На нескольких снимках пейзажа в контровом свете Солнца, сделанных одной из камер марсохода Perseverance в декабре 2021 года, астрономы зафиксировали солнечное гало — светящийся ореол вокруг Солнца. Это оптическое явление указывает на рассеяние солнечного света на частицах водяного льда, который в атмосфере Марса содержится только в микроскопических концентрациях. Это первый случай наблюдения такого оптического явления вне Земли.
Гало часто наблюдается на Земле. Характерный ореол может возникнуть вокруг ярких источников света, в частности, Солнца или Луны, но для его возникновения нужно, чтобы одновременно выполнялось несколько условий. Ледяные кристаллы в атмосфере могут рассеивать солнечный свет и создавать яркое пятно возле источника света. Пятно может располагаться несимметрично — с одной стороны от Солнца, или образовывать кольцо вокруг него. Естественно было предположить, что и на других планетах можно наблюдать аналогичное явление. Но за пару десятилетий исследования Марса при помощи станций и марсоходов ни на одной из тысяч панорамных фотографий против Солнца ничего похожего не нашли.
На Земле для возникновения гало должно сойтись несколько факторов. Солнечный свет должен преломляться на кристалликах не произвольной формы, а вытянутых как иголки. Само собой, эти ледяные кристаллы должны в воздухе присутствовать. Обычно места их скопления — это перистые облака в высоких слоях атмосферы. Кристаллики имеют шестиугольную форму в силу особенностей кристаллической решётки льда (ср. типичные формы снежинок). Такая форма диктует и угловые размеры гало. Так, лимб гало имеет угловой радиус 22 градуса. На множестве художественных снимков этого явления виден и второй круг, его радиус 46 градусов. Часто на лимбах можно увидеть разложение света по цветам радуги от внутренней до наружной кромки. По этим кольцам можно исследовать структуру кристаллической решётки вещества, на котором преломляется свет. Этот метод используется в рентгеновской кристаллографии.
Хотя основная задача марсохода — исследование горных пород на Марсе, его камеры не обязательно смотрят только в землю. Марсоход также осуществляет наблюдения за погодой и атмосферой, для чего на нём оборудована переносная погодная станция (о её работе можно прочитать в нашей прошлогодней статье). Больше того, в числе полезной нагрузки имеется камера SkyCam, чья задача — делать снимки неба каждый марсианский день, или сол. На многих фотографиях другого инструмента — навигационной камеры NavCam — также видны кадры неба. На нескольких архивных снимках декабря 2021 года с NavCam как раз и распознали такое явление, причём угол раствора светящегося диска составлял те же 22 градуса. Статья о наблюдениях первого внеземного гало в начале сентября 2022 года вышла в Geophysical Research Letters.
Если кристаллы слишком маленькие, или облака слишком густые или тёплые, гало не образуется. На Марсе совсем плохо и с перистыми облаками, и с кристаллами льда в атмосфере. Но если, к примеру, в атмосфере есть другое вещество вместо воды (на других планетах), то возможно формирование гало, но размеры ореола будут другими. По ним можно судить о том, что вызвало гало. На Марсе атмосфера в основном сложена углекислым газом. Вода там есть, но её ничтожно мало по сравнению с Землёй. Поэтому первое предположение — свет рассеивали кристаллы сухого льда (замороженной углекислоты). Такие кристаллы должны иметь свой характерный «отпечаток», отличный от водяного. Но расчёты показали, что Perseverance увидел что-то другое, а не сухой лёд. Так же непохожими были теоретические отпечатки от других возможных там веществ.
Проверялось также предположение о том, что эффект может создавать оптика камеры. Такие артефакты часто встречаются на изображениях ярких объектов на космических телескопах или камерах. Но изображение не было похоже ни на один подобный снимок. Самое важное — снимки были частью последовательности из пяти фотографий, которые марсоход делал, перемещая камеру и фотографируя участки неба с некоторым интервалом. Гало продержалось на протяжении трёх последовательных снимков в этой серии, причём Солнце каждый раз находилось на разных участках кадра. Поэтому артефакты оптики также можно отбросить.
В принципе, есть ещё один механизм, который можно придумать — это марсианская пыль. Но в распоряжении астрономов есть множество изображений, на которых в кадр попадает пыль, как-то взаимодействуя со светом. Среди множества световых артефактов, которые при этом наблюдаются, структуры типа гало также невозможны.
Таким образом, исключение всех мыслимых причин оставляет только одно объяснение — Perseverance действительно увидел оптическое явление, встречающееся на Земле и указывающее на рассеяние света на водяном льде. Марсианские облака, вызвавшие солнечное гало, встречаются очень редко из-за малого количества воды, но их может быть больше в определённый сезон. В частности, их можно ожидать марсианским летом на субтропических широтах — именно там и тогда Perseverance сфотографировал гало.
Через некоторое время на Марсе опять наступит тот же сезон, что и в декабре 2021 года. Если быть точнее, это афелий, и сезон облачных поясов. Такая же астрономическая обстановка возникнет, когда Марс совершит полный облёт вокруг Солнца — по земному времени это случится в следующем году летом. Тогда гало уже будут искать целенаправленно. Главное, что удалось установить — такое явление на Марсе возможно и, видимо, воды в атмосфере достаточно, чтобы при благоприятных условиях сделать его наблюдаемым для камер марсохода.