Chuyển động nghịch hành biểu kiến của Sao Hỏa vào năm 2003 khi nhìn từ Trái Đất

Bởi vì quỹ đạo Sao Hỏa có độ lệch tâm đáng kể cho nên độ sáng biểu kiến của nó ở vị trí xung đối với Mặt Trời có thể thay đổi trong khoảng −3,0 đến −1,4. Độ sáng nhỏ nhất của nó tương ứng với cấp sao +1,6 khi hành tinh ở vị trí giao hội với Mặt Trời.[9] Sao Hỏa khi quan sát qua kính thiên văn nhỏ thường hiện lên có màu vàng, cam hay đỏ nâu; trong khi màu sắc thực sự của Sao Hỏa gần với màu bơ, và màu đỏ là do khí quyển Sao Hỏa chứa rất nhiều bụi; bên dưới là bức ảnh mà robot Spirit chụp được trên Sao Hỏa với màu nâu-xanh nhạt, màu bùn với những tảng đá xám-xanh và cát màu đỏ nhạt.[172] Khi hành tinh hướng về phía gần Mặt Trời, nó sẽ rất khó quan sát trong một vài tháng bởi ánh sáng mạnh của Mặt Trời. Ở những thời điểm thích hợp—khoảng thời gian 15 hoặc 17 năm, và luôn luôn là giữa cuối tháng 7 cho đến tháng 9—có thể quan sát những chi tiết trên bề mặt Sao Hỏa qua kính thiên văn nghiệp dư. Thậm chí đối với các kính thiên văn độ phóng đại nhỏ, vẫn có thể quan sát thấy các chỏm băng ở cực.[173]

Khi Sao Hỏa tiến gần vào vị trí xung đối nó bắt đầu vào giai đoạn của chuyển động nghịch hành biểu kiến khi quan sát từ Trái Đất, có nghĩa là nó dường như di chuyển ngược lại thành vòng tròn trên nền bầu trời. Khoảng thời gian diễn ra chuyển động nghịch hành trong khoảng 72 ngày và Sao Hỏa đạt đến độ sáng biểu kiến cực đại vào giữa giai đoạn này.[174]

Ảnh chụp Mặt Trời lặn ở hố va chạm Gusev chụp bởi robot Spirit vào ngày 19 tháng 5 năm 2005.

Những lần tiếp cận gần nhất

Gần tương đối

Khi Sao Hỏa ở gần vị trí xung đối với Mặt Trời thì đây là thời điểm hành tinh nằm gần với Trái Đất nhất. Giai đoạn xung đối có thể kéo dài trong khoảng 8½ ngày xung quanh thời điểm hai hành tinh nằm gần nhau. Khoảng cách lúc hai hành tinh tiếp cận gần nhau nhất có thể thay đổi trong khoảng từ 54[175] đến 103 triệu km do quỹ đạo của hai hành tinh có hình elip, và do đó cũng làm thay đổi đường kính góc của Sao Hỏa khi nhìn từ Trái Đất.[176] Lần xung đối gần đây nhất (2011) diễn ra vào ngày 29 tháng 1 năm 2010. Lần tiếp theo sẽ xảy ra vào ngày 3 tháng 3 năm 2012 ở khoảng cách khoảng 100 triệu km.[177] Thời gian trung bình giữa hai lần xung đối, hay chu kỳ giao hội của hành tinh, là 780 ngày nhưng số ngày chính xác giữa hai lần xung đối kế tiếp có thể thay đổi từ 764 đến 812 ngày.[178]

Khi Hỏa Tinh vào thời kỳ xung đối nó cũng bắt đầu vào giai đoạn chuyển động biểu kiến nghịch hành với thời gian khoảng 72 ngày.

Lần tiếp cận gần nhất

Vị trí xung đối của hành tinh đỏ trong thời gian 2003–2018, khi nhìn trên mặt phẳng hoàng đạo với Trái Đất ở chính giữa.

Sao Hỏa nằm gần Trái Đất nhất trong vòng khoảng 60.000 năm qua là vào thời điểm 9:51:13 UT ở khoảng cách 55.758.006 km (0,372719 AU), độ sáng biểu kiến đạt −2,88. Thời điểm này xảy ra khi Sao Hỏa đã vào ở vị trí xung đối được một ngày và khoảng ba ngày từ cận điểm quỹ đạo làm cho Sao Hỏa dễ dàng nhìn thấy từ Trái Đất. Lần cuối hành tinh đỏ nằm gần nhất với Trái Đất được ước tính đã diễn ra vào ngày 12 tháng 9 năm 57.617 trước Công nguyên, lần tiếp theo được ước tính diễn ra vào năm 2287.[179] Kỷ lục tiếp cận gần nhất năm 2003 chỉ hơi bé hơn so với một số lần tiếp cận gần nhất trong thời gian gần đây. Ví dụ, khoảng cách nhỏ nhất giữa hai hành tinh xảy ra vào ngày 22 tháng 8 năm 1924 là 0,37285 AU, và vào ngày 24 tháng 8 năm 2208 sẽ là 0,37279 AU.[115]

Trong năm 2003, và những năm sau, đã có một trò chơi khăm phát tán trên internet nói rằng năm 2003 Sao Hỏa sẽ nằm gần Trái Đất nhất trong hàng nghìn năm qua và nó sẽ hiện lên to như Mặt Trăng trên bầu trời.[180]

Lịch sử quan sát Sao Hỏa

Lịch sử quan sát Sao Hỏa được đánh dấu bởi những lần hành tinh này ở vị trí xung đối, khi nó nằm gần Trái Đất và vì vậy dễ dàng có thể quan sát bằng mắt thường, và những lần xung đối xảy ra khoảng 2 năm một lần. Những lần xảy ra xung đối nổi bật hơn cả trong lịch sử đó là khoảng thời gian cách nhau 15 đến 17 năm khi lần xung đối xảy ra trùng hoặc gần với cận điểm quỹ đạo của Hỏa Tinh, điều này càng làm cho nó dễ dàng quan sát được từ Trái Đất.

Sự tồn tại của Sao Hỏa như một thiên thể đi lang thang trên bầu trời đêm đã được ghi lại bởi những nhà thiên văn học Ai Cập cổ đại và vào năm 1534 TCN họ đã nhận thấy được chuyển động nghịch hành biểu kiến của hành tinh đỏ.[181] Trong lịch sử của đế chế Babylon lần hai, các nhà thiên văn Babylon đã quan sát một cách có hệ thống và ghi chép thường xuyên vị trí của các hành tinh. Đối với Sao Hỏa, họ biết rằng hành tinh này thực hiện được 37 chu kỳ giao hội, hay đi được 42 vòng trên vòng hoàng đạo, trong khoảng 79 năm Trái Đất. Họ cũng đã phát minh ra phương pháp số học nhằm hiệu chỉnh những độ lệch nhỏ trong việc tiên đoán vị trí của các hành tinh.[182][183]

Trong thế kỷ thứ tư trước Công nguyên, Aristoteles đã phát hiện ra Sao Hỏa biến mất đằng sau Mặt Trăng trong một lần che khuất, và ông nhận xét rằng hành tinh này phải nằm xa hơn Mặt Trăng.[184] Ptolemaeus, nhà thiên văn Hy Lạp cổ đại ở Alexandria,[185] đã cố gắng giải quyết vấn đề chuyển động quỹ đạo của Hỏa Tinh. Mô hình của Ptolemaeus và tập hợp những nghiên cứu của ông về thiên văn học đã được trình bày trong bản thảo nhiều tập mang tên Almagest, và nó đã trở thành nội dung được phổ biến trong thiên văn học phương Tây trong gần mười bốn thế kỷ sau.[186] Các tư liệu lịch sử Trung Hoa cổ đại cho thấy Sao Hỏa được các nhà thiên văn Trung Hoa cổ đại biết đến không muộn hơn thế kỷ thứ tư trước Công nguyên.[187] Ở thế kỷ thứ năm, trong tài liệu ghi chép thiên văn của Ấn Độ mang tên Surya Siddhanta đã ghi lại ước tính đường kính Sao Hỏa của những nhà thiên văn Ấn Độ.[188]

Trong thế kỷ thứ mười bảy, Tycho Brahe đã đo thị sai ngày của Sao Hỏa và dữ liệu này được Johannes Kepler sử dụng để tính toán sơ bộ về khoảng cách tương đối đến hành tinh đỏ.[189] Khi kính thiên văn được phát minh ra và trở lên phổ biến hơn, thị sai ngày của Sao Hỏa đã được đo lại cẩn thận trong nỗ lực nhằm xác định khoảng cách Trái Đất-Mặt Trời. Nỗ lực này lần đầu tiên được thực hiện bởi Giovanni Domenico Cassini năm 1672. Những đo đạc thị sai trong thời kỳ này đã bị cản trở bởi chất lượng của dụng cụ quan sát.[190] Ngày 13 tháng 10 năm 1590, sự kiện Sao Hỏa bị Sao Kim che khuất đã được Michael Maestlin ở Heidelberg ghi nhận.[191] Năm 1610, Galileo Galilei là người đầu tiên đã quan sát Sao Hỏa qua một kính thiên văn.[192] Người đầu tiên cố gắng vẽ ra tấm bản đồ Sao Hỏa thể hiện những đặc điểm trên bề mặt của nó là nhà thiên văn học người Hà Lan Christiaan Huygens.[193]

"Kênh đào" Sao Hỏa

Cho đến thế kỷ 19, độ phóng đại của các kính thiên văn đã đạt đến mức cần thiết cho việc phân giải các đặc điểm trên bề mặt hành tinh đỏ. Trong tháng 9 năm 1877, sự kiện Sao Hỏa tiến đến vị trí xung đối đã được dự đoán xảy ra vào ngày 5 tháng 9. Nhờ vào sự kiện này, nhà thiên văn người Italia Giovanni Schiaparelli sử dụng kính thiên văn 22 cm ở Milano nhằm quan sát hành tinh này để vẽ ra tấm bản đồ chi tiết đầu tiên về Sao Hỏa mà ông thấy qua ống kính. Trên bản đồ này có đánh dấu những đặc điểm mà ông gọi là canali, mặc dù sau đó được chỉ ra là những ảo ảnh quang học. Những canali được vẽ là những đường thẳng trên bề mặt Sao Hỏa và ông đặt tên của chúng theo tên của những con sông nổi tiếng trên Trái Đất. Trong ngôn ngữ của ông, canali có nghĩa là "kênh đào" hoặc "rãnh", và được dịch một cách hiểu nhầm sang tiếng Anh là "canals" (kênh đào).[194][195]

Ảnh hưởng bởi những quan sát này, nhà Đông phương học Percival Lowell đã xây dựng một đài quan sát mà sau này mang tên đài quan sát Lowell với hai kính thiên văn đường kính 300 và 450 mm. Đài quan sát này được sử dụng để quan sát Sao Hỏa trong lần xung đối hiếm có vào năm 1894 và những lần xung đối thông thường về sau. Lowell đã xuất bản một vài cuốn sách về Hỏa Tinh và đề cập đến sự sống trên hành tinh này, chúng đã có những ảnh hưởng nhất định đối với công chúng về hành tinh này.[196] Đặc điểm canali cũng đã được một số nhà thiên văn học tìm thấy, như Henri Joseph Perrotin và Louis Thollon ở Nice, nhờ sử dụng một trong những kính thiên văn lớn nhất thời bấy giờ.[197][198]

Sự thay đổi theo mùa (bao gồm sự thu hẹp diện tích của các chỏm băng vùng cực và những miền tối hình thành trong mùa hè trên Hỏa Tinh) kết hợp với ý niệm về kênh đào đã dẫn đến những phỏng đoán về sự sống trên Sao Hỏa, và nhiều người có niềm tin lâu dài rằng Sao Hỏa có những vùng biển rộng lớn và những cánh đồng bạt ngàn. Tuy nhiên những kính thiên văn thời này không đủ độ phân giải đủ lớn để chứng minh hay bác bỏ những phỏng đoán này. Khi những kính thiên văn lớn hơn ra đời, những canali thẳng, ngắn hơn được quan sát rõ hơn. Khi Camille Flammarion thực hiện quan sát năm 1909 với kính đường kính 840 mm, những địa hình không đồng đều được nhận ra nhưng không một đặc điểm canali được trông thấy.[199]

Thậm chí những bài báo trong thập niên 1960 về sinh học vũ trụ trên Sao Hỏa, nhiều tác giả đã giải thích theo khía cạnh sự sống cho những đặc điểm thay đổi theo mùa trên hành tinh này. Những kịch bản cụ thể về quá trình trao đổi chất và chu trình hóa học cho những hệ sinh thái cũng đã được xuất bản.[200]

Cho đến khi những tàu vũ trụ viếng thăm hành tinh này trong chương trình Mariner của NASA trong thập niên 1960 thì những bí ẩn này mới được sáng tỏ. Những chấp nhận chung về một hành tinh đã chết được khẳng định trong thí nghiệm nhằm xác định sự sống của tàu Viking và những ảnh chụp tại nơi nó đổ bộ.[201]

Một vài bản đồ về Sao Hỏa đã được lập ra nhờ sử dụng các dữ liệu thu được từ các phi vụ này, nhưng cho đến tận phi vụ của tàu Mars Global Surveyor, phóng lên vào năm 1996 và ngừng hoạt động năm 2006, đã mang lại những chi tiết đầy đủ nhất về bản đồ địa hình, từ trường và sự phân bố khoáng chất trên bề mặt.[202] Những bản đồ về Sao Hỏa hiện nay đã được cung cấp trên một số dịch vụ trực tuyến, như Google Mars.