NASA首次观测到火星上的可见光 Auroras

这是由 NASA 的 Perseverance 火星车拍摄的第一张火星绿色极光可见光图像（左图）。右图是对比图，显示了没有极光的夜空，但可以看到火星卫星 Deimos。

Credit: NASA/JPL-Caltech/ASU/MSSS/SSI

NASA 的 Perseverance 火星车创造了历史，首次在另一个星球的表面探测到极光，而 MAVEN 证实了这一探测结果。

2024年3月15日，在当前太阳活动周期的顶峰附近，太阳产生了一个耀斑，并伴随着日冕物质抛射 (CME)，这是一次巨大的气体和磁能爆炸，携带了大量的太阳高能粒子。这种太阳活动导致了整个太阳系中令人惊叹的极光现象，包括在火星上。NASA 的 Perseverance 火星车在那里创造了历史，首次从另一个星球的表面探测到了极光。

挪威奥斯陆大学的博士后研究员 Elise Knutsen 说：“这项令人兴奋的发现为极光研究开辟了新的可能性，并证实未来的宇航员可以在火星表面看到极光。”她是 Science Advances 研究的主要作者，该研究报告了这一发现。

选择正确的极光

在地球上，当太阳粒子与地球的全球磁场相互作用时，就会形成极光，这些粒子被引导到两极，在那里它们与大气气体碰撞并发出光芒。最常见的颜色是绿色，这是由于受激发的氧原子在 557.7 纳米的波长下发光造成的。多年来，科学家们一直推测绿色极光也可能存在于火星上，但认为它们比我们在地球上看到的绿色极光要暗淡得多，也更难捕捉。

由于这颗红色星球缺乏全球磁场，火星上的极光类型与地球上的不同。其中一种是太阳高能粒子 (SEP) 极光，这是 NASA 的 MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN) 任务于 2014 年发现的。当来自太阳的超高能粒子撞击火星大气层时，就会发生这种极光，从而引起反应，使整个夜空的大气层发光。

虽然 MAVEN 已经从轨道上观测到紫外光中的 SEP 极光，但从未从地面上观测到可见光中的这种现象。由于 SEP 通常发生在太阳风暴期间，而太阳风暴在太阳活动极大期会增加，因此 Knutsen 和她的团队将目标定为在太阳当前活动周期的顶峰时期，从火星表面捕捉 SEP 极光的可见光图像和光谱。

协调完美时刻

通过建模，Knutsen 和她的团队确定了 Perseverance 火星车的 SuperCam 光谱仪和 Mastcam-Z 相机的最佳角度，以便成功地观察到可见光中的 SEP 极光。在制定了这一观察策略后，一切都取决于 CME 的时间和理解。

Knutsen 说：“诀窍是选择一个好的 CME，一个能够加速并将大量带电粒子注入火星大气层的 CME。”

这就是 NASA 的 Moon to Mars (M2M) Space Weather Analysis Office 和 Community Coordinated Modeling Center (CCMC) 团队发挥作用的地方，这两个机构都位于马里兰州格林贝尔特的 NASA Goddard Space Flight Center。M2M 团队为 CCMC 提供太阳爆发的实时分析，以启动 CME 的模拟，从而确定它们是否可能影响当前的 NASA 任务。当模拟表明存在潜在影响时，该团队会发出警报。

在加州大学伯克利分校，空间物理学家 Christina Lee 收到了 M2M 办公室关于 2024 年 3 月 15 日 CME 的警报。Lee 是 MAVEN 任务团队的成员，担任空间天气负责人，她确定有一场显著的太阳风暴正朝火星袭来，可能在几天后到达。她立即向目前正在运行的火星任务发布了火星空间天气警报通知。

Lee 说：“这使得 Perseverance 和 MAVEN 的科学团队能够预测行星际 CME 及其相关的 SEP 的影响。”

Knutsen 说：“当我们看到这次风暴的强度时，我们估计它可能引发足够亮的极光，让我们的仪器能够探测到。”

几天后，CME 撞击了火星，为火星车提供了一场视觉盛宴，显示极光在整个天空中的发射波长几乎一致，恰好为 557.7 纳米。为了确认在极光观测期间存在 SEP，该团队求助于 MAVEN 的 SEP 仪器，此外，ESA (European Space Agency) 的 Mars Express mission 的数据也证实了这一点。这两个任务的数据都证实，火星车团队设法在可用的非常窄的时间窗口内成功地瞥见了这一现象。

“这是一个跨任务协调的绝佳例子。我们都迅速合作，促成了这次观测，并很高兴终于能先睹为快宇航员将来在那里能看到的东西，”MAVEN 首席研究员兼科罗拉多大学博尔德分校 (CU Boulder) 大气与空间物理实验室 (LASP) 的研究科学家 Shannon Curry 说道。

火星极光的未来

通过将 Perseverance 的观测结果与 MAVEN 的 SEP 仪器的测量结果相结合，这些团队可以相互帮助，从而确定观测到的 557.7 纳米发射来自太阳高能粒子。由于这与地球上绿色极光的发射线相同，因此未来的火星宇航员很可能能够看到这种类型的极光。

“Perseverance 对可见光极光的观测证实了一种研究这些现象的新方法，这种方法与我们可以通过火星轨道飞行器观测到的方法互补，”NASA 南加州 Jet Propulsion Laboratory 的 Perseverance 项目代理科学家 Katie Stack Morgan 说。“更好地了解极光以及导致它们形成的火星周围的条件尤为重要，因为我们正准备安全地将人类探险家送往那里。”

更多关于 Perseverance 和 MAVEN 的信息

Mars 2020 Perseverance 任务是 NASA 火星探测计划组合和 NASA Moon to Mars 探索方法的一部分，其中包括 Artemis 登月任务，这将有助于为人类探索这颗红色星球做好准备。NASA 的 Jet Propulsion Laboratory 由 Caltech 为该机构管理，负责建造和管理 Perseverance 火星车的运行。

MAVEN 任务也是 NASA 火星探测计划组合的一部分，由 CU Boulder 的 LASP 领导。它由 NASA Goddard Space Flight Center 管理，由 Lockheed Martin Space 建造和运营，导航和网络支持来自 NASA 的 JPL。