NASA洞察号研究发现火星自转速度加快

NASA的洞察号着陆器在2022年4月24日拍摄了这张自拍照，这是该任务的第1211个火星日。太阳能电池板上的灰尘导致着陆器在当年12月失去动力，但洞察号仪器记录的数据仍在引领新的科学发展。
影像来源：NASA/JPL-Caltech

编者按：本文于2023年8月7日更新，以反映火星的自转速度每年加速约4毫角秒²。

该着陆器在去年12月退役前发送的数据提供了有关这颗行星自转速度和摆动程度的新细节。

科学家们对火星的自转进行了有史以来最精确的测量，首次探测到火星由于其熔融金属核心的“晃动”而发生的摆动。《自然》杂志最近发表的一篇论文详细介绍了这些发现，这些发现依赖于NASA洞察号火星着陆器的数据，该着陆器运行了四年，在2022年12月的延长任务中耗尽了电力。

为了跟踪火星的自转速度，该研究的作者依靠洞察号的一个仪器：无线电应答器和天线，统称为旋转和内部结构实验（RISE）。他们发现，火星的自转速度每年加速约4毫角秒²，相当于火星上的一天的长度每年缩短几分之一毫秒。

这是一种微妙的加速，科学家们并不完全确定其原因。但他们有一些想法，包括在极地冰盖上积累的冰或者冰川后的反弹，大陆块在被冰掩埋后上升。行星质量的改变会导致加速，有点像滑冰者伸出手臂旋转，然后把手臂收回来。

这幅带注释的NASA洞察号火星着陆器的艺术家概念图，指出了飞船甲板上的天线，以及着陆器上的无线电应答器，这些天线构成了一个名为旋转和内部结构实验（RISE）的仪器。
影像来源：NASA/JPL-Caltech

“能够获得如此精确的最新测量数据，真是太酷了。”洞察号的首席研究员、NASA南加州喷气推进实验室的布鲁斯·班纳特说:。“长期以来，我一直在努力将像洞察号这样的地球物理站带到火星上，这样的结果使所有这些几十年的工作变得物有所值。”

RISE的工作原理

RISE是火星着陆器使用无线电波进行科学研究的悠久传统的一部分，包括20世纪70年代的两个海盗号着陆器和90年代末的探路者着陆器。但这些任务都没有洞察号先进的无线电技术和NASA地球深空网络天线升级的优势。这些改进提供了比海盗号着陆器准确5倍的数据。

以洞察号为例，科学家会使用深空网络向着陆器发送无线电信号，然后RISE会将信号反射回来。当科学家接收到反射信号时，他们会寻找多普勒频移引起的频率微小变化（这种影响与救护车警报器随着距离越来越近而改变音调的影响相同）。测量频移可以让研究人员确定行星的旋转速度。

这段视频解释了NASA的深空网络——由多个巨大的天线盘组成，排列在地球上三个大致等距的地面站——如何帮助在行星、卫星和其他行星体周围进行无线电科学研究。
影像来源：NASA/JPL-Caltech

“我们正在寻找的是在火星一年中仅几十厘米的变化。”论文的第一作者、RISE的首席研究员、比利时皇家天文台的塞巴斯蒂安·勒·梅斯特说。“在我们能看到这些变化之前，需要很长的时间和大量的数据积累。”

这篇论文研究了洞察号在火星上最初900天的数据，这足够用来寻找这种变化。科学家们不得不努力消除噪音源：水会减慢无线电信号，所以地球大气中的水分会扭曲从火星传回来的信号。太阳风也是如此，从太阳喷射到深空的电子和质子也会扭曲信号。

“这是一次历史性的实验，”梅斯特说。“我们花费了大量的时间和精力为这次实验做准备，并期待着这些发现。但尽管如此，我们仍然感到惊讶——而且这还没有结束，因为RISE仍有很多关于火星的信息要揭示。”

火星核心测量

该研究的作者还使用RISE数据来测量火星由于液态核心的晃动而产生的摆动（称为章动）。通过测量，科学家可以确定火星核心的大小：根据RISE数据，其核心的半径约为1140英里（1835公里）。

然后，作者将这一数字与之前两次来自航天器地震仪的核心测量值进行了比较。具体来说，他们观察了地震波是如何穿过火星内部——它们是从火星核心反射回来，还是畅通无阻地穿过火星核心。

考虑到这三种测量结果，他们估计火星核心的半径在1112到1150英里（1790到1850公里）之间。火星的整体半径为2106英里（3390公里），大约是地球半径的一半。

测量火星的摆动也提供了核心形状的细节。

“RISE的数据表明，火星核心的形状不能仅靠旋转来解释。”该论文的第二作者、比利时皇家天文台的阿提利奥·里沃迪尼说。“这种形状需要在地幔深处有密度稍高或稍低的区域。”

虽然科学家们将在未来几年挖掘洞察号的数据，但这项研究标志着班纳特作为该任务首席研究员的角色进入了最后一章。在JPL工作了46年后，他于8月1日退休。

有关任务的更多信息

JPL为NASA科学任务理事会管理洞察号。洞察号是NASA发现计划的一部分，由NASA位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔航天飞行中心管理。丹佛的洛克希德·马丁航天公司建造了洞察号航天器，包括它的巡航平台和着陆器，并为该任务的航天器操作提供支持。

包括法国国家研究中心（CNES）和德国航空航天中心（DLR）在内的几个欧洲合作伙伴正在支持洞察号任务。CNES向NASA提供了内部结构地震实验（SEIS）仪器，CNES得主要研究员在IPGP（巴黎地球物理研究所）。IPGP、德国马克斯·普朗克太阳系研究所（MPS）、瑞士联邦理工学院、英国伦敦帝国学院和牛津大学和JPL对SEIS做出了重大贡献。DLR提供了热流和物理特性包（HP3）仪器，波兰科学院空间研究中心（CBK）和波兰的Astronika为此做出了重大贡献。西班牙Astrobiología中心（CAB）提供了温度和风力传感器。

参考来源：

https://www.nasa.gov/feature/jpl/nasa-insight-study-finds-mars-is-spinning-faster