美国国家航空航天局InSight研究发现火星自转速度更快

美国国家航空航天局的InSight着陆器在2022年4月24日，也就是任务的第1211个火星日，拍摄到了这张自拍。当年12月，太阳能电池板上的灰尘导致着陆器断电，但InSight仪器记录的数据仍在引领新的科学发展。

编者按：这篇报道于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。

该航天器在去年12月退役前发送的数据提供了关于行星旋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，首次探测到火星是如何因熔融金属核心的“晃动”而摆动的。《自然》杂志最近的一篇论文详细介绍了这一发现，该发现依赖于美国国家航空航天局InSight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。

为了跟踪行星的自转速度，该研究的作者依靠InSight的一种仪器：无线电转发器和天线，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，相当于火星日的长度每年缩短几分之一毫秒。

这是一个微妙的加速，科学家们并不完全确定原因。但他们有一些想法，包括极地冰盖上的冰堆积或冰川后的反弹，即陆地被冰掩埋后上升。行星质量的变化会导致它加速，有点像滑冰运动员伸展双臂旋转，然后把手臂拉进去。

这位艺术家对美国国家航空航天局InSight火星着陆器的概念进行了注释，指出了航天器甲板上的天线。这些天线与着陆器中的无线电转发器一起组成了一个名为旋转和内部结构实验（RISE）的仪器。

InSight的首席研究员、美国国家航空航天局位于南加州的喷气推进实验室的Bruce Banerdt说：“能够获得最新的测量结果真的很酷，而且非常精确。”。“很长一段时间以来，我一直致力于将InSight这样的地球物理站送上火星，这样的结果使这几十年的工作变得值得。”

RISE的工作原理

RISE是火星着陆器利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年代的两个维京着陆器和90年代末的探路者着陆器。但这些任务都没有InSight先进的无线电技术和美国国家航空航天局地球深空网络天线升级的优势。总之，这些增强提供的数据比维京登陆舰的数据准确五倍。

在InSight的情况下，科学家将使用深空网络向着陆器发射无线电信号。RISE会将信号反射回来。当科学家们接收到反射信号时，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）。通过测量这种变化，研究人员能够确定行星旋转的速度。

这段视频解释了美国国家航空航天局的深空网络——由排列在地球上三个大致等距的地面站的多个巨型天线组成——如何帮助围绕行星、卫星和其他行星体进行无线电科学研究。

该论文的主要作者、RISE的首席研究员、比利时皇家天文台的Sebastien Le Maistre说：“我们正在寻找的是火星一年中只有几十厘米的变化。”。“我们甚至需要很长时间和大量数据才能看到这些变化。”

该论文研究了InSight前900个火星日的数据，这足够时间寻找这些变化。科学家们有很多工作要做，以消除噪音来源：水会减慢无线电信号的速度，因此地球大气层中的水分会扭曲从火星返回的信号。太阳风、从太阳抛向深空的电子和质子也是如此。

勒迈斯特说：“这是一个历史性的实验。”。“我们花了很多时间和精力为实验做准备，并期待着这些发现。但尽管如此，我们一路上仍然感到惊讶——这还没有结束，因为RISE仍有很多关于火星的信息要揭示。”

火星岩心测量

研究作者还使用RISE数据来测量火星由于液芯晃动而产生的摆动，称为章动。通过测量，科学家可以确定核心的大小：根据RISE数据，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行星内部的——无论是从核心反射还是畅通无阻地穿过。

考虑到这三项测量，他们估计核心的半径在1112至1150英里（1790至1850公里）之间。火星作为一个整体的半径为2106英里（3390公里），大约是地球的一半大小。

测量火星的摆动也提供了核心形状的细节。

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：“RISE的数据表明，核心的形状不能仅靠旋转来解释。”。“这种形状需要地幔深处密度稍高或稍低的区域。”

虽然科学家们将在未来几年挖掘InSight数据，但这项研究标志着Banerdt作为任务首席研究员的角色的最后一章。在JPL工作了46年后，他于8月1日退休。

更多关于使命

喷气推进实验室为美国国家航空航天局科学任务理事会管理InSight。InSight是美国国家航空航天局探索计划的一部分，该计划由该机构位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心管理。位于丹佛的洛克希德•马丁航天公司建造了InSight飞船，包括其巡航级和着陆器，并为该任务的航天器操作提供支持。

包括法国国家空间研究中心（CNES）和德国航空航天中心（DLR）在内的一些欧洲合作伙伴正在支持InSight任务。CNES向美国国家航空航天局提供了内部结构地震实验（SEIS）仪器，首席研究员在IPGP（巴黎地球物理研究所）。IPGP对SEIS做出了重大贡献；德国马克斯•普朗克太阳系研究所；瑞士联邦理工学院；英国伦敦帝国理工学院和牛津大学；和JPL。德国航天中心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和位于波兰的Astronika做出了重大贡献。西班牙的太空生物中心（CAB）提供了温度和风力传感器。