De James Webb Space Telescope heeft op 5 september 2022 zijn eerste beelden en spectra van Mars gemaakt. De opmerkelijke infraroodgevoeligheid van de telescoop biedt een uniek perspectief op onze buurplaneet, als aanvulling op de gegevens die door orbiters, rovers en andere telescopen zijn verzameld.
Omdat het zo dichtbij is, is de rode planeet een van de helderste objecten aan de nachthemel, zowel in zichtbaar licht (dat menselijke ogen kunnen zien) als in het infrarood licht waarvoor Webb is ontworpen. Dit vormt een bijzondere uitdaging voor de faciliteit, die is gebouwd om het uiterst zwakke licht van de meest afgelegen sterrenstelsels in het heelal te detecteren. De instrumenten van Webb zijn zo gevoelig dat zonder speciale waarnemingstechnieken het felle infrarode licht van Mars de detector verzadigt.
Webb's eerste beelden van Mars, gemaakt door de Near-Infrared Camera (NIRCam), tonen een regio van het oostelijk halfrond van de planeet op twee verschillende infrarode golflengten.
De kortere golflengte (2,1 micron, rechtsboven in figuur 1) wordt gedomineerd door gereflecteerd zonlicht en toont dus oppervlaktedetails die vergelijkbaar zijn met die op beelden met zichtbaar licht. De ringen van de Huygens-krater, het donkere vulkanische gesteente van Syrtis Major en de verheldering in het Hellas-bekken, mogelijk veroorzaakt door plaatselijke stofafzetting, zijn allemaal zichtbaar op dit beeld.
De langere golflengte (4,3 micron, rechtsonder in figuur 1) toont de thermische emissie - licht dat de planeet afgeeft als het warmte verliest. De helderheid van 4,3 micron-licht is gerelateerd aan de temperatuur van het oppervlak en de atmosfeer. Het subsolaire punt op de planeet (de plaats op het oppervlak waar de zon zich direct boven het hoofd bevindt) is het helderst omdat het daar over het algemeen het warmst is. De helderheid neemt af in de richting van de poolgebieden, die minder zonlicht ontvangen, en er wordt minder licht uitgezonden vanaf het koelere noordelijk halfrond, dat in deze tijd van het jaar winter heeft.
De temperatuur is echter niet de enige factor die van invloed is op de hoeveelheid 4,3-micronlicht die de telescoop met dit filter bereikt. Als het licht van de planeet door de atmosfeer van Mars gaat, wordt een deel geabsorbeerd door koolstofdioxidemoleculen. Het Hellas Basin - de grootste goed bewaarde inslagstructuur op Mars, die meer dan 2000 kilometer beslaat - lijkt door dit effect donkerder dan de omgeving.
"Dit is eigenlijk geen thermisch effect bij Hellas," verklaarde Geronimo Villanueva van NASA's Goddard Space Flight Center, die deze Webb-waarnemingen heeft ontworpen. "Het Hellas Basin is een topografisch laag en ondervindt dus een hogere luchtdruk. Die hogere druk dempt de sterkte van de thermische emissie in dit specifieke golflengtegebied door een effect dat drukverbreding wordt genoemd."
Villanueva en zijn team, waaronder leden van de groep Planetaire atmosferen van het BIRA, hebben ook het eerste nabij-infraroodspectrum van Mars van Webb vrijgegeven, waarmee wordt aangetoond dat Webb de rode planeet met spectroscopie kan bestuderen.
Astronomen analyseren de gedetailleerde vorm van het spectrum om aanvullende informatie te verzamelen over het oppervlak en de atmosfeer van de planeet. Dit infraroodspectrum is verkregen door metingen van alle zes de hoge-resolutiespectroscopie modi van de Webb's Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) te combineren. Het spectrum toont een hele reeks spectrale kenmerken die informatie onthullen over stof, ijswolken, rotsen op het planeetoppervlak en moleculen waaruit de atmosfeer bestaat. De spectrale kenmerken van water, koolstofdioxide en koolstofmonoxide zijn gemakkelijk op te sporen.
In de toekomst zal het Marsteam deze beeld- en spectroscopische gegevens gebruiken om regionale verschillen op de planeet te onderzoeken en om te zoeken naar sporen in de atmosfeer, waaronder methaan en waterstofchloride.
Deze NIRCam- en NIRSpec-observaties van Mars zijn uitgevoerd in het kader van Webb's GTO-programma (Guaranteed Time Observation) voor het zonnestelsel, onder leiding van Heidi Hammel van AURA.