Phobos and Deimos: Two Moons, From One Supply?

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Phobos

Wenn Sie die Uhr auf das rätselhafte Paar der Marsmonde Phobos und Deimos zurückstellen, erhalten die Forscher Einblick in ihre mögliche Herkunft.

Eine kürzlich durchgeführte Studie liefert entscheidende Hinweise auf die mögliche „Ursprungsgeschichte“ der beiden winzigen Marsmonde Deimos und Phobos.

Die moderne Astronomie liefert uns einen Schnappschuss, einen Blick auf den gegenwärtigen Stand der Dinge im Sonnensystem… aber wie waren die Dinge 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 missgestalteten gefangenen Asteroiden… aber wie sind sie in die ordentlichen Umlaufbahnen gekommen, die wir heute sehen?


Phobos (der große Mond) und Deimos wurden gemeinsam vom Mars Express Orbiter der ESA gefangen genommen. Bildnachweis: ESA / DLR / FU Berlin

Eine neue Studie des Instituts für Geophysik der ETH Zürich, des Physikinstituts der Universität Zürich und des United States Naval Observatory, veröffentlicht in der Februarausgabe 2021 von Nature: Astronomy, hat dieses Problem kürzlich mit interessanten Ergebnissen angegangen.

Phobos und Deimos OrbitDie Umlaufbahn von Phobos und Deimos gegen Mars Express und MRO. ESA

Die seltsame Geschichte zweier Marsmonde

Die beiden Marsmonde wurden vom amerikanischen Astronomen Asaph Hall mit dem neu installierten 26-Zoll-Refraktor am US Naval Observatory während der günstigen Opposition im August 1877 entdeckt.

Die Anwesenheit der beiden Monde hat im Laufe der Jahre sogar einige ausgefallene Theorien ausgelöst. Mathematisch veranlagte Theoretiker behaupteten, der Mars sollte bereits vor Halls Entdeckung zwei Monde haben, passend zur exponentiellen Trittfrequenz von Venus (mit Null), Erde (mit einem Mond) und Jupiter (mit vier). Diese Behauptung taucht bekanntermaßen in Jonathan Swifts 1726er Satire Gullivers Reisen auf Natürlich hat die Entdeckung von Jupiters fünftem Mond Amalthea im Jahr 1892 dieses raffinierte Muster gebrochen und diesen Zufall in den Fußnotenabschnitt der astronomischen Geschichte geworfen.

Aber Phobos und Deimos erregten auch im 20. Jahrhundert weiterhin Kontroversen. Der russische Astronom Iosif Shklovsky machte 1958 sogar die bizarre Behauptung geltend, Phobos sei eine künstliche Raumstation (!), In Anlehnung an einen früheren absichtlichen Aprilscherz, den der Astronomie-Popularisierer Walter Scott Houston begangen hatte. Die allerersten Blicke auf Phobos von Mariner 7 im Jahr 1969 und Deimos von Mariner 9 im Jahr 1971 zeigten eher ein prosaisch aussehendes Paar natürlicher Weltraumfelsen.

Der 22 Kilometer breite Phobos ist sicherlich einzigartig, wenn es um Monde geht: Er umkreist den Mars alle 7 Stunden und 39 Minuten, nur 6.000 Kilometer über der Oberfläche des Roten Planeten, weit näher als jeder andere Mond im Sonnensystem gegen seinen primären Wirt. Dies bedeutet auch, dass Phobos im Gegensatz zu Deimos (und unserem eigenen Mond) den Mars schneller umkreist, als sich der Planet dreht, was bedeutet, dass er von der Oberfläche aus gesehen im Westen tatsächlich steigt und im Osten untergeht. 12 Kilometer breit Deimos befindet sich knapp über der synchronen Umlaufbahn des Mars und umkreist den Mars alle 30 Stunden und 20 Minuten.

Eine Ursprungsgeschichte für die Monde des Mars

Im Laufe der Jahre sind zwei konkurrierende Szenarien entstanden, um die Existenz des Paares neugieriger Marsmonde zu erklären:

Option 1: Sie sind gefangene Asteroiden. Dies ist jedoch aus Sicht der Orbitalmechanik nicht wahrscheinlich, da solche Ereignisse eine hohe Energie aufweisen und nicht die sauberen und ordentlichen Bahnen mit einer geringen Elliptizität und einer geringen Orbitalneigung erzeugen würden, die wir heute sehen.

Option 2: Die Monde bildeten sich zu Beginn der Geschichte des Sonnensystems zusammen mit dem Mars, möglicherweise aus einem einzelnen „Protomond“ oder einem riesigen Aufprall auf den Mars, ähnlich dem in der „Theia-Hypothese“ vorgeschlagenen Impaktor, 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 Khan Amir (Zürich Institute of Geophysics) gegenüber Universe Today. „Aus diesem Grund wurden die Marsmonde ursprünglich als gefangene Objekte aus dem nahe gelegenen Asteroidengürtel betrachtet. Aufgrund dynamischer Probleme im Zusammenhang mit erfassten Objekten geriet dieses Szenario jedoch in Ungnade, weshalb In-situ-Formationsmodelle vorgeschlagen wurden. “

Subtile 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 Gesetz zur Erhaltung des Drehimpulses insgesamt immer konstant.

“Es gibt eine kritische Höhe, die als synchroner Radius bezeichnet wird”, sagte Dr. Michael Efroimsky (US Naval Observatory) gegenüber Universe Today. „Wenn der Mond unter dem synchronen Radius liegt, ziehen die Gezeiten des Planeten den Mond nach unten. Dies ist bei Phobos der Fall. “

Mars MonddiagrammDie Umlaufbahnen von Phobos und Deimos im Vergleich zur Roche-Grenze für Mars und synchrone Umlaufbahn. Bildnachweis: Dave Dickinson

Für den Mars liegt der synchrone Radius auf einer Höhe von 17.032 Kilometern über der Planetenoberfläche. Phobos liegt weit unter dieser Grenze, wobei die Gezeitenkraft des Mars dahinter zurückbleibt und ihn nach unten zieht. Deimos liegt über dieser Grenze, und die Gezeitenkraft führt den winzigen Mond an und drückt ihn sanft vom Mars nach außen. Die Bewegung von Deimos nach außen beträgt winzige 2 Millimeter (0,08 Zoll) pro Jahr und ist langsamer als die 3,8 Zentimeter (1,5 Zoll) unseres Mondes pro Jahr. Deimos wird in der Lebensdauer unseres Sonnensystems wahrscheinlich nicht vom Mars entkommen.

Das Forschungsteam stellte die Frage, wie das Marsmondsystem in der Vergangenheit ausgesehen haben könnte, basierend auf dem Schnappschuss, den wir heute sehen. Sie entwickelten ein mathematisches Modell der Ausbreitung der Umlaufbahnen der Monde über die Zeit. Der leitende Forscher in der Studie Amirhossein Bagheri (Institut für Geophysik, ETH Zürich) führte Hunderte von numerischen Läufen der Entwicklung der Umlaufbahnen von Phobos und Deimos in die ferne Vergangenheit durch.

“Ist es wirklich so sicher, dass ein Körper über dem synchronen Radius dazu verdammt ist, wegzufliegen, und einer unter ihm dazu verdammt ist, auf den Planeten zurückzufallen?” sagt Efroimsky. Die Forscher liefen in Simulationen die Uhr zurück und stellten fest, dass sich „irgendwann in der Vergangenheit die Umlaufbahnen von Phobos und Deimos kreuzten“, sagt Efroimsky. Die Studie zitiert eine Zeitspanne vor etwa 1 bis 2,7 Milliarden Jahren, in der sich die Umlaufbahnen der Monde gekreuzt hätten.

“Der Schnittpunkt der Umlaufbahnen impliziert, dass die Monde von einem gemeinsamen Vorfahren geboren wurden”, sagt Bagheri. „Der Elternkörper wurde höchstwahrscheinlich innerhalb der zuvor genannten Zeitspanne von einem Impaktor gestört. Die stark kraterartige Oberfläche des Mars weist darauf hin, dass der Planet von vielen solchen Objekten getroffen wurde. “

Um diese Zeit festzuhalten, muss man natürlich die genaue Zusammensetzung der Monde kennen, um zu verstehen, welche Auswirkungen Gezeitenkräfte im Laufe der Zeit auf sie haben werden.

Viele, wenn nicht die meisten Asteroiden, die wir aus der Nähe gesehen haben, sind lose Trümmerhaufen aus Steinen. Alles hängt von der Porosität und der Dichte ab: Beide Monde des Mars sind weniger als doppelt so dicht wie Wasser, was darauf hindeutet, dass sie intern sehr locker zusammengesetzt sind. Efroimsky merkt jedoch an, dass Phobos einen großen wörtlichen Schlag zugunsten der Haltbarkeit hat: den großen Stickney-Krater an einem Ende des Mondes. Zum ersten Mal von Mariner 9 gesehen und nach dem Mädchennamen von Asaph Halls Frau Chloe Angeline Stickney Hall benannt, gelang es einem so großen Hit nicht, den Mond zu zerbrechen.

PhobosPhobos wurden 1977 vom Viking 1-Orbiter abgebildet. Der Stickney-Krater ist das große Einschlagbecken an einem Ende. Bildnachweis: NASA.

Ein weiteres Puzzleteil unterstützt auch den Ursprung des Marsaufpralls für die Monde: eine Studie aus dem Jahr 2018, in der das Merkmal des Borealis-Beckens auf der Nordhalbkugel des Mars als möglicher Ort für einen uralten, protomondbildenden Aufprall genannt wird, irgendwann um 4,5 vor Milliarden Jahren sehr früh in der Geschichte des Sonnensystems.

Zu wissen, woraus die Marsmonde bestehen, würde einen großen Beitrag dazu leisten, ihr jeweiliges Schicksal in ferner Zukunft zu kennen. Missionen wie der Mars Express der Europäischen Weltraumorganisation haben beide Monde aus nächster Nähe abgebildet. Vorbeiflüge geben Mars Express auch einen leichten Gravitationsschlepper, der es den Forschern ermöglicht, die Massen der beiden Monde zu verfeinern. Die Neugierde hat 2019 sogar mehrere unförmige ringförmige Sonnenfinsternisse der Monde erfasst, die es den Astronomen ermöglichten, unser Verständnis der Umlaufbahnen der Monde zu verfeinern.

Phobos-SonnenfinsternisPhobos bewegt sich vom Mars Curiosity Rover aus über die Sonnenscheibe. NASA / JPL.

Wenn Sie am 10. November 2084 zum Mars reisen, können Sie einen Transit von Erde und Mond über das Gesicht der Sonne beobachten… zusammen mit einer „Phobos-Sonnenfinsternis“:

Mars InSight der NASA hat sogar Sonnenfinsternisse “gesehen”, die durch den Durchgang von Phobos in winzigen Einbrüchen des SEIS-Instruments (Seismic Experiment for Interior Structure) verursacht wurden. Es stellt sich jedoch heraus, dass diese Ereignisse nicht auf einen Rückgang der Sonnenenergie zurückzuführen waren, sondern Der Temperaturabfall, der durch den vorbeiziehenden Mond verursacht wird, der die Sonne teilweise verdeckt und den Boden unter dem Lander leicht abkühlt und niederdrückt.

„Um die Umlaufbahnen rückwärts zu integrieren, müssen wir Modelle der inneren Strukturen des Mars und seiner Monde einbinden“, sagt Amir. “Hier kommen InSight und Mars Express ins Spiel.” InSight ist die erste dedizierte Geodäsiemission auf dem Mars und kann das Innere des Roten Planeten untersuchen, indem es “Marsbeben” dokumentiert. Die Forscher können auch die innere Struktur des Mars und die Verformung und Verteilung seiner inneren Masse untersuchen, indem sie die Umlaufbahn des Mars Express-Raumfahrzeugs sorgfältig analysieren.

Was Forscher wirklich gerne tun würden, ist, Lander zu einem oder beiden Monden zu schicken und Proben zur weiteren Untersuchung auf die Erde zurückzugeben. Russland versuchte dies mit dem Start der Phobos-Grunt-Mission im Jahr 2011, die die Erdumlaufbahn aufgrund einer fehlerhaften Fregat-Oberstufe nicht verlassen konnte, und trat am 15. Januar 2012 wieder in die Erdatmosphäre ein.

Während Russland vage Pläne hat, irgendwann im kommenden Jahrzehnt eine Folgemission von Phobos-Grunt 2 zu versuchen, könnte die japanische Luft- und Raumfahrt-Explorationsagentur (JAXA) mit ihrer Mission Mars Moons eXploration (MMX) die erste sein, die das Mars-Mond-System erforscht. Der Vergleich und die Gegenüberstellung der Zusammensetzung der beiden Monde könnten ihre Entstehungsgeschichte ein für alle Mal zusammenfassen.

MMX MissionDie vorgeschlagene Flugbahn für die MMX-Mission. Bildnachweis: JAXA.

“Eine Analyse davon (eine Probenrückgabe) wird uns dann die Zusammensetzung von Phobos sagen”, sagt Amir. “Wenn sich herausstellt, dass die Zusammensetzung marsartig ist, deutet dies auf eine In-situ-Bildung hin. Wenn sich die Zusammensetzung unterscheidet, würde dies darauf hindeuten, dass die Monde anderswo entstanden sind.”

In die ferne Zukunft

Und ja, während der winzige Deimos vom Mars wegdriftet, ist Phobos dazu verdammt, in etwa 40 Millionen Jahren auf den Roten Planeten zu stürzen. Es könnte den Planeten in einem riesigen Stück treffen, oder die vom Mars ausgeübten Gezeitenkräfte könnten ihn zuerst in Stücke reißen. Phobos nähert sich innerhalb der Roche-Grenze für den Mars 5.470 Kilometer über der Planetenoberfläche, 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, was auf die Bruchdehnung hinweist, unter der es derzeit steht. In diesem Fall kann der Mars kurzzeitig einen Ring aus der Zerstörung von Phobos für mehrere tausend Jahre tragen, wodurch der Planet auf dem Okular möglicherweise merklich anders aussieht.

Sie können sogar Deimos und Phobos selbst erkennen. Die halbjährliche Opposition für den Roten Planeten ist die beste Zeit, um es zu versuchen… aber seien Sie gewarnt: Phobos der Stärke +11,8 und Deimos der Größe +12,9 sind herausfordernde Objekte, da sie nie weit vom Brillanten entfernt sind -2 Magnitude Mars. Am besten wissen Sie, wann ein bestimmter Mond die größte Dehnung aufweist, und verwenden ein Okular mit einem okkulten Balken, um die Sicht des brillanten Mars zu blockieren.

Es ist erstaunlich zu denken, dass wir vielleicht bald wissen, woher die seltsamen Monde des Mars kamen und was sie in ferner Zukunft erwartet.

Hauptbildquelle: Phobos versus Mars aus Sicht des Mars Express-Orbiters der Europäischen Weltraumorganisation. Bildnachweis: ESA / DLR / Mars Express / Peter Masek

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