5 сентября 2022 года телескоп Джеймса Уэбба получил первые изображения и спектр излучения видимого полушария Марса. Снимки сделаны при помощи камеры ближнего инфракрасного диапазона NIRCam на двух длинах волн и показывают распределение отражённого солнечного и собственного теплового излучения от поверхности планеты.
Марс — один из самых ярких объектов на ночном небе как в видимом, так и в инфракрасном диапазоне. На момент съёмки он находится между Плеядами и Альдебараном (скопление Гиад), то есть как раз проходит через «Золотые ворота эклиптики» — значимый для астрологов и средневековых астрономов участок неба, и его можно наблюдать примерно со второй половины ночи до рассвета. Но эти его свойства, интересные для земного наблюдателя, становятся препятствием для космического телескопа. Одна из основных задач телескопа James Webb — наблюдение очень далёких и тусклых галактик, соответственно рассчитана чувствительность его детекторов. Свет от Марса или других видимых невооружённым глазом планет ослепляет детектор — получается явление под названием насыщение детекторов, в фотографической практике — засветка. Бороться с этим можно так же, как делают фотографы: уменьшить экспозицию, например, уменьшив время открытия затвора. Для съёмки использовали очень короткие промежутки времени, кроме того, использовали специальные методы обработки данных, позволяющие выделять нужный сигнал от «засвеченных» снимков.
Телескоп находится на расстоянии полтора миллиона километров от Земли в точке Лагранжа L2 системы Земля — Солнце. Соответственно он может видеть часть диска Марса, освещённую Солнцем. Сверхкороткие экспозиции позволяют изучать кратковременные явления на планете, например, пылевые бури, погодные и сезонные изменения, а также вариации различных параметров атмосферы и поверхности с течением дня. Такие вариации можно изучить на одном снимке, на котором различные части марсианского «диска» будут находиться в разных условиях (марсианское утро, полдень или вечер).
Первый инфракрасный снимок Марса с камеры «Джеймса Уэбба» — изображение на двух длинах волн ИК диапазона. Слева — «топооснова», или рельеф поверхности — известная карта по данным высотомера MOLA (Mars Orbiter Laser Altimeter), на которой показаны квадраты поля зрения инфракрасной камеры. Обычно такие кадры представляют в виде композитного изображения из двух-трёх псевдоцветов, наложенного на топооснову. На снимках — часть восточного полушария планеты.
Изображение на более короткой длине волны 2,1 микрона (сверху справа) — это в основном отражённый солнечный свет, поэтому оно напоминает то, что можно увидеть в телескоп в видимом диапазоне, или ту же карту рельефа от альтиметра MRO. Здесь сразу можно выделить кольцевые структуры кратера Гюйгенс, вулканические породы плато Syrtis Mayor (тёмного оттенка, как и базальтовые моря на Луне), а также светлое пятно — равнину Эллады (Hellas Basin). Напомним, что это ближний инфракрасный диапазон, а красная граница видимой части спектра — около 0,7 микрон.
Снимок на длине волны 4,3 микрона уже сильно отличается от того, что видно глазом. Это в основном — инфракрасное излучение от нагретой поверхности, такое же, какое видят камеры инфракрасного видения на Земле. Длина волны ≈4 микрона как раз соответствует температуре марсианской поверхности и атмосферы. Самый яркий регион на снимке — это область, в которой Солнце находится почти в зените. Яркость уменьшается по направлению к полюсам, кроме того, северное полушарие оказывается более холодным — во время съёмки оно как раз было зимним. Но предсказуемые изменения яркости с широтой — не единственная черта снимка в более длинных волнах. Излучение от поверхности проходит через углеродную атмосферу Марса, где часть его поглощается. Равнида Эллады — это самая крупная и хорошо сохранившаяся импакт-структура на планете, возникшая в результате падения крупного метеорита. Её ширина составляет более 2 тысяч километров. Поскольку это понижение в рельефе, слой атмосферы над ним больше, и он поглощает больше излучённого света. Поэтому регион на этой длине волны выглядит темнее в отличие от снимка ближнего ИК-диапазона.
Второе изображение, которое команда предложила общественности — интегрированный спектр Марса, то есть его часть, соответствующая ближнему ИК-диапазону (от 1 до 5 мкм). Итоговый рисунок — комбинация измерений на всех шести модах спектрометра NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph). Такие же снимки «Джеймса Уэбба» уже публиковались для атмосфер некоторых экзопланет, в частности, один такой спектр предъявили в числе первых пяти официально выпущенных изображений нового телескопа (подробнее про них можно прочитать здесь). На нём видны основные черты таких спектров для атмосфер планет, включая Землю. Прежде всего — это линии поглощения разных молекулярных соединений, в частности, воды, диоксида и монооксида углерода. По ним можно количественно исследовать состав атмосферы, а также получить информацию об облаках из пыли или льда и о породах на поверхности. В будущем спектры будут изучать отдельно по разным регионам Марса, и по ним будут искать следовые примеси в атмосфере, такие, как метан и хлороводород.
