毅力号火星车首次从火星表面拍摄到了极光

2024年3月15日，在当前太阳活动周期接近峰值时，太阳产生了一次太阳耀斑及伴随的日冕物质抛射（CME），这是一次巨大的气体和磁能爆炸，携带大量太阳高能粒子。这次太阳活动在整个太阳系引发了壮观的极光现象，包括在火星上。NASA的“毅力”号火星车首次从另一颗行星表面拍摄到了极光，创造了历史。

图像显示来自“毅力”号火星车Mastcam-Z相机的两张火星极光图像，画面颗粒感明显。右图中天空呈绿色-黄色，左图则偏红褐色。右上角有一个明亮光点。图像中间是一张标注为“极光、观测天空、观测天空+极光”的绿色和棕色方块对照表。

左图为NASA“毅力”号使用Mastcam-Z相机拍摄的首张可见光绿色火星极光图像。右图为没有极光但拍到火星卫星‘火卫二（Deimos）’的夜空对比图。火星夜空主要被更近更大的卫星‘火卫一（Phobos）’照亮，因火星大气中的尘埃而呈现红褐色。当绿色极光加入后，天空变成了绿色-黄色的色调，如左图所示。
图源：NASA/JPL-Caltech/ASU/MSSS/SSI

“这一激动人心的发现为极光研究打开了新的可能性，也证实未来宇航员在火星表面有可能亲眼看到极光。”挪威奥斯陆大学博士后研究员、该研究发表于《Science Advances》的第一作者Elise Knutsen说道。

挑选“正确”的极光

在地球上，极光是由于太阳粒子与全球磁场相互作用，在极地区域撞击大气气体并发光形成的。最常见的绿色极光来自激发态的氧原子在557.7纳米波长发出的光。科学家长期推测火星也可能存在绿色极光，但其亮度应远低于地球极光，因此难以探测。

由于火星没有全球磁场，其极光类型与地球不同。其中一种被称为“太阳高能粒子极光（SEP极光）”，是NASA的MAVEN（火星大气与挥发演化）探测器于2014年发现的。这种极光由太阳发出的超高能粒子撞击火星大气引发，使整个夜空发出光芒。

此前MAVEN曾在轨道上以紫外线观察到SEP极光，但从火星地面以可见光观测到此现象尚属首次。由于SEP通常发生在太阳风暴期间，Knutsen及其团队在本轮太阳活动周期的峰值阶段，尝试从火星地面拍摄SEP极光的可见光图像和光谱。

抓住最佳时机

Knutsen团队通过建模确定了“毅力”号上SuperCam光谱仪和Mastcam-Z相机拍摄SEP极光的最佳角度。在这个观测策略确定后，剩下的关键就是选对合适的CME。

“诀窍在于选中一个‘好’的CME，它能将大量带电粒子注入火星大气。”Knutsen说。

此时，位于马里兰州戈达德航天中心的NASA“从月球到火星”（M2M）空间天气分析办公室和社区协调建模中心（CCMC）发挥了作用。M2M团队为CCMC提供太阳爆发实时分析，CCMC用其启动CME模拟，判断其是否会影响NASA当前的任务。一旦模拟显示有潜在影响，团队就会发出警报。

在加州大学伯克利分校，空间物理学家、MAVEN任务团队成员Christina Lee收到了M2M关于2024年3月15日CME的警报。作为该任务的空间天气负责人，她判断这次太阳风暴将于几天内抵达火星，遂立即向各火星任务团队发出了“火星空间天气预警通知”。

“这让‘毅力’号和MAVEN的科学团队能够预判CME及其伴随的SEP对火星的影响。”Lee说。

“当我们看到这次CME的强度，”Knutsen回忆，“我们判断这将产生足够明亮的极光，使我们的仪器能够探测到。”

数日后，CME果然撞击了火星，为“毅力”号提供了一场光影盛宴。极光几乎在整个天空均匀分布，发射波长精确为557.7纳米。为了确认极光出现期间是否确实有SEP，团队检查了MAVEN的SEP仪器数据，同时还有来自欧洲航天局的“火星快车”号的观测数据，均证实他们在极短的时间窗口内成功捕捉到了这一现象。

“这是一次跨任务协调的绝佳范例。我们高效协作，成功拍下了宇航员未来可能亲眼看到的画面。”MAVEN首席科学家、科罗拉多大学博尔德分校大气与空间物理实验室（LASP）研究员Shannon Curry说道。

火星极光的未来

通过将“毅力”号的可见光观测与MAVEN的SEP数据匹配，团队得以确认这次发射的557.7纳米波长极光确实由太阳高能粒子引发。这与地球绿色极光的发光机制相同，因此未来火星宇航员很有可能在夜晚亲眼目睹这种极光。

“‘毅力’号对可见光极光的观测为研究这种现象提供了一种全新方式，能与轨道器的观测互为补充。”NASA喷气推进实验室（JPL）“毅力”号项目代理首席科学家Katie Stack Morgan说，“深入了解火星极光及其成因，对于我们未来保障宇航员安全登陆至关重要。”

一艘宇宙飞船的艺术想象图叠加在数字“10”上，图中写有“MAVEN：庆祝火星轨道10周年”。
2014年9月21日，NASA的MAVEN探测器进入火星轨道。该任务提供了大量关于火星大气如何响应太阳和太阳风的数据。
图源：NASA/JPL-Caltech

关于“毅力”号和MAVEN任务

“毅力”号是NASA“火星2020”任务的一部分，隶属于NASA火星探索计划以及“从月球到火星”战略路径的一环，该路径还包括“阿尔忒弥斯”登月任务，为未来人类火星探索做准备。由加州理工学院代为管理的NASA喷气推进实验室建造并负责运营“毅力”号火星车。

MAVEN任务同属火星探索计划，由科罗拉多大学博尔德分校的大气与空间物理实验室（LASP）领导，NASA戈达德航天中心管理，洛克希德·马丁公司负责建造与运营，NASA喷气推进实验室提供导航与通信支持。

参考

https://science.nasa.gov/solar-system/planets/mars/nasa-observes-first-visible-light-auroras-at-mars/