История открытия двух крошечных спутников Марса замечательна тем, что первое упоминание о них содержится в книге Джонатана Свифта «Путешествие Гулливера в Лапуту». Знакомые нам с детства четыре кн/иги Дж. Свифта о путешествиях Гулливера пронизаны сплошным вымыслом, но спустя более чем 150 лет (в 1877 году) спутники Марса, которых, действительно, оказалось два, были открыты А. Холлом.
Их назвали Фобос (греч. φοβος - страх) и Деймос (греч. Δειμος - ужас), да и какие ещё имена можно дать спутникам Марса – бога войны?
Долгие годы астрономам были известны только их орбитальные и некоторые физические параметры.
Серьёзное изучение Фобоса и Деймоса наземными средствами, ввиду их очень малых размеров, было бесперспективно, и первые их подробные изображения были получены космическими средствами. Они были переданы на Землю с космических аппаратов Маринер-9 (Mariner 9) в 1971 году, а также Викинг (Viking) в 1977 году.
Позднее новые фотографии были получены с космических аппаратов Марс Глобал Сервейер (Mars Global Surveyor) в 1998 и 2003 гг., Марс Экспресс (Mars Express) в 2004 и 2010 гг., Марс Реконайсанс Орбитер (Mars Reconnaissance Orbiter) в 2007 и 2008 гг.
В 1989 году Фобос был сфотографирован и с помощью космического аппарата Фобос-2, но об этой космической экспедиции речь будет идти ниже.
Всё сказанное выше о космических исследованиях спутников Марса касается только получения их более или менее подробных фотографий с пролетающих мимо них космических аппаратов.
Первая попытка не только сфотографировать Фобос, но и непосредственно исследовать его со спускаемого на него аппарата была предпринята в нашей стране.
В июле 1988 г. с космодрома Байконур к Марсу стартовали два космических аппарата. Однако главной целью их исследований был не сам Марс, а его спутник Фобос. История экспедиции двух космических аппаратов ФОБОС-1 и ФОБОС-2 оказалась драматической [Sagdeev, Zakharov, 1992]. Уже через месяц полета на трассе Земля-Марс из-за ошибки управления был потерян один из аппаратов – ФОБОС-1. Второй аппарат, идентичный первому продолжал полет. Через семь месяцев после запуска космический аппарат ФОБОС-2 вышел на эллиптическую орбиту вокруг Марса и, после нескольких модификаций, его орбита стала круговой, близкая к орбите – Фобоса. На этапах формирования орбиты космического аппарата проводились научные исследования Фобоса, Марса и околомарсианского пространства. На фиг. 1 - изображение Фобоса на фоне Марса, полученное во время орбитального движения космического аппарата ФОБОС-2 [Аванесов и др., 1989].
- Фиг. 1. Изображения Фобоса на Фоне Марса (данные экспедиции ФОБОС-2)
После фазирования орбит и сближения космического аппарата с Фобосом предполагался сброс двух посадочных аппаратов на поверхность Фобоса для дальнейших «контактных» исследований этого небесного тела. Однако, за несколько дней до этого кульминационного этапа экспедиции, из-за сбоя в системе управления связь с космическим аппаратом была потеряна. Экспедиция закончилась, не выполнив основного своего этапа. Тем не менее, исследования Марса, Фобоса и околомарсианского пространства, выполненные в течение 57 дней на этапе орбитального движения вокруг Марса, позволили получить уникальные научные результаты о тепловых характеристиках Фобоса, о свойствах реголита по его отражательным характеристикам в ИК-диапазоне [Ksanfomality, Moroz, 1995], о плазменном окружении Марса, взаимодействии его с солнечным ветром [Lundin, Zakharov et al., 1989]. Например, по величине потока ионов кислорода, покидающих атмосферу Марса, обнаруженных при помощи спектрометра ионов, установленного на КА ФОБОС-2, удалось оценить скорость эрозии атмосферы Марса из-за взаимодействия с солнечным ветром [см. обзоры Zakharov, 1992; Nagy et al., 2004]. Эти измерения чрезвычайно важны для исследования истории воды на Марсе и марсианской атмосферы. Действительно, до полета ФОБОС-2 об околомарсианском пространстве было известно меньше, чем о свойствах пространства около значительно более удаленных планет - Меркурия, Юпитера, Сатурна. Научные данные космического аппарата ФОБОС-2 до сих пор являются уникальными, они открыли новый этап исследований Марса, который продолжается, хотя и не без потерь, усилиями Американского и Европейского космическими агентствами.
Проект по продолжению исследований Фобоса и доставке на Землю образцов грунта с его поверхности был предложен практически сразу после завершения экспедиции ФОБОС-2. В 1992 году международная группа участников проекта ФОБОС-2 c участием ИКИ РАН, ГЕОХИ РАН, ИПМ РАН, НПО им. С.А. Лавочкина и других организаций предложила реализовать совместный Российско-Американский проект по доставке образцов грунта с Фобоса [Duxbury et.al.]. Это предложение рассматривалось на волне развития российско-американского сотрудничества по космосу по совместной программе «Вместе к Марсу», однако, этот проект не был поддержан. Затем подобные предложения обсуждались еще на нескольких конференциях и в публикациях, в частности [Galeev et.al., 1996; Zakharov, 1998; Zakharov and Sukhanov, 1999, Авдуевский и др.,1999, 2000, Marov et.al.,2004].
В 1998 году Российская академия наук и Федеральное космическое агентство приняли решение продолжить исследования Фобоса и Марса на качественно новом технологическом уровне в крупномасштабном проекте ФОБОС-ГРУНТ, основная цель которого – доставка на Землю образцов грунта с Фобоса для детальных лабораторных исследований.
Чем же интересен Фобос?
Характеристики спутников Марса
Рассмотрим вначале то, что о них сейчас уже известно. По классификации тел Солнечной системы, Фобос - это малое тело, один из двух спутников Марса (второй спутник – Деймос). Изображения Фобоса и Деймоса показывают, что оба они имеют неправильную форму, которая может быть аппроксимирована эллипсоидом, размеры которого для Фобоса составляют 13,3х11,1х9,3 км, для Деймоса – 7,5х6,2х5,2 км (фиг.2).
- Фиг. 2a. Фобос. Изображение получено стереокамерой высокого разрешения (HRSC) с борта космического аппарата ЕКА «Марс Экспресс» (ESA/DLR/FU Berlin)
- Фиг. 2б. Деймос. Компьютерная мозаика по данным, подученным космическим аппаратом «Викинг Орбитер» (NASA).
Большая ось эллипсоидов для обоих спутников направлена на Марс, и оба спутника вращаются вокруг Марса синхронно. Орбиты спутников практически круговые с радиусом 9378 км (2,76 RМ ) и 23459 км (6,9 RМ) для Фобоса и Деймоса, соответственно. Плоскости орбит обоих спутников близки к экваториальной плоскости Марса и наклонены под углом ~240 к плоскости эклиптики. Период обращения Фобоса вокруг Марса 7 час. 39 мин., для Деймоса эта величина составляет 30 час. 21 мин. Учитывая, что продолжительность марсианских суток 24 ч 39,5 мин (мало отличается от земных), Фобос за это время три раза восходит над горизонтом на западе и заходит на востоке.
Наземные измерения параметров орбиты Фобоса показывают, что она медленно меняется - Фобос по очень пологой спирали приближается к Марсу (за каждые 100 лет высота орбиты Фобоса уменьшается на 9 м.). Причинами такого изменения орбиты (векового ускорения) являются приливные потери орбитальной энергии. Орбита Фобоса настолько близка к Марсу, что находится в пределах зоны (т.н. предел Роша), внутри которой приливные силы стремятся его разрушить. Оценки дальнейшей эволюции орбиты Фобоса показывают, что через несколько десятков миллионов лет (мгновение в истории Солнечной системы) спутник неминуемо разрушится и его фрагменты упадут на Марс.
Другой интересной особенностью, связанной с движением Фобоса, является его либрация. Этот спутник является уникальным объектом среди известных синхронно вращающихся спутников планет в Солнечной системе, так как имеет, по-видимому, наибольшую амплитуду либрации. Основной причиной этого является тот факт, что период свободной либрации этого спутника (~10 час.) близок к периоду орбитального вращения (~7,7 час.). По точным измерениям амплитуды либрации можно определить моменты инерции Фобоса, что важно для исследований распределения масс (его внутренней структуры). Точные измерения расстояний от Земли до Фобоса с посадочного аппарата на поверхности Фобоса даст возможность существенно улучшить некоторые параметры орбитальной динамики, в частности, улучшить оценки массы некоторых астероидов, находящихся за орбитой Марса.
Поверхности обоих спутников кратерированы, однако, топографически они сильно отличаются. Фобос имеет множество глубоких почти прямых параллельных борозд 100-200 м шириной и 10-20 м глубиной, природа которых остается дискуссионной. Некоторые из этих борозд имеют длину до 30 км. Почти все эти протяженные полосы начинаются вблизи самого большого кратера на Фобосе – Стикни, размер которого 10 км в диаметре, что составляет более трети диаметра Фобоса. Интересно заметить, что тело, столкнувшееся с Фобосом и оставившее столь крупный кратер на его поверхности, могло привести к катастрофическим результатам - разрушению Фобоса, если бы он обладал очень плотной (консолидированной) внутренней структурой, но то факт, что он не разрушиться, указывает на достаточно пористую внутреннюю структуру Фобоса. Видимо, это на самом деле имеет место, что не противоречит средней плотности Фобоса (1,887 г/см3).
Подобных полос на Деймосе нет. Кратеры там много меньше в диаметре, чем на Фобосе. Основной крупномасштабной морфологической особенностью поверхности Деймоса является его кажущаяся однородность поверхности. Наиболее загадочный вопрос, касающийся морфологических особенностей этих двух спутников – почему поверхности их так сильно различаются и каковы процессы, приведшие к таким характерным особенностям Фобоса?
Спутники Марса представляют особый интерес ввиду своей малости. Дело в том, что все планеты и большинство их спутников за время своей эволюции претерпели в той или иной степени изменения под действием внешних факторов и, что наиболее существенно, в результате эндогенных процессов, таких как вулканизм. Эти процессы коренным образом преобразовали вещество планет и практически «стерли память» о первородном веществе. Принципиально иная ситуация обстоит с малыми телами в Солнечной системе – кометами, астероидами, спутниками планет и, в частности, спутниками Марса. Поверхность Фобоса, по-видимому, представляет собой смесь материала, богатого углистыми соединениями, переработанного космическими излучениями. У этих тел, в силу их малости и обычном содержании в слагающем веществе радиогенных изотопов исключается внутренний нагрев и эндогенная (тектоническая) активность. Поэтому они представляют собой тот исходный первичный материал, близкий к веществу протопланетного облака, из которого образовались планеты Солнечной системы.
Воздействие внешних факторов, таких как солнечный ветер, космические лучи, метеориты, которым подвергаются малые тела, безусловно, модифицируют внешний слой грунта - реголит. Для Фобоса, видимо, существенным фактором, влияющим на свойства реголита, является также близость Марса. Таким образом, исследования реголита малых тел могут дать информацию о ранних этапах образования тел Солнечной системы, происхождении и эволюции планет, в том числе и ранней истории Земли.
Происхождение спутников Марса
Теории происхождения спутников Марса основываются на нескольких противоречивых фактах. С одной стороны, низкое альбедо низкая плотность и ранние спектральные измерения указывают на то, что Фобос может быть захваченным астероидом типа углистых хондритов, каких много во внешнем поясе астероидов, далеко за орбитой Марса. С другой стороны, расчеты эволюции орбит показывают, что захват астероида Марсом маловероятен. Это дает сильные аргументы в пользу того, что формирование спутников Марса происходило вместе с Марсом из концентрического сгущения первичного газопылевого диска на расстоянии орбиты Марса. Но в этом случае состав Фобоса должен отличаться от состава углистых хондритов и быть близок составу обыкновенных хондритов, характерных для области аккреции вблизи Марса.
Безусловно, в процессе эволюции спутники Марса подвергались воздействию различных внешних факторов. Начнем с самого Марса. Существование на Земле SNC метеоритов, которые с высокой степенью вероятности имеют марсианское происхождение, свидетельствуют о том, что выброс материала с поверхности Марса возможен, и, по-видимому, действительно происходил, особенно на ранних этапах эволюции. Часть этого выброшенного материала могла осесть на поверхность Фобоса, привнося тем самым компоненту марсианского вещества в состав реголита Фобоса. При метеорной бомбардировке выбросы из кратеров легко покидают спутники Марса, однако большая часть этого вещества остается в окрестностях Марса на орбитах, близких к их источникам, образуя пылевой тор (подробнее об этом гипотетическом образовании сказано ниже). Значительная часть этого вещества возвращается на поверхность спутников. Другим источником поверхностного материала спутников Марса может быть космическая пыль, захваченная гравитационным полем Марса. Под действием светового давления (эффекта Пойтинга-Робертсона) частицы космической пыли, находящиеся в межпланетной среде вблизи марсианской орбиты, могут изменять свою траекторию и аккретировать на Фобос.
Кроме того, реголит всех безатмосферных тел подвержен бомбардировке частицами космических лучей и солнечного ветра. Процессы образования реголита на малых телах, являющегося результатом воздействия указанных выше факторов, еще не достаточно изучены, однако, следует ожидать, что, несмотря на постоянную бомбардировку микрометеоритами и воздействию солнечного ветра, процессы, происходящие во внешнем слое реголита достаточно хорошо отображают химический состав коренных пород. Поэтому изучение реголита позволит получить сведения не только о реликтовом веществе, из которого сформировались планеты и тела Солнечной системы, но и об условиях их формирования и последующей эволюции.
Как видим, имеющиеся данные о физических и химических характеристиках Фобоса и Деймоса не позволяют сделать выбор между различными теориями происхождения этих тел – либо это захваченные астероиды, либо аккумулированные тела на марсианских орбитах (эволюционная теория), либо это результат столкновения крупного небесного тела с Марсом на ранних стадиях его эволюции. Из-за малого размера, неправильной формы и спектральных отражательных характеристик марсианские спутники часто связывают с астероидными аналогами, населяющими внешний пояс астероидов. Возникает вопрос о том, каковы могли бы быть физические процессы, которые бы объяснили их происхождение, какую роль в их происхождении сыграло гравитационное поле Марса? Ответ на все эти вопросы может дать вклад в понимание происхождение системы спутников Марса и их взаимосвязи с Марсом, что непосредственно связано с генезисом других спутниковых систем. А это, в свою очередь, приближает нас к решению фундаментальной проблемы происхождения и эволюции Земли и планет земной группы.
Наиболее мощным методом исследований реголита являются изучения соотношений состава основных породоборазующих элементов, летучих, изотопного состава. В настоящее время известно соотношение основного элементного состава хондритов и SNC метеоритов марсианского происхождения. Например, соотношение углерода и кремния для обыкновенных хондритов в три раза выше, чем для SNC, а соотношение этих же элементов для углистых хондритов почти в сто раз выше, чем для обычных хондритов. Подобный диагностический метод важно использовать для измерений соотношений других породообразующих элементов, изотопов кислорода, благородных газов. Зная эти соотношения и выполнив детальный анализ исследуемого образца реголита, можно определить его «родословную» и, таким образом, сделать заключение о происхождении тела. Геохронологический анализ (измерения соотношений радиоактивных элементов) позволит определить абсолютный возраст исследуемого вещества.
Значительный интерес представляют исследования характеристик плазмы в окрестности Марса. Плазменные исследования вблизи Марса проводились, начиная с самых первых отечественных миссий к этой планете. До начала работы Европейского спутника Марса «Марс Экспресс» (запуск в 2003 г.) практически все данные о взаимодействии солнечного ветра с плазменным окружением Марса получены с помощью отечественных космических аппаратов [Vaisberg, 1992; Zakharov, 1992]. Правда, достаточно долго оставалась неопределенность в определении собственного магнитного поля Марса, что вызывало сложности в интерпретации плазменных измерений. Американский аппарат Марс Глобал Сервейер, запущенный в 1996 г., смог зарегистрировать наличие сравнительно слабого палеомагнитного поля у Марса [Acuna et.al., 1999]. Учитывая эти последние данные, представляет большой интерес исследовать особенности взаимодействия солнечного ветра с плазменным окружением Марса, которое не похоже ни на Венеру (планета без собственного магнитного поля) ни на Землю (планета с достаточно сильным собственным магнитным полем).
Измерения, характеристик плазменной составляющей околомарсианского пространства, выполненные космическими аппаратами МАРС-5 и ФОБОС-2, указывают на то, что солнечный ветер испытывает возмущения, распространяясь вблизи орбит марсианских спутников [Богданов, 1981; Dubinin et.al., 1990, Sauer at.al., 1995]. На основании этого были сделаны предположения, что на орбитах Фобоса и Деймоса существует повышенная плотность пылевых частиц - пылевой тор. Наиболее вероятно существование пылевого тора связано с выбросом материала с поверхности Марса и Фобоса при бомбардировке их поверхностей микрометеоритами. Недавно выполненный численный анализ показал, что при формировании пылевого тора важную роль играют орбитальные резонансы, вызванные влиянием Марса и вариациями давления солнечной радиации [Krivov and Hamilton, 1997]. Исследование этой проблемы важно не только с точки зрения эволюции реголита на поверхности марсианских спутников, но и для изучения физических условий вблизи Марса при планировании перспективных экспедиций к Марсу.
( по материалам http://stp.cosmos.ru/ )
