Марсианские спутники Фобос и Деймос — чудаки. В то время как другие спутники Солнечной системы имеют круглую форму, спутники Марса деформированы и комковаты, как картофель. Они больше похожи на астероиды или другие небольшие тела, чем на луны. Из-за их причудливой формы и необычного состава учёные до сих пор ломают голову над их происхождением.
Две основные гипотезы пытаются объяснить Фобос и Деймос. Один говорит, что это захваченные астероиды, а другой говорит, что это обломки древнего ударного элемента, столкнувшегося с Марсом. Луна Земли, вероятно, образовалась в результате древнего столкновения, когда планетезималь врезалась в Землю, поэтому существует прецедент для гипотезы столкновения. Существует также прецедент сценария с захваченным объектом, поскольку ученые считают, что некоторые другие спутники Солнечной системы, такие как спутник Нептуна Тритон, являются захваченными объектами.
Фобос и Деймос имеют много общего с углеродистыми астероидами C-типа. Это самый многочисленный тип астероидов в Солнечной системе, составляя около 75% популяции астероидов. Состав спутников и альбедо подтверждают теорию захваченного астероида. Но их орбиты круговые и близки к экватору Марса. Захваченные объекты должны иметь гораздо более эксцентричные орбиты.
Спутники менее плотные, чем силикат, самый распространенный материал в коре Марса. Этот факт противоречит теории удара. Мощный удар выбросил бы материал с Марса в космос, образовав материальный диск, вращающийся вокруг планеты. Фобос и Деймос образовались из этого материала. Если они являются результатом удара древней планетезимали, они должны содержать больше марсианского кремнезема.
Вот вкратце проблема. Теория захваченных астероидов может объяснить наблюдаемые физические характеристики спутников, но не их орбиты. Теория удара может объяснить их орбиты, но не их состав.
В исследовании, представленном на 55-й Лунной и планетарной научной конференции, трое исследователей предложили другую историю происхождения Фобоса и Деймоса. Они предполагают, что за создание спутников ответственен ударник, но он был ледяным.
Если бы каменный ударный элемент врезался в Марс, вокруг планеты образовался бы массивный диск обломков. Предыдущие исследователи исследовали эту идею с помощью моделирования и обнаружили, что спутники могли возникнуть в результате удара. Но диск, образовавшийся в результате удара, был бы гораздо более массивным, чем Фобос и Деймос вместе взятые. Моделирование показало, что на орбите Фобоса должен был образоваться третий, гораздо более массивный спутник, который упал бы обратно на Марс. Но нет убедительных доказательств того, что что-то столь массивное столкнулось с Марсом.
В других исследованиях воздействия использовались базальтовые ударники. Но они показали, что температура в обломочном диске была настолько высокой, что расплавила бы материал диска и разрушила бы древние хондритовые материалы. Поскольку пара спутников, судя по всему, содержит эти материалы, вероятность существования базальтового ударника исключена.
Согласно исследованию, представленному на конференции, ледяной удар может объяснить происхождение Фобоса и Деймоса. Тому есть три причины.
Дополнительной массы диска, созданной каменным ударником, не было бы. Вместо этого большая часть массы ударника испарилась бы при ударе и покинула систему, а не сохранилась в диске и не была бы поглощена образованием спутников. Не было бы большого третьего спутника, и не было бы необходимости объяснять, как он упал обратно на Марс.
Вторая причина касается состава спутников. Если бы при столкновении было много водяного льда, температура в диске обломков была бы ниже. Это позволило бы сохранить углеродистые материалы на Фобосе и Деймосе сегодня. Это также может помочь объяснить их плотность и возможную пористость. Ледяной удар также мог доставить воду на Марс, и мы знаем, что в прошлом Марс был более влажным.
Третья причина касается орбиты Деймоса. Это не синхронно с Марсом, и это можно объяснить ледяным ударником. Если бы в диске было больше водяного льда, произошло бы вязкое взаимодействие между пылью и паром диска, которое расширило бы диск, позволив Деймосу занять свою орбиту.
Исследователи использовали гидродинамическое моделирование сглаженных частиц (SPH), чтобы проверить идею ледяного ударника. Они смоделировали гигантские удары с различным количеством водяного льда и наблюдали, как вокруг Марса формируются диски, а в дисках формируются спутники.
Они впервые обнаружили, что ударник с любым количеством водяного льда создает более массивный диск обломков. Возможно, это связано с тем, что ударник, содержащий водяной лед, будет больше, хотя и менее массивным, чем ударник без льда. Это позволило большему количеству материала распылиться с планеты в диск. Это также может быть связано с тем, что водяной лед поглощает часть энергии удара при испарении. Это понизило бы температуру диска, снизив скорость частиц в диске и сделав их менее вероятными.
Изменение содержания льда в ударнике также повлияло на состав диска. Разное количество льда приводит к образованию дисков с разным количеством марсианской породы и камня-ударника в диске.
Температура диска играет решающую роль в этом. Разное количество водяного льда в ударнике меняет температуру диска и то, какие типы материалов в диске будут плавиться. Импакторы с содержанием льда более 30% создают слишком низкую температуру диска, чтобы расплавить силикаты. Возможно, более показательно то, что ударники с более чем 70% льда приводят к тому, что температура диска слишком низкая, чтобы изменить или разрушить хондритический материал, который, как ожидается, будет содержать и Фобос, и Деймос.
По мнению исследователей, ледяной ударник может объяснить и другие особенности. «Существование воды в образовавшемся в результате удара диске также предполагает, что вода может конденсироваться, что объясняет возможное содержание водяного льда на лунах», — пишут они.
В конечном счете, исследователи говорят, что ледяной ударный элемент с мантией из водяного льда на 70–90% может объяснить появление пары спутников.
«Лучшим случаем для воспроизведения предполагаемого состава лун являются 70-процентные и 90-процентные корпуса ударных мантий из водяного льда, поскольку они обеспечивают низкие температуры диска и больше шансов для хондритического материала выжить», - объясняют ученые.
К сожалению, это может быть нереально. «В нашей нынешней солнечной системе объект с содержанием воды около 70% или 90% не совсем реален, поскольку объект с самым высоким содержанием воды в нашей нынешней солнечной системе, Ганимед, состоит лишь на 50% из воды», -пишут они.
Но могло ли раньше все было иначе? Образцы астероида Рюгу позволяют предположить, что его родительское тело могло на 90% состоять из воды. Это число основано на типах минералов Рюгу. Но, к сожалению, ученые сейчас этого не знают наверняка. Родительское тело Рюгу могло содержать всего 20% воды.
Но, по крайней мере, вполне вероятно, что на ранних этапах существования Солнечной системы мог существовать ударник с 70% водяного льда. Если это так, то сценарий с ледяным ударником может стать надежной теорией, объясняющей происхождение Фобоса и Деймоса.
«Этот ударник мог появиться из внешней части Солнечной системы примерно во времена нестабильности гигантской планеты», — пишут авторы. За это время внешние тела Солнечной системы были возмущены и отправлены во внутреннюю Солнечную систему. Но в этом случае время удара должно быть ограничено возрастом формирования Фобоса и Деймоса.
Ученым нужно больше доказательств, чтобы углубить свое понимание Марса и его спутников. Это обеспечит японская миссия Martian Moons eXploration (MMX). Миссия MMX — вернуть на Землю образец Фобоса. Цель — определить, является ли это захваченным астероидом или результатом удара.
К сожалению, JAXA только что отложило запуск MMX. Его планировалось запустить в сентябре 2024 года, но он был отложен до 2026 года. Это означает, что мы не получим образцы до 2031 года, а не до 2029 года.
JAXA завершило успешные миссии по возврату образцов, поэтому у них есть опыт, чтобы доставить часть Фобоса обратно на Землю. Если ученые смогут определить, как образовались Фобос и Деймос, это станет частью гораздо более широкой и подробной картины формирования Солнечной системы.
Оно того стоит, если нам придется подождать еще пару лет.
