泉彗星的实体部分(即彗核)会安全掠过火星,但目前正在火星表面服役的火星车以及环绕火星运行的轨道探测器,或许能探测到彗星喷出的气体和尘埃。两者相遇时,火星距离太阳约为1.4个天文单位(天文单位即地球到太阳的平均距离,约为1.5亿千米)。在这个距离上,彗星巨大的彗发将主要由水构成。这些水将以60度的倾角闯入火星大气,侵入火星表面上方154千米的火星电离层顶层。这样一种效应将发生在北京时间2014年10月20日凌晨2:30前后,持续时间应该会超过4个小时。

他们在论文中写道,“由于火星大气的流失主要发生在这样的早期阶段,由此推断出的火星气候变化可能主要由这些太阳风暴导致。”

9778818威尼斯官网,2003年底到达火星的“火星快车”号探测器更是有轰动性发现:火星大气中竟然存在微量甲烷!由于甲烷会很快被紫外线分解,这一发现表明火星上存在甲烷的固定来源。这一来源可能是微生物,因此对甲烷的研究将是接下来火星探测的重点之一。2008年登陆火星表面的“凤凰”号登陆器更是在火星表面掘出了少量冰粒。

在10月14日举行的一次新闻发布会上,MAVEN科学家、科罗拉多大学的Mike Chaffin对此进行了讨论,认为氢原子似乎以团状或气体流的形式离开火星大气层,并到达约10个火星半径的太空深处。这些氢原子来自于上层大气中分离出的水蒸气,由于氢原子比氧原子轻得多,因此氢原子逃逸到太空中也相对容易得多。

编译来源 NASA官网,NASA's Newest Mars Mission Spacecraft Enters Orbit around Red Planet

在飞掠火星时,A1塞丁泉彗星含水彗发的半径预计将达到15万千米,刚好比火星与彗星的最近距离多出一点点。“水的分解产物(比如氢和氧)构成的彗发还要更大,可以延伸到100万千米以外。”美国亚利桑那大学的科学家、这篇论文的第一作者罗杰·耶尔(Roger Yelle)说,“实质上说,火星处于彗发影响范围的外围。彗星的离子彗尾不会扫过火星,但彗星喷出一些离子确实会抵达火星。尘埃彗尾刚好错过火星,这一点很幸运。”

利用MAVEN的数据制作的这段视频,展示了太阳风从火星大气顶层将离子剥离到太空中的过程。视频来源:NASA-GSFC/CU Boulder LASP/University of Iowa

这一系列发现让人们意识到,火星过去很有可能像地球一样,是一颗充满液态水的行星,说不定曾是生命的乐园。但为什么如今的火星寒冷而干燥呢?

Chaffin表示:“这一过程能够有效地移除火星大气中的水分。”

火星上的诸多探测器到时候会看到什么样的景象,现在还有待观察,不过地球附近的广域红外线巡天探测卫星(NEOWISE)和哈勃空间望远镜,已经在监视这颗彗星越来越强的活动了。机遇号(Opportunity)火星车仍在正常运转,火星奥德赛(Mars Odyssey)和欧洲空间局的火星快车(Mars Express)也仍在环绕这颗红色行星运行,并不断发回数据。

这项研究的合作者之一、NASA戈达德航天飞行中心的保罗·马哈菲(Paul Mahaffy)强调说,目前还没有足够多的测量数据,能够产生出一个火星大气流失的细致模型。他说,“我认为这个故事才刚刚开始。……长期而言,我们可能需要更多的测量数据,才能够更好地理解具体细节。”

一个直接的解释是:现在火星的大气层太稀薄了,“被子”太薄,导致火星表面太冷,不能支持液态水的长期大量存在。那要如何才能有较厚的大气呢?这就需要较强的行星磁场的保护了,否则大气分子就会被太阳风吹跑。

MAVEN传回的其他图像则显示氧和碳正在逐渐飘离火星,当然这些较重的原子团距离这颗行星要比氢原子更近一些。而在火星大气层的深处,由氧形成的臭氧分子积聚在火星的南极附近。

不过对这一现象最有利的观测机会,或许还在路上——印度的火星轨道器和NASA的MAVEN探测器,将在彗星飞掠火星前不久抵达火星。MAVEN是设计用来研究火星高层大气的,它携带了一台离子-中性质谱仪(NGIMS),能够记录火星高层大气及电离层与彗星彗发之间的相互作用。NGIMS的镜头盖将在火星与彗星遭遇前2天打开。

不过,这些发现与其他火星任务作出的发现大体相符。举例来说,科学家曾经把NASA好奇号火星车测得的火星大气数据,与火星陨石中采样得到的数据进行比较,由此得出结论认为,火星的绝大部分大气早在30多亿年前就已经被剥离了。当时率领研究团队作出那个发现的,正是马哈菲。

现在,无数证据表明,火星也曾经是一颗“水星”,那时的它必然也有较厚的大气和较强的磁场。很不幸,出于我们目前还不太清楚的原因,火星的磁场开始逐渐减弱,这使得太阳风长驱直入,将大气分子(包括水蒸汽)带入太空中。据估计,从“蓝色火星时代”到现在,火星损失了99.5%的大气。所以,事情的发展看来是这样的:火星曾是一颗“蓝色行星”—>火星磁场减弱—>太阳风吹跑了大气层以及大气中的水汽—>火星越来越寒冷干燥。

自从拍摄这些图像以来,MAVEN收紧了它的轨道——如今它环绕火星运转一周需要4.6小时。这种有利位置使得MAVEN能够更细致地观测挥发性物质到底是如何从火星大气中逃逸出去的。但这样以来,探测器将很难搞清这些挥发性物质到底能够漂流到距离火星多远的地方。

9778818威尼斯官网 9NASA的MAVEN探测器,专为研究火星高层大气而设计,刚好会在彗星掠过火星前不到1个月抵达火星,为彗星与火星的近距离相遇提供最有趣的观测数据。图片来源:NASA

另外一项研究报告说,火星大气密度的变化幅度超出意料之外。马哈菲说,“在特定的高度和一天中特定的时间,火星会出现这些大幅度的密度波,特别是朝着日出和日落方向的。”这一发现暗示,火星大气中的互动比原先科学家所认为的要复杂许多——有了重力波的相互作用,大气中的风型和火星的微弱磁场都能起到一定的作用。

为什么火星磁场会减弱?我们现在无法时光倒流回去看看为什么,但我们也许可以研究一下现在的火星是怎样慢慢损失它的大气的,从而获得火星“生病”的线索。这就是“美文”号的主要工作。

在本周的晚些时候,MAVEN将把它的视线从火星上暂时挪开,进而指向塞丁泉彗星并拍摄图像,后者将于10月19日掠过火星。

“MAVEN探测器将进行极为有趣的观察,”耶尔说,“彗星主要会干扰火星的高层大气,而MAVEN就是专门设计用来研究火星高层大气的。此外,就在MAVEN抵达火星之后不到1个月,这颗彗星就将抵达火星,这也是个不可思议的巧合。按照原定的计划,MAVEN届时将处于自检状态,直到11月1日才会展开全面的科学研究。不过,我们对计划进行了重新规划,看看我们能够观察到什么现象。”

其他论文还报道了火星上观测到的微弱北极光,它们出人意料地出现在了60千米的“低空”(相比之下,地球上的极光出现在大约100千米高空)。此外,火星大气中尘埃的分布也出人意料,在1000千米的高空还有相当高的含量,可能来源于行星际空间。此外,流失的离子在火星大气的损失中占到了很大的比例。

“美文”号携带有8件仪器,其中半数仪器(太阳风离子分析仪、太阳风电子分析仪、太阳高能粒子探测仪、磁力仪)用于测量太阳风和火星电离层的相互作用,另2件仪器(超热离子与热离子成分分析仪、朗缪耳探测仪)用于测量电离层离子的逃逸情况,剩下的2件(远紫外光谱仪、中性气体与粒子质谱仪)则用于观测火星大气的详细组成和特性。

MAVEN还将在塞丁泉彗星飞临以及掠过火星的前后几天拍摄这颗行星的大气层。

火星的两颗天然卫星——火卫一和火卫二的表面与彗发物质的相互作用也相当有趣,不过洒落到这两颗小卫星上的水蒸气的总量预计不会太大。这篇论文还指出,如果彗星每秒抛出的物质超过300千克,火星的高层大气会受到剧烈的干扰。

9778818威尼斯官网 10关于火星的一系列发现,发表在本周出版的《科学》和《地球物理研究通讯》上。图片来源:Science

“美文”号虽然没有携带照相机,但正如医生并不一定非得拍照片才能知道病人为什么生病一样,“美文”号的数据将能大大增进我们对火星“病况”的了解,进而弄清楚火星如何从一颗宜居的“蓝色行星”演化成如今冷酷的“荒漠行星”。

像其他正在环绕火星轨道运行的探测器一样,MAVEN在塞丁泉彗星距离火星最近时将躲在火星的背后,从而保护自己免受速度为每秒56公里的彗星尘埃云的冲击。

利用地面设备在今年10月前对这颗彗星作进一步观测的提议,目前还没有敲定。业余天文学家可以在望远镜里追踪这颗彗星。到今年10月,A1塞丁泉彗星预计将达到8等的亮度,从地球上看,它会从蛇夫座中的火星旁边飞过。届时,火星和彗星都会于傍晚时分出现在西南方的低空。

马哈菲说,“所有这些测量结果构成了一个基础,让我们能够建立模型描述火星大气的逃逸。”

9778818威尼斯官网 11当“美文”号到达火星的时候,在火星表面,“好奇”号火星车也准备开始攀登夏普山。图片来源:NASA

MAVEN于去年11月中旬发射升空,在历经10个月的旅程后,于9月21日进入火星轨道。它重2.45吨,大小相当于一辆公交车,它携带了8件仪器,整个项目耗资超过6.7亿美元。

毫无疑问,这将是一个空前的研究良机。至少有一点可以肯定,10月19日这一天,火星上所有的探测器都会将目光锁定在A1塞丁泉彗星和火星的激情湿吻之上!

贾科斯基说,按照当前的流失速率,火星至少在未来几十亿年里还能维持一个大气层,“但我说不准火星大气具体会变成什么样子”。

“妈咪”号是印度新兴的太空探测计划的又一个“第一次”。尽管是初出茅庐,但看来印度人并不甘心为美国人做陪衬,他们也提出了非常有竞争力的科学目标。“妈咪”号搭载有5件科学仪器,其中莱曼-α光度计和火星外大气中性粒子质谱仪可以用于研究火星丢失水分子的情况,甲烷探测器也切入目前最热门的“甲烷问题”,彩色相机和热红外光谱仪可以用于研究火星表面的化学性质。

此前已在火星轨道上工作的共有3个探测器,分别是美国2001年发射的“奥德赛”和2005年发射的“火星勘测轨道飞行器”、欧洲2003年发射的“火星快车”。此外,美国2003年发射的“机遇”号火星车和2011年发射的“好奇”号火星车已经在火星表面上工作。此外,印度于去年发射的“曼加里安”号火星探测器已于9月24日抵达火星。

 

MAVEN的首要任务仍是继续采集科学数据,不过在首要任务完成之后,它将继续执行扩展任务,包括作为备份中继卫星给其他火星探测器提供通讯中转服务。与此同时,印度的火星轨道器任务,也就是MOM,也在研究这颗红色行星的大气。(编辑:Steed)

“美文”号已经在9月22日10:24(北京时间,下同)成功进入火星环绕轨道;“妈咪”号将在9月24日10时进行入轨制动,如果顺利的话,印度空间研究组织将成为世界上第4个成功到达火星的机构,同时有望借助“宇宙彩票”的机会,成为第5个成功开展彗星探测的机构。

《中国科学报》 (2014-10-16 第2版 国际)

编译自:universetoday.com,Interesting Prospects for Comet A1 Siding Spring Versus the Martian Atmosphere

那啥,迎接旅客的各位火星筒子请准备好了,来自地球的“美文”号已经到达,同样来自地球的“妈咪”号也即将到达,10月19日还有个从外太阳系过来打酱油的大冰块(“赛丁泉”彗星)。接下来这段时间,你们一点都不会寂寞了。

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原文发表于叶儿山,转载有改动。(编辑:Steed)

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