NASA的哈伯和MAVEN幫助解開火星水消失之謎
曾經覆蓋火星的水現在怎麼樣了？科學家知道，有些水流到了地底深處，但剩下的水在哪裡呢？證據顯示，部分水分子碎裂成原子，穿過火星大氣層，逃逸到太空。透過結合哈伯和MAVEN 的數據，一個研究小組測量了逃逸氫原子的數量和當前速度。
研究人員利用美國國家航空暨太空總署的哈伯和MAVEN 任務，透過研究氫逃逸到太空的情況，探索了火星過去的水源。他們的發現揭示了火星大氣的動態過程，並提供了與地球和金星的比較，加深了我們對行星環境的了解。資料來源：NASA、ESA、STScI、John T. Clarke（波士頓大學）、Joseph DePasquale（STScI）
他們發現，當火星靠近太陽時，氫和稱為氘的”重氫”的逃脫率會迅速改變。這顛覆了科學家們先前的傳統看法，認為這些原子會透過大氣層緩慢地向上擴散，達到可以逃逸的高度。透過時間向後推斷逸出率有助於研究小組了解紅色星球上水的歷史。
火星曾經是一顆非常潮濕的行星，這點從它的地表地質特徵就能看出來。科學家知道，在過去的30 億年裡，至少有一些水流到了地下深處，但剩下的水發生了什麼事？現在，NASA 的哈伯太空望遠鏡和MAVEN（火星大氣與揮發物演化）任務正在幫助揭開這個謎團。
“水只有兩個去處。它可以凍結在地面上，或者水分子可以分解成原子，原子可以從大氣層頂部逃逸到太空中，”研究負責人、馬薩諸塞州波士頓大學空間物理中心的約翰-克拉克解釋說。 “要了解有多少水以及水發生了什麼變化，我們需要了解原子是如何逃逸到太空中的。”
克拉克和他的團隊結合哈伯和MAVEN 的數據，測量了逃逸到太空中的氫原子的數量和目前的逃脫率。這些資訊使他們能夠透過時間倒推逸出率來了解紅色星球上水的歷史。
這是2017 年12 月31 日火星距離太陽最遠點（遠日點）附近（上圖）和2016 年12 月19 日火星距離太陽最近點（近日點）附近（下圖）的哈伯遠紫外線影像。當火星靠近太陽時，大氣層明顯更明亮、更延伸。這些波長的火星反射太陽光顯示了大氣分子和霧霾的散射，同時也能看到極地冰蓋和一些表面特徵。哈伯和MAVEN 顯示，火星大氣條件變化非常快。當火星接近太陽時，水分子在大氣中迅速上升，在高空破裂並釋放出原子。資料來源：NASA、ESA、STScI、John T. Clarke（波士頓大學）、Joseph DePasquale（STScI）
火星大氣中的水分子被陽光分解成氫原子和氧原子。具體來說，研究小組測量了氫原子和氘原子，氘原子是一種原子核中含有一個中子的氫原子。這個中子使氘的質量是氫的兩倍。由於氘的質量更大，它逃逸到太空中的速度比普通氫慢得多。
隨著時間的推移，氫比氘流失得更多，大氣中氘和氫的比例也逐漸增加。今天，透過測量這一比例，科學家可以了解火星溫暖潮濕時期的水含量。透過研究這些原子目前是如何逸出的，他們可以了解決定過去40 億年逸出率的過程，從而推斷出過去的時間。
美國國家航空暨太空總署的火星大氣與揮發演化（MAVEN）太空船藝術家概念圖。資料來源：美國太空總署戈達德太空飛行中心
雖然這項研究的大部分數據來自MAVEN 太空船，但MAVEN 的靈敏度還不足以觀測到火星一年中所有時間的氘發射。與地球不同，在漫長的火星冬季，火星在其橢圓軌道上遠離太陽擺動，氘的輻射變得很微弱。克拉克和他的團隊需要哈伯的數據來”填補空白”，完成三個火星年（每個火星年為687 個地球日）的年周期。哈伯也提供了追溯到1991年的額外數據–在MAVEN於2014年抵達火星之前。
這些任務之間的資料組合首次提供了氫原子逃逸火星進入太空的全貌。
克拉克解釋說：”近年來，科學家發現，火星的年周期比人們在10 年或15 年前所預期的要動態得多。整個大氣層非常動盪，升溫和降溫的時間尺度很短，甚至只有幾個小時。
研究團隊發現，當火星接近太陽時，氫和氘的逃脫率會迅速改變。在科學家以前的經典想像中，這些原子被認為會透過大氣層緩慢地向上擴散，達到可以逃脫的高度。
但是，這張圖不再能準確地反映整個情況，因為科學家現在知道，大氣條件變化非常快。當火星靠近太陽時，作為氫和氘來源的水分子會迅速穿過大氣層，在高空釋放原子。
第二個發現是氫和氘的變化如此之快，以至於原子逃脫需要額外的能量來解釋。在高層大氣的溫度下，只有一小部分原子有足夠的速度逃離火星引力。當有東西帶給原子額外的能量時，就會產生速度更快（超熱）的原子。這些事件包括進入大氣層的太陽風質子碰撞，或太陽光推動高層大氣中的化學反應。
研究火星上水的歷史不僅對於了解我們太陽系中的行星，而且對於了解其他恆星周圍地球大小的行星的演化都是至關重要的。天文學家發現了越來越多這樣的行星，但很難對它們進行詳細研究。火星、地球和金星都位於或接近太陽系的宜居帶，這是恆星周圍的一個區域，岩石行星上可能有液態水匯集；然而，這三顆行星目前的狀況卻大相逕庭。火星和它的姊妹行星一起，可以幫助科學家掌握銀河系中遙遠世界的性質。
這些結果刊登在7 月26 日美國科學促進會出版的《科學進展》（Science Advances）雜誌。
編譯自/ ScitechDaily
哈伯太空望遠鏡於三十多年前發射升空，至今仍是太空探索領域的寶貴財富，不斷促進我們對宇宙的了解。該望遠鏡由美國國家航空暨太空總署戈達德太空飛行中心管理，洛克希德-馬丁航太公司提供支持，是國際合作的燈塔，與歐洲太空總署共同運作。位於巴爾的摩的太空望遠鏡科學研究所負責科學運營，使哈伯望遠鏡成為天文研究和國際合作的基石。
MAVEN由美國國家航空暨太空總署戈達德太空飛行中心管理，洛克希德-馬丁航太公司建造，自2014年以來一直圍繞火星運行並研究其大氣層。該任務的首席研究員及其科學運營管理均設在科羅拉多大學博爾德分校的大氣與太空物理實驗室。這項設定為MAVEN 了解火星大氣損耗的目標提供了支持，美國國家航空暨太空總署的噴射推進實驗室則提供了額外的導航和通訊協助。 MAVEN 在火星的工作已接近第十個年頭，它將繼續為我們了解這顆紅色星球貢獻重要數據。