Спутники Марса: Фобос и Деймос

Введение

Природные спутники Марса

Два спутника Марса — Фобос и Деймос. Они имеют неправильную форму. Оба были открыты американским астрономом Асафом Холлом в августе 1877 года и названы в честь греческих мифологических близнецов Фобоса (страх и паника) и Деймоса (ужас и трепет), сопровождавших своего отца Ареса в битву. Арес, бог войны, был известен римлянам как Марс. По сравнению с Луной Земли, Фобос и Деймос — небольшие спутники. Диаметр Фобоса составляет 22,2 км (13,8 миль), а масса — 1,08 × 10¹⁶ кг, в то время как диаметр Деймоса — 12,6 км (7,8 миль), а масса — 1,5 × 10¹⁵ кг. Фобос обращается вокруг Марса по более близкой орбите, с большой полуосью и орбитальным периодом 7,66 часов, а Деймос — по более удаленной орбите, с большой полуосью и орбитальным периодом 30,35 часов.

Ранние предположения

Спекуляции о существовании спутников Марса начались после открытия спутников Юпитера. Когда Галилео Галилей (1564–1642), в качестве зашифрованного сообщения о наблюдении двух выступов по бокам Сатурна (впоследствии идентифицированных как его кольца), использовал анаграмму smaismrmilmepoetaleumibunenugttauiras для фразы Altissimum planetam tergeminum observavi ("Я наблюдал самую дальнюю планету в тройственном облике"), Иоганн Кеплер (1571–1630) неверно истолковал её как Salve umbistineum geminatum Martia proles ("Приветствую, яростные близнецы, отпрыски Марса"). Возможно, вдохновленный Кеплером (и ссылаясь на третий закон Кеплера о движении планет), сатира Джонатана Свифта "Путешествия Гулливера" (1726) упоминает два спутника в третьей части, третьей главе ("Путешествие на Лапуту"), где астрономы Лапуты описываются как обнаружившие два спутника Марса, обращающиеся на расстояниях в 3 и 5 марсианских диаметров с периодами в 10 и 21,5 часа. Фобос и Деймос (оба открыты в 1877 году, более чем через столетие после публикации романа Свифта) имеют фактические орбитальные расстояния в 1,4 и 3,5 марсианских диаметров, а их периоды обращения составляют 7,66 и 30,35 часа соответственно. Однако большинство астрономов полагают, что Свифт просто использовал распространенный в то время аргумент: поскольку внутренние планеты Венера и Меркурий не имеют спутников, Земля имеет один, а Юпитер – четыре (известных на тот момент), то Марс, по аналогии, должен иметь два. Более того, поскольку они еще не были обнаружены, предполагалось, что они должны быть небольшими и находиться близко к Марсу. Это могло привести Свифта к достаточно точной оценке их орбитальных расстояний и периодов обращения. В своих расчетах Свифт мог также получить помощь от своего друга, математика Джона Арбутнота. В коротком рассказе Вольтера "Микромегас" (1752) о пришельце, посетившем Землю, также упоминаются два спутника Марса. Вероятно, на Вольтера повлиял Свифт. В знак признания этих "предсказаний" два кратера на Деймосе названы в честь Свифта и Вольтера, а на Фобосе есть одна область, названная regio – Laputa Regio, и одна равнина, названная planitia – Lagado Planitia, обе названы в честь мест из "Путешествий Гулливера" (вымышленная Лапута, летающий остров, и Лагадо, воображаемая столица вымышленной страны Балнибарби). Многие кратеры на Фобосе также названы в честь персонажей из "Путешествий Гулливера".

Speculation about the existence of the moons of Mars had begun when the moons of Jupiter were discovered. When Galileo Galilei (1564–1642), as a hidden report about his having observed two bumps on the sides of Saturn (later discovered to be its rings), used the anagram smaismrmilmepoetaleumibunenugttauiras for Altissimum planetam tergeminum observavi ("I have observed the most distant planet to have a triple form"), Johannes Kepler (1571–1630) had misinterpreted it to mean Salve umbistineum geminatum Martia proles (Hello, furious twins, sons of Mars). Perhaps inspired by Kepler (and quoting Kepler's third law of planetary motion), Jonathan Swift's satire Gulliver's Travels (1726) refers to two moons in Part 3, Chapter 3 (the "Voyage to Laputa"), in which Laputa's astronomers are described as having discovered two satellites of Mars orbiting at distances of 3 and 5 Martian diameters with periods of 10 and 21.5 hours. Phobos and Deimos (both found in 1877, more than a century after Swift's novel) have actual orbital distances of 1.4 and 3.5 Martian diameters, and their respective orbital periods are 7.66 and 30.35 hours. However, the view of most astronomers is that Swift was simply employing a common argument of the time, that as the inner planets Venus and Mercury had no satellites, Earth had one and Jupiter had four (known at the time), that Mars by analogy must have two. Furthermore, as they had not yet been discovered, it was reasoned that they must be small and close to Mars. This would lead Swift to make a roughly accurate estimate of their orbital distances and revolution periods. In addition, Swift could have been helped in his calculations by his friend, the mathematician John Arbuthnot. Voltaire's 1752 short story "Micromégas", about an alien visitor to Earth, also refers to two moons of Mars. Voltaire was presumably influenced by Swift. In recognition of these 'predictions', two craters on Deimos are named Swift and Voltaire, while on Phobos there is one named regio, Laputa Regio, and one named planitia, Lagado Planitia, both of which are named after places in Gulliver's Travels (the fictional Laputa, a flying island, and Lagado, imaginary capital of the fictional nation Balnibarbi). Many of the craters on Phobos are also named after characters in Gulliver's Travels.

Марсовый обман

В 1959 году Уолтер Скотт Хьюстон разыграл знаменитый розыгрыш на 1 апреля в апрельском выпуске журнала "Great Plains Observer", заявив, что "доктор Артур Хейалл из Университета Сьерры сообщает об обнаружении искусственных спутников вместо лун Марса". И доктор Хейалл, и Университет Сьерры были вымышленными. Розыгрыш получил всемирную известность, когда заявление Хьюстона всерьез повторил советский ученый Иосиф Шкловский, который, основываясь на впоследствии опровергнутой оценке плотности, предположил, что Фобос представляет собой полый металлический корпус.

Последние исследования

Были проведены поиски дополнительных спутников. В 2003 году Скотт С. Шеппард и Дэвид К. Джуитт обследовали почти всю область Хилла Марса в поисках нерегулярных спутников. Однако рассеянный свет от Марса помешал им исследовать внутренние несколько угловых минут, где находятся спутники Фобос и Деймос. Новых спутников обнаружено не было при предельной видимой красной звездной величине 23,5, что соответствует радиусам около 0,09 км при альбедо 0,07.

Характеристики

Если смотреть с поверхности Марса вблизи его экватора, полный Фобос будет выглядеть примерно в три раза меньше полной Луны на Земле. Его угловой диаметр составляет от 8' (при восходе) до 12' (в зените). Из-за близкой орбиты он будет казаться меньше по мере удаления наблюдателя от марсианского экватора, пока полностью не скроется за горизонтом при приближении к полюсам; таким образом, Фобос не виден из полярных ледяных шапок Марса. Деймос для наблюдателя на Марсе будет выглядеть скорее как яркая звезда или планета (чуть больше, чем Венера с Земли). Его угловой диаметр составляет около 2'. Для сравнения, угловой диаметр Солнца, видимый с Марса, составляет около 21'. Поэтому полных солнечных затмений на Марсе не бывает, так как луны слишком малы, чтобы полностью закрыть Солнце. Зато полные лунные затмения Фобоса происходят почти каждую ночь. Движения Фобоса и Деймоса будут сильно отличаться от движений Луны Земли. Быстрый Фобос восходит на западе, заходит на востоке и снова восходит всего за одиннадцать часов, а Деймос, находясь чуть за пределами синхронной орбиты, восходит на востоке, как и ожидается, но очень медленно. Несмотря на 30-часовой период обращения, на его заход уходит 2,7 дня, так как он медленно отстает от вращения Марса. Обе луны приливно заблокированы, всегда обращая к Марсу одну и ту же сторону. Поскольку Фобос обращается вокруг Марса быстрее, чем вращается сама планета, приливные силы медленно, но верно уменьшают радиус его орбиты. В какой-то момент в будущем, когда он окажется внутри границы Роша, Фобос будет разорван этими силами и либо упадет на Марс, либо образует кольцо. Ряды кратеров на поверхности Марса, наклоненных дальше от экватора, чем старше они, позволяют предположить, что могли существовать и другие небольшие луны, постигшая которых та же участь, что и Фобос, и что марсианская кора в целом смещалась между этими событиями. Деймос, напротив, находится достаточно далеко, чтобы его орбита медленно увеличивалась, подобно орбите Луны Земли.

If viewed from Mars's surface near its equator, a full Phobos would look about one third as big as a full moon on Earth. It has an angular diameter of between 8' (rising) and 12' (overhead). Due to its close orbit, it would look smaller when the observer is further away from the Martian equator until it completely sinks below the horizon as the observer travels closer to the poles; thus Phobos is not visible from Mars's polar ice caps. Deimos would look more like a bright star or planet (only slightly bigger than how Venus looks from Earth) for an observer on Mars. It has an angular diameter of about 2'. The Sun's angular diameter as seen from Mars, by contrast, is about 21'. Thus there are no total solar eclipses on Mars as the moons are far too small to completely cover the Sun. On the other hand, total lunar eclipses of Phobos happen almost every night. The motions of Phobos and Deimos would appear very different from that of Earth's Moon. Speedy Phobos rises in the west, sets in the east, and rises again in just eleven hours, while Deimos, being only just outside synchronous orbit, rises as expected in the east but very slowly. Despite its 30 hour orbit, it takes 2.7 days to set in the west as it slowly falls behind the rotation of Mars. Both moons are tidally locked, always presenting the same face towards Mars. Since Phobos orbits Mars faster than the planet itself rotates, tidal forces are slowly but steadily decreasing its orbital radius. At some point in the future, when it falls within the Roche limit, Phobos will be broken up by these tidal forces and either crash into Mars or form a ring. Several strings of craters on the Martian surface, inclined further from the equator the older they are, suggest that there may have been other small moons that suffered the fate expected of Phobos, and that the Martian crust as a whole shifted between these events. Deimos, on the other hand, is far enough away that its orbit is being slowly boosted instead, akin to Earth's Moon.

Орбитальные детали

Название и произношение Изображение Диаметр (км) Площадь поверхности (км²) Масса (кг) Большая полуось (км) Орбитальный период (ч) Средний период восхода Луны (ч, д) Эксцентриситет Наклон (°) I Фобос '/f//oʊ//b//ə//s/ FOHbəs (27×21.6×18.8 км) 1548 км² 10.7 7.66 11.12 ч (0.463 д) 0.0151 1.093 II Деймос '/d//aɪ//m//ə//s/ DYməss (10×12×16 км) 483 км² 1.5 30.31 131 ч (5.44 д) 0.00033 0.93 Относительные размеры и расстояние между Марсом, Фобосом и Деймосом, в масштабе. (Загрузите изображение в полном размере, чтобы увидеть обе луны Марса.) 5 марта 2024 года: NASA опубликовало изображения прохождений луны Деймос, луны Фобос и планеты Меркурий, снятые марсоходом Perseverance на планете Марс.

Происхождение

Происхождение лун Марса до сих пор остаётся предметом споров. Фобос и Деймос имеют много общего с углеродистыми астероидами типа C, их спектры, альбедо и плотность очень похожи на характеристики астероидов типов C или D. Исходя из этого сходства, одна из гипотез предполагает, что обе луны могли быть захваченными астероидами из главного пояса. Обе луны имеют почти круговые орбиты, лежащие практически в экваториальной плоскости Марса, поэтому для объяснения их захвата требуется механизм, который бы циркуляризовал первоначально сильно вытянутую орбиту и скорректировал её наклонение до экваториальной плоскости, вероятно, за счёт комбинации атмосферного торможения и приливных сил. Однако неясно, достаточно ли времени для этого процесса в случае Деймоса. Другая гипотеза состоит в том, что Марс когда-то был окружён множеством тел размером с Фобос и Деймос, возможно, выброшенных на орбиту вокруг него в результате столкновения с крупным планезимальным телом. Высокая пористость недр Фобоса (исходя из плотности 1,88 г/см³, оценивается, что пустоты составляют от 25 до 35% объёма Фобоса) не согласуется с астероидным происхождением. Наблюдения Фобоса в тепловом инфракрасном диапазоне указывают на состав, содержащий преимущественно филлосиликаты, хорошо известные с поверхности Марса. Спектры отличаются от спектров всех классов хондритовых метеоритов, что также указывает не в пользу астероидного происхождения. Оба набора данных поддерживают гипотезу о том, что Фобос образовался из материала, выброшенного при ударе о Марс и аккрецировавшегося на марсианской орбите, подобно современной теории происхождения Луны Земли. Возможно, луны Марса возникли в результате гигантского столкновения с протопланетой, масса которой составляла треть массы Марса, что привело к образованию кольца вокруг Марса. Внутренняя часть кольца сформировала крупную луну, а гравитационное взаимодействие между ней и внешней частью кольца — Фобос и Деймос. Позднее крупная луна столкнулась с Марсом, но две маленькие луны остались на орбите. Эта теория согласуется с мелкозернистой поверхностью лун и их высокой пористостью, поскольку внешний диск создаёт мелкозернистый материал. Моделирование показывает, что объект, столкнувшийся с Марсом, должен был иметь размер в диапазоне от Цереры до Весты, поскольку более крупное столкновение привело бы к образованию более массивного диска и лун, которые помешали бы выживанию таких маленьких спутников, как Фобос и Деймос. Недавно Амирхосейн Багери и его коллеги из ETH Zurich и Военно-морской обсерватории США предложили новую гипотезу о происхождении лун. Анализируя сейсмические и орбитальные данные, полученные в ходе миссии Mars InSight и других миссий, они предположили, что луны образовались в результате разрушения общего родительского тела примерно 1–2,7 миллиарда лет назад. Вероятно, общий прародитель Фобоса и Деймоса был поражён другим объектом и раздроблен на Фобос и Деймос. Однако недавняя публикация предполагает, что маловероятно, что Фобос и Деймос образовались непосредственно в результате разделения одной предковой луны. Авторы использовали N-body моделирование, чтобы показать, что сценарий с единой предковой луной должен привести к столкновению двух спутников и образованию кольца обломков через 104 года. Другое предположение состоит в том, что Марс столкнулся с объектом, находящимся за орбитой Сатурна или Нептуна, массой около 3% от массы планеты и состоящим как минимум из 30% и до 70% водяного льда. Это привело бы к образованию диска вокруг планеты с большим количеством воды, которая охладила бы её и изменила химический состав горных пород, вероятно, образовав минералы, называемые филлосиликатами.

The origin of the Martian moons is still controversial. Phobos and Deimos both have much in common with carbonaceous C type asteroids, with spectra, albedo, and density very similar to those of C or D type asteroids. Based on their similarity, one hypothesis is that both moons may be captured main belt asteroids. Both moons have very circular orbits which lie almost exactly in Mars's equatorial plane, and hence a capture origin requires a mechanism for circularizing the initially highly eccentric orbit, and adjusting its inclination into the equatorial plane, most probably by a combination of atmospheric drag and tidal forces, although it is not clear that sufficient time is available for this to occur for Deimos. Another hypothesis is that Mars was once surrounded by many Phobos and Deimos sized bodies, perhaps ejected into orbit around it by a collision with a large planetesimal. The high porosity of the interior of Phobos (based on the density of 1.88 g/cm3, voids are estimated to comprise 25 to 35 percent of Phobos' volume) is inconsistent with an asteroidal origin. Observations of Phobos in the thermal infrared suggest a composition containing mainly phyllosilicates, which are well known from the surface of Mars. The spectra are distinct from those of all classes of chondrite meteorites, again pointing away from an asteroidal origin. Both sets of findings support an origin of Phobos from material ejected by an impact on Mars that reaccreted in Martian orbit, similar to the prevailing theory for the origin of Earth's moon. The moons of Mars may have started with a huge collision with a protoplanet one third the mass of Mars that formed a ring around Mars. The inner part of the ring formed a large moon. Gravitational interactions between this moon and the outer ring formed Phobos and Deimos. Later, the large moon crashed into Mars, but the two small moons remained in orbit. This theory agrees with the fine grained surface of the moons and their high porosity. The outer disk would create fine grained material. Simulations suggest the object colliding with Mars had to be within the size range of Ceres and Vesta because a larger impact would have created a more massive disc and moons that would have prevented the survival of tiny moons like Phobos and Deimos. Most recently, Amirhossein Bagheri and his colleagues from ETH Zurich and US Naval Observatory, proposed a new hypothesis on the origin of the moons. By analyzing the seismic and orbital data from Mars InSight Mission and other missions, they proposed that the moons are born from the disruption of a common parent body around 1 to 2.7 billion years ago. The common progenitor of Phobos and Deimos was most probably hit by another object and shattered to form Phobos and Deimos. But a recent paper suggests that it seems unlikely that Phobos and Deimos are split directly from a single ancestral moon. They use N body simulations to show that the single ancestral moon scenario should result in an impact between the two moons, leading to a debris ring in 104 years. Another suggestion is that Mars was hit by an object from beyond the orbit of Saturn or Neptune, about 3% the mass of the planet and consisting of at least 30% and up to 70% water ice. This would create a disc around the planet with large amounts of water that cooled it down and changed the chemical composition of the rocks, likely producing a type of minerals called phyllosilicates.

Прошлые попытки и предложения

Хотя многие марсианские зонды предоставили изображения и другие данные о Фобосе и Деймосе, лишь немногие были посвящены исключительно этим спутникам и предназначались для выполнения пролета мимо или посадки на их поверхность. Два зонда в рамках советской программы «Фобос» были успешно запущены в 1988 году, но ни один из них не осуществил запланированных посадок с прыжком на Фобос и Деймос из-за произошедших аварий (хотя «Фобос-2» успешно сфотографировал Фобос). Постсоветский российский зонд «Фобос-Грунт» должен был стать первой миссией по возвращению образцов с Фобоса, но из-за ракетной аварии он остался на околоземной орбите в 2011 году. Попытки реактивировать аппарат не увенчались успехом, и он упал на Землю в неконтролируемом повторном входе в атмосферу 15 января 2012 года над Тихим океаном, к западу от Чили. В 1997 и 1998 годах миссия «Аладдин» была отобрана в качестве финалиста в программе NASA Discovery. Планировалось посетить Фобос и Деймос и запустить снаряды в спутники. Зонд должен был собирать выброшенный материал во время медленного пролета. Эти образцы должны были быть доставлены на Землю для изучения через три года. В конечном итоге NASA отклонило это предложение в пользу «MESSENGER» – зонда к Меркурию. В 2007 году Европейское космическое агентство и EADS Astrium предложили и разработали миссию к Фобосу, запланированную на 2016 год, с посадочным модулем и возвратом образцов, но эта миссия так и не была осуществлена. Канадское космическое агентство с 2007 года рассматривает миссию «Разведка Фобоса и международное исследование Марса» (PRIME) к Фобосу с орбитальным аппаратом и посадочным модулем. С 2013 года NASA разрабатывает концепцию миссии «Фобос-Сервейер» с орбитальным аппаратом и небольшим марсоходом. Миссия NASA PADME была разработана для проведения серии пролетов над марсианскими лунами, но не была выбрана для реализации. Кроме того, NASA оценивает концепцию миссии OSIRIS-REx II для возвращения образцов с Фобоса. Также была разработана концепция миссии по возвращению образцов с Деймоса под названием «Гулливер».