今年的7月27日是火星衝,火星衝前後是火星最靠近地球的時候,而今年的火星衝又特別靠近地球,是2003年以來最靠近地球的一次,這段時間火星看起來又亮又紅,下一次要看見這麼近的火星就要等到2035年!

什麼是火星衝?

火星是距離地球第二近的行星,僅次於金星。跟金星和木星比起來,火星一般的時候都不是很亮,通常也比土星暗。不過每當「火星衝」,也就是地球位在太陽和火星之間,三個天體排成一直線時,火星會變得非常亮,有時甚至比木星還耀眼!

火星衝差不多就是火星最靠近地球的時候,這個時候的火星看起來特別亮而且大,所以火星衝前後是最適合觀看火星的時機。

火星衝的示意圖,火星衝的時候,太陽、地球和火星排成一直線。繪圖:李昫岱

地球繞太陽公轉一圈是1年,火星則是1.9年,地球的公轉速度比較快,大約兩年兩個月會追上火星一次,也就是火星衝大約是兩年兩個月會發生一次。

每次火星衝時,研究火星的科學家都會很忙,因為這時可以把火星看得最清楚,所以火星上許多重大的發現都是在火星衝時。

卡西尼與惠更斯

卡西尼與惠更斯以研究土星而聞名,不過他們對火星的研究也很有貢獻。

1659年火星衝期間,克里斯蒂安.惠更斯(Christiaan Huygens)用望遠鏡發現並記錄火星上有明顯的黑色地貌,這個區域後來被稱為大瑟提斯(Syrtis Major),這是首次在地球以外發現行星表面的特徵。惠更斯以大瑟提斯為基準,量測出火星大約24.5小時自轉一圈,這是第一次量測到火星的自轉速度,跟現代所量測的值相差不多。

哈伯望遠鏡拍攝的火星影像,黑色的大瑟提斯是火星上相當明顯的特徵,惠更斯利用它來量測火星的自轉。影像來源:NASA

測量火星和地球之間的距離,最適合的時間當然是火星衝的前後。1672年,巴黎天文台的台長喬凡尼.卡西尼(Giovanni Cassini)希望在火星衝時,用三角視差的方法量測火星的距離。卡西尼派人到南美的法屬圭亞那,他自己則留在巴黎,兩組人在同一個時間量測火星在天空中的位置。根據兩地火星在天空中位置的差異,以及巴黎到圭亞那的距離,卡西尼就可以用簡單的三角幾何推算出火星的距離,這是人類首次算出火星與地球的距離。

1877年的火星衝

1877年的火星衝發生在9月6日。美國天文學家阿薩夫.霍爾(Asaph Hall)在火星衝之前,使用美國海軍天文台66公分折射式望遠鏡觀測火星,他在8月12日和18日發現了火星的兩顆衛星。希臘羅馬神話中,火星代表著戰神,所以這兩顆衛星就以戰神兩位兒子的名字命名:佛勃斯(Phobos)和德摩斯(Deimos)。這兩顆衛星都相當小,佛勃斯的大小相當於台北市,而德摩斯則跟基隆市差不多大,如果不是火星衝,加上優良的望遠鏡,這兩顆衛星還真不容易被發現。

1877年的火星衝,讓霍爾發現火星的兩顆衛星,同一時間歐洲大陸上的義大利天文學家喬凡尼.斯基亞帕雷利(Giovanni Schiaparelli)也用望遠鏡觀察火星。斯基亞帕雷利在火星表面看見一些渠道,他把這些渠道畫下來,後來有人把義大利文的渠道(canali)翻譯為英文運河(canal),雖然這兩個字很像,但是意義卻不同。

美國的富商帕西瓦爾.羅威爾(Percival Lowell)受到斯基亞帕雷利的啟發,他在亞利桑那州的旗杆鎮建立私人的天文台,這個天文台很重要的一個目的是要研究火星。羅威爾在觀察研究火星後,認為火星上住著高度文明的火星人,他們挖鑿運河用來灌溉農作物。雖然有人質疑羅威爾的發現,但是羅威爾還是堅信他的想法,要如何證明火星上到底有沒有火星人呢?

火星探測太空船

火星上有外星人的想法深植人心,一直到1965年美國的水手4號太空船(Mariner 4)飛越火星,人類才首次有機會近距離觀測火星。水手4號影像顯現火星地表一片荒蕪,不但沒有火星人,連生命的跡象也沒有。

水手4號在1964年11月28日升空,時間是1965年3月9日火星衝前的幾個月,刻意選擇在火星衝之前發射,是因為這時火星離地球較近,可以用較少的火箭燃料飛抵火星,而且太空船從地球出發到火星時間也比較短。

火星太空探測任務的發射,都是選在火星衝前幾個月出發,以最近幾年的火星任務為例子,2011年11月發射的好奇號(Curiosity)、2013年11月前往火星的MAVEN、2016年3月出發的火星微量氣體任務衛星(ExoMars Trace Gas Orbiter)以及2018年5月升空的洞察號(InSight),這些火星探險任務間隔大約是兩年,也就是地球和火星相會的週期,而且都是在火星衝前的幾個月發射升空。

為了確保任務能在火星衝前幾個月發射升空,科學家和工程師都要緊盯工作進度,萬一進度落後,錯過火星靠近地球的時機,就必須再等兩年。原本預計2018年前往火星的ExoMars漫遊車,就是因為科學儀器完成的進度落後,只好延後到2020年火星衝前再出發。

哈伯也愛火星衝

太空船都飛到火星了,還要用繞地球運行的哈伯太空望遠鏡觀測火星嗎?當然需要,雖然太空船可以近距離觀察火星,不過可能無法一次看見火星的全貌。

2001年的火星衝讓哈伯望遠鏡發揮所長,當年的火星衝是6月13日。下圖是哈伯望遠鏡在火星衝附近拍的兩幅影像,左圖中可以看見火星上的地形,黑色的部分主要是玄武岩構成,紅色的部分則是由氧化鐵(也就是鐵鏽)組成的沙塵,藍白色的則是火星上的水冰雲。右圖則是遭遇全球沙塵暴的火星,沙塵暴讓整個火星大氣充滿氧化鐵沙塵,大氣透明度變差。哈伯望遠鏡的觀測有助於科學家了解火星巨大風暴形成的原因。

哈伯望遠鏡在2001年火星衝後,拍攝的火星影像,左圖可以清楚看見火星的地表,右圖則受到火星全球風暴的影響,蒙上一層紅色薄紗。影像來源:NASA

2018年的火星衝是2003年以來,地球最近火星的一次,火星衝的前後幾天,可以看見比木星還亮的火星!日落以後,火星就會出現在東南方。當天文學家在火星衝忙著研究火星,你也可以看看我們的紅色鄰居,跟它打聲招呼!

撰文:李昫岱(天文學博士,曾經服務於中央研究院天文所及美國伊利諾大學厄巴納-香檳分校,歡迎來「屋頂上的天文學家」臉書部落格,一起航向宇宙,浩瀚無垠!)