火星兩顆衛星原來是同出一源


火星的兩顆天然衛星:火衛一(Phobos)和火衛二(Deimos)自從1877發現以來,一直使到研究人員十分困惑,因為它們非常細小:火衛一的直徑只有二十二公里,是我們月球的直徑一百六十分之一,而火衛二的直徑更小,只有十二公里。蘇黎世聯邦理工學院地球物理研究所的博士生阿米爾侯賽因·巴格里(Amirhossein Bagheri)說:「我們的衛星基本上是球形的,而火星的衛星則非常不規則,像花生一樣。與其它天然衛星相比,火衛一和火衛二看起來更像是小行星。」

這使人們懷疑它們實際上可能是在火星重力場中捕獲的小行星。巴格里表示,這就是問題所在,因為捕獲的天體將遵循繞火星的偏心軌道,並且該軌道將具有隨機傾斜度。與該假設相反,火星衛星的軌道幾乎是圓形的,並在火星的赤道平面內運動。那麼,對火衛一和火衛二當前軌道的解釋是什麼?為了解決這個動態問題,研究人員依靠電腦模擬,。

美國太空總署的洞察號(Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport 運用地震調查、測地學與熱傳導對火星內部進行探測,簡稱 InSight)任務目前正在火星上進行探索,蘇黎世聯邦理工學院參與該計劃:地震台電子設備用於記錄地震和隕石撞擊,該電子設備在蘇黎世聯邦理工學院建造。這些記錄使研究人員可以看到火星球內部,這些數據用於限制我們的計算中火星模型以及火星球內部發生的耗散(dissipate)。

這些結論雖然容易理解,但需要進行廣泛的初步工作。首先,研究人員必須完善描述火星兩顆衛星與火星之間相互作用。現有理論所有的天體都相互施加潮汐力,這些力導致能量轉換的一種形式,稱為耗散,其大小取決於天體的大小,其內部組成以及彼此之間的距離。

蘇黎世大學物理研究所和蘇黎世聯邦理工學院地球物理研究所的高級科學家阿米爾·汗(Amir Khan)說:「想法是追溯火星兩顆衛星軌道及它們的變化。事實證明,火衛一和火衛二的軌道過去似乎相交。這意味著衛星很可能在同一地點,因此起源也相同。 研究人員得出的結論是,當時有更大的天體在火星上運行。最初的衛星可能由另一顆天體擊中,並因此分解。火衛一和火衛二是這顆撞毀了的火星衛星殘留物。

其它火星探測太空船的照片和測量結果顯示,火衛一和火衛二由非常多孔穴的材料製成。它們的密度小於每立方厘米2克,遠低於地球的平均密度每立方厘米5.5克。阿米爾·汗懷疑,火衛一內部有很多空隙,裡面可能裝有冰水,這就是潮汐造成大量能量消散的地方。

利用這些發現及對潮汐影響的精確理論,研究人員進行了數百次電腦模擬,追踪衛星的軌道向後(早期歷史)移動,直到它們到達相交點(即火衛一和火衛二出生的那一刻)。根據模擬,該時間點在過去的一億到二十七億年之間。確實的時間取決於火衛一和火衛二的物理特性,即是它們的多孔隙特性。計劃於2025年發射的日本探測太空船將探索火衛一,降落它的表面,鑽取土壤樣本,然後送回地球。研究人員希望這些樣本能夠提供有關火星衛星內部的必要細節,從而能夠更精確地計算它們的起源。

他們計算得出的另一件事是,火衛一和火衛二的共同祖先比火衛一離火星更遠。研究人員解釋說,雖然較小的火衛二仍然停留在它出現的地方,但潮汐力正在將較大的火衛一拉近火星,而且這個過程仍在進行中。他們的電腦模擬還顯示這兩顆衛星的未來發展。似乎火衛二會非常緩慢地離開火星,就像我們的月亮正慢慢從地球離去一樣。然而,火衛一將在不到四千萬年的時間內墜入火星,或者在接近火星時受到重力破壞,變成火星環。

【圖、文:節譯自瑞士蘇黎世聯邦理工學院2021年2月22日新聞公佈】研究全文刊登在2021年2月22日出版的《自然-天文學》期刊

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