Das Zurücklaufen der Uhr auf dem rätselhaften Marsmondpaar Phobos und Deimos gibt Forschern Einblicke in ihre mögliche Herkunft.
Eine aktuelle Studie liefert entscheidende Hinweise auf die mögliche „Ursprungsgeschichte“ der beiden winzigen Marsmonde Deimos und Phobos.
Die moderne Astronomie liefert uns eine Momentaufnahme, einen Blick auf den gegenwärtigen Stand der Dinge im gesamten Sonnensystem… aber wie war es in der fernen Vergangenheit? Die Existenz der beiden winzigen Monde, die den Mars umkreisen, stellt Astronomen vor ein besonderes Dilemma. Aus der Nähe ähneln Phobos und Deimos winzigen, unförmigen eingefangenen Asteroiden … aber wie kamen sie in die ordentlichen, ordentlichen Umlaufbahnen, die wir heute sehen?
Phobos (der große Mond) und Deimos werden zusammen vom Mars Express Orbiter der ESA aufgenommen. Kredit : ESA / DLR / FU Berlin
ZU neue Studie durchgeführt vom Institut für Geophysik der ETH Zürich, dem Physikalischen Institut der Universität Zürich und dem United States Naval Observatory veröffentlicht in der Februar-Ausgabe 2021 von Natur: Astronomie dieses Problem vor kurzem mit verblüffenden Ergebnissen angegangen.
Die Umlaufbahn von Phobos und Deimos im Vergleich zu Mars Express und MRO. ESA
Die kuriose Geschichte von zwei Marsmonden
Die beiden Monde des Mars wurden vom amerikanischen Astronomen Asaph Hall mit dem neu installierten 26-Zoll-Refraktor am U.S. Naval Observatory während der günstigen Opposition im August 1877 entdeckt.
Die bloße Anwesenheit der beiden Monde hat im Laufe der Jahre sogar einige ausgefallene Theorien entfacht. Mathematisch veranlagte Theoretiker behaupteten, der Mars sollte schon vor Halls Entdeckung zwei Monde haben, was der exponentiellen Kadenz von Venus (mit Null), Erde (mit einem Mond) und Jupiter (mit vier) entsprach… diese Behauptung taucht bekanntermaßen in Jonathan Swifts Satire von 1726 aufGullivers Reisen, obwohl natürlich die Entdeckung von Jupiters 5NSMond Amalthea im Jahr 1892 durchbrach dieses raffinierte Muster und warf diesen Zufall in den Fußnotenabschnitt der astronomischen Geschichte.
Aber Phobos und Deimos führten auch in den 20er Jahren weiterhin KontroversenNSJahrhundert. Der russische Astronom Iosif Shklovsky machte 1958 sogar die bizarre Behauptung, Phobos sei eine künstliche Raumstation (!) Die allerersten Blicke auf Phobos von Mariner 7 im Jahr 1969 und Deimos von Mariner 9 1971 enthüllte eher ein prosaisch aussehendes Paar natürlicher Weltraumfelsen.
Der 22 Kilometer breite Phobos ist sicherlich einzigartig für Monde: Er umkreist den Mars einmal alle 7 Stunden und 39 Minuten, nur 6.000 Kilometer (3.700 Meilen) über der Oberfläche des Roten Planeten, viel näher als jeder andere Mond im Sonnensystem gegenüber seinem primären Wirt. Dies bedeutet auch, dass Phobos im Gegensatz zu Deimos (und unserem eigenen Mond) den Mars umkreistSchnellerals der Planet rotiert, was bedeutet, dass er von der Oberfläche aus gesehen tatsächlich in der Höhe aufsteigtWestenund setzt in derOst. Der 12 Kilometer (7,5 Meilen) breite Deimos befindet sich knapp über der synchronen Umlaufbahn des Mars und umkreist den Mars einmal alle 30 Stunden und 20 Minuten.
Eine Ursprungsgeschichte für die Monde des Mars
Im Laufe der Jahre haben sich zwei konkurrierende Szenarien herauskristallisiert, um die Existenz des Paares neugieriger Marsmonde zu erklären:
Option 1: Es sind eingefangene Asteroiden. Dies ist jedoch aus der Perspektive der Bahnmechanik nicht wahrscheinlich, da solche Ereignisse eine hohe Energie haben und nicht die sauberen und sauberen Bahnen mit geringer Elliptizität und geringer Bahnneigung erzeugen würden, die wir heute sehen.
Option 2: Die Monde bildeten sich zusammen mit dem Mars früh in der Geschichte des Sonnensystems, möglicherweise aus einem einzigen „Proto-Mond“ oder einem riesigen Einschlag auf dem Mars, ähnlich dem Impaktor, der in der „Theia-Hypothese“ vorgeschlagen wurde, der den großen Mond der Erde bildete.
„Die meisten Monde sind große und runde Objekte, nicht klein und unregelmäßig geformt wie Phobos und Deimos“, sagte Amir Khan (Zürcher Institut für Geophysik)Universum heute. „Deshalb galten die Marsmonde ursprünglich als eingefangene Objekte aus dem nahegelegenen Asteroidengürtel. Aufgrund dynamischer Probleme im Zusammenhang mit erfassten Objekten geriet dieses Szenario jedoch in Ungnade, weshalb In-situ-Formationsmodelle vorgelegt wurden.“
Feine Aspekte der Gesamtmasse der Monde sagen voraus, wie sich ihre Umlaufbahnen entwickeln werden. Gezeitenkräfte wirken im Laufe der Zeit auf die Monde, aber die Gesamtenergie im System bleibt gemäß dem Drehimpulserhaltungssatz insgesamt immer konstant.
„Es gibt eine kritische Höhe, die als Synchronradius bezeichnet wird“, sagte Michael Efroimsky (U.S. Naval Observatory)Universum heute.„Wenn sich der Mond unterhalb des Synchronradius befindet, ziehen die Gezeiten des Planeten den Mond nach unten. Das ist bei Phobos der Fall.“
Die Umlaufbahnen von Phobos und Deimos im Vergleich zum Roche-Limit für Mars und synchrone Umlaufbahnen. Bildnachweis: Dave Dickinson
Für den Mars liegt der Synchronradius in einer Höhe von 17.032 Kilometern (10.583 Meilen) über der Planetenoberfläche. Phobos liegt deutlich unter dieser Grenze, da die Gezeitenkraft des Mars dahinter zurückbleibt und ihn nach unten zieht. Deimos befindet sich über dieser Grenze, und die Gezeitenkraft führt den winzigen Mond und drückt ihn sanft vom Mars nach außen. Die Auswärtsbewegung von Deimos ist winzige 2 Millimeter (0,08 Zoll) pro Jahr, langsamer als die 3,8 Zentimeter (1,5 Zoll) unseres Mondes pro Jahr. Deimos wird während der Lebensdauer unseres Sonnensystems wahrscheinlich nicht vom Mars entkommen.
Das Forscherteam stellte die Frage, wie das Mondsystem Mars in der Vergangenheit ausgesehen haben könnte, basierend auf der Momentaufnahme, die wir heute sehen. Sie entwickelten ein mathematisches Modell der zeitlichen Ausbreitung der Mondbahnen. Der leitende Forscher der Studie Amirhossein Bagheri (Institut für Geophysik, ETH Zürich) führte Hunderte von numerischen Durchläufen der Entwicklung der Bahnen von Phobos und Deimos bis in die ferne Vergangenheit durch.
„Ist es wirklich so sicher, dass ein Körper oberhalb des Synchronradius dazu verdammt ist, wegzufliegen, und einer darunter, zum Planeten zurückzufallen?“ sagt Efroimsky. In Simulationen die Uhr zurücklaufend, stellten die Forscher fest, dass „sich irgendwann in der Vergangenheit die Bahnen von Phobos und Deimos kreuzten“, sagt Efroimsky. Die Studie zitiert einen Zeitraum vor etwa 1 bis 2,7 Milliarden Jahren, als sich die Umlaufbahnen der Monde gekreuzt hätten.
„Der Schnittpunkt der Umlaufbahnen deutet darauf hin, dass die Monde von einem gemeinsamen Vorfahren geboren wurden“, sagt Bagheri. „Der Mutterkörper wurde höchstwahrscheinlich durch einen Impaktor innerhalb der zuvor erwähnten Zeitspanne zerstört. Die stark mit Kratern übersäte Oberfläche des Mars weist darauf hin, dass der Planet von vielen dieser Objekte getroffen wurde.“
Natürlich hängt die Festlegung dieser Zeit davon ab, die genaue Zusammensetzung der Monde zu kennen, um die Auswirkungen der Gezeitenkräfte auf sie im Laufe der Zeit zu verstehen.
Viele, wenn nicht die meisten Asteroiden, die wir aus der Nähe gesehen haben, sind lose „Trümmerhaufen“. Es hängt alles von der Porosität im Vergleich zur Dichte ab: Beide Monde des Mars sind weniger als doppelt so dicht wie Wasser, was darauf hindeutet, dass sie im Inneren sehr locker zusammengesetzt sind. Efroimsky stellt jedoch fest, dass Phobos einen großen buchstäblichen Schlag zugunsten der Haltbarkeit hat: den großen Stickney-Krater an einem Ende des Mondes. Zuerst von Mariner 9 gesehen und nach dem Mädchennamen von Asaph Halls Frau Chloe Angeline Stickney Hall benannt, schaffte es ein so großer Hit nicht wirklich, den Mond zu zerschmettern.
Phobos, aufgenommen vom Orbiter Viking 1 im Jahr 1977. Der Stickney-Krater ist das große Einschlagsbecken an einem Ende. Bildnachweis: NASA.
Ein weiteres Puzzleteil unterstützt auch den Mars-Einschlagursprung für die Monde: a Studie 2018 , die die zitiert Funktion des Borealis-Beckens auf der nördlichen Hemisphäre des Mars als möglicher Ort eines uralten „Protomond“-bildenden Einschlags vor etwa 4,5 Milliarden Jahren sehr früh in der Geschichte des Sonnensystems.
Zu wissen, woraus die Marsmonde bestehen, würde viel dazu beitragen, ihr jeweiliges Schicksal in ferner Zukunft zu kennen. Missionen wie der Mars Express der Europäischen Weltraumorganisation haben beide Monde aus der Nähe aufgenommen. Flybys verleihen Mars Express auch einen leichten Gravitationszug, der es den Forschern ermöglicht, die Massen der beiden Monde zu verfeinern. Neugier sogar mehrere missgestaltete Ringe erwischt Sonnenfinsternisse der Monde im Jahr 2019, was es Astronomen ermöglicht, unser Verständnis der Umlaufbahnen der Monde zu verfeinern.
Phobos durchquert die Sonnenscheibe, wie sie vom Mars Curiosity Rover aus gesehen wird. NASA/JPL.
Wenn Sie am 10. November 2084 zum Mars reisen, können Sie einen Transit der Erde und des Mondes über die Sonnenseite miterleben… zusammen mit einer „Phobos-Finsternis“:
Mars InSight der NASA hat sogar Sonnenfinsternisse „gesehen“ verursacht durch den Durchgang von Phobos in winzigen Senken seines Seismic Experiment for Interior Structure (SEIS)-Instruments… aber es stellt sich heraus, dass diese Ereignisse nicht auf einen Rückgang der Sonnenenergie zurückzuführen waren, sondern auf den Temperaturabfall, der teilweise durch den vorbeiziehenden Mond verursacht wurde die Sonne verdunkeln und den Boden unter dem Lander leicht abkühlen und niederdrücken.
„Um die Bahnen rückwärts zu integrieren, müssen wir Modelle der inneren Strukturen des Mars und seiner Monde anschließen“, sagt Khan. „Hier kommen InSight und Mars Express ins Spiel.“ InSight kann das Innere des Roten Planeten untersuchen, indem es „Marsbeben“ dokumentiert. Forscher können auch die innere Struktur des Mars und die Verformung und Verteilung seiner inneren Masse untersuchen, indem sie die Umlaufbahn der Raumsonde Mars Express sorgfältig analysieren.
Welche Forscher würdenJa wirklichzu tun ist, Lander zu einem oder beiden Monden zu schicken und Proben zur weiteren Untersuchung zur Erde zurückzubringen. Russland versuchte dies mit dem Start der Phobos-Grunt-Mission im Jahr 2011, die aufgrund einer fehlerhaften Fregat-Oberstufe die Erdumlaufbahn nicht verlassen konnte und am 15. Januar 2012 wieder in die Erdatmosphäre eintrat.
Während Russland vage Pläne hat, irgendwann im kommenden Jahrzehnt eine Nachfolgemission von Phobos-Grunt 2 zu versuchen, könnte die japanische Agentur für Luft- und Raumfahrt (JAXA) mit ihrer Mars Moons eExploration (MMX) Mission zur Erforschung des Mars-Mondsystems, die 2024 startet. Der Vergleich und die Gegenüberstellung der Zusammensetzung der beiden Monde könnte ihre Entstehungsgeschichte ein für alle Mal festigen.
Die vorgeschlagene Flugbahn für die MMX-Mission. Kredit: JAXA .
„Eine Analyse davon (eine Musterrücksendung) wird uns dann die Zusammensetzung von Phobos sagen“, sagt Khan. „Wenn sich herausstellt, dass die Zusammensetzung dem Mars ähnelt, deutet dies auf eine In-situ-Bildung hin, während eine andere Zusammensetzung darauf hindeutet, dass die Monde anderswo entstanden sind.“
In die ferne Zukunft
Und ja, während der winzige Deimos vom Mars wegdriftet, ist Phobos dazu verdammt, in ungefähr 40 Millionen Jahren auf den Roten Planeten abzustürzen. Es könnte den Planeten in einem riesigen Stück treffen oder die vom Mars ausgeübten Gezeitenkräfte könnten ihn zuerst in Fetzen reißen. Phobos nähert sich innerhalb des Roche-Limits für den Mars 5.470 Kilometer (3.400 Meilen) über der Oberfläche des Planeten, dem Punkt, an dem die Gezeitenkräfte des Planeten aufgrund der Schwerkraft seine eigene innere Integrität überschreiten. Phobos weist bereits lange Rillen auf seiner Oberfläche auf, ein Beweis für die Bruchbelastung, unter der es derzeit steht. Wenn dies der Fall ist, kann der Mars für mehrere tausend Jahre kurzzeitig einen Ring aus der resultierenden Zerstörung von Phobos tragen, der den Planeten im Okular vielleicht merklich anders aussehen lässt.
Sie können sogar Deimos und Phobos selbst entdecken. Die halbjährliche Opposition für den Roten Planeten ist die beste Zeit, um es zu versuchen ... aber seien Sie gewarnt: Phobos der Größe +11,8 und Deimos der Größe +12,9 sind schwierig zu fangende Objekte, da sie nie weit vom brillanten abweichen -2 Magnitude Mars. Am besten wissen Sie genau, wann ein bestimmter Mond die größte Elongation aufweist, und verwenden ein Okular mit einer Okkultationsleiste, um den Blick auf den leuchtenden Mars zu blockieren.
Es ist erstaunlich, sich vorzustellen, dass wir vielleicht bald wissen, woher die seltsamen Monde des Mars kamen und was ihnen in ferner Zukunft bevorsteht.
Bildnachweis für das Hauptbild:Phobos versus Mars, wie sie der Mars-Express-Orbiter der Europäischen Weltraumorganisation ESA gesehen hat. Bildnachweis: ESA/DLR/Mars Express/Peter Masek
