Wielkie zderzenie – skąd się wzięły księżyce Marsa?

Chronologia zdarzeń, które mogły doprowadzić do powstania Fobosa i Deimosa. W Marsa uderza protoplaneta o rozmiarach 1/3 rozmiarów Marsa (1). W ciągu kilku godzin powstaje dysk odłamków wokół Marsa. Podstawowe elementy Fobosa i Deimosa (ziarna o średnicy mniejszej od mikrometra) kondensują się bezpośrednio z gazu w zewnętrznej części dysku (2). Z dysku odłamków wkrótce bardzo blisko Marsa powstaje księżyc, który stopniowo oddala się od Marsa propagując swoje dwa obszary wpływu dynamicznego niczym zmarszczki (3), które prowadzą w ciągu kilku tysięcy lat do akrecji mniejszych odłamków w dwa księżyce - Fobosa i Deimosa (4). Wskutek oddziaływań pływowych ze strony Marsa duży księżyc opada z powrotem na powierzchnię planety w ciągu 5 milionów lat (5), a Fobos i Deimos przyjmują swoje obecne położenie (6). Źródło: Antony Trinh / Royal Observatory of Belgium
Chronologia zdarzeń, które mogły doprowadzić do powstania Fobosa i Deimosa. W Marsa uderza protoplaneta o rozmiarach 1/3 rozmiarów Marsa (1). W ciągu kilku godzin powstaje dysk odłamków wokół Marsa. Podstawowe elementy Fobosa i Deimosa (ziarna o średnicy mniejszej od mikrometra) kondensują się bezpośrednio z gazu w zewnętrznej części dysku (2). Z dysku odłamków wkrótce bardzo blisko Marsa powstaje księżyc, który stopniowo oddala się od Marsa propagując swoje dwa obszary wpływu dynamicznego niczym zmarszczki (3), które prowadzą w ciągu kilku tysięcy lat do akrecji mniejszych odłamków w dwa księżyce – Fobosa i Deimosa (4). Wskutek oddziaływań pływowych ze strony Marsa duży księżyc opada z powrotem na powierzchnię planety w ciągu 5 milionów lat (5), a Fobos i Deimos przyjmują swoje obecne położenie (6). Źródło: Antony Trinh / Royal Observatory of Belgium

Skąd się wzięły dwa naturalne księżyce Marsa – Fobos i Deimos? Od długiego czasu ich kształt wskazywał, że są to planetoidy przechwycone przez Marsa. Niemniej jednak kształt i charakterystyka ich orbit zdają się przeczyć tej hipotezie. Dwa niezależne i wzajemnie się uzupełniające badania przynoszą jednak nowe odpowiedzi. Jedno z tych badań, które zostanie opublikowane w periodyku The Astrophysical Journal  i przeprowadzone głównie przez naukowców z CNRS oraz Aix-Marseille Universite uznaje za niemożliwą teorię o przechwyceniu planetoid i wskazuje, że jedynym scenariuszem zgodnym z charakterystyką powierzchni Fobosa i Deimosa jest ten mówiący o olbrzymim zderzeniu. W ramach drugiego badania, zespół badaczy z Francji, Belgii i Japonii wykorzystał najnowsze symulacje cyfrowe do sprawdzenia czy księżyce były w stanie powstać z odłamków po gigantycznej kolizji między Marsem a protoplanetą o rozmiarach 1/3 rozmiarów Marsa. Te badania, będące wynikiem współpracy między naukowcami z Universite Paris Diderot i Royal Observatory of Belgium oraz CNRS, Universite de Rennes i japońskim instytutem ELSI, zostały opublikowane 4 lipca 2016 roku w periodyku Nature Geoscience.

Pochodzenie dwóch księżyców Marsa – Fobosa i Deimosa – od zawsze było owiane tajemnicą. Pod względem rozmiarów i nieregularnego kształtu bardzo przypominały planetoidy, jednak nikt nie rozumiał w jaki sposób Mars mógł je przechwycić i umieścić na niemal kołowej i równikowej orbicie. Alternatywna teoria mówi, że pod koniec okresu formowania Marsa doszło do kolizji Marsa z protoplanetą: jednak dlaczego odłamki z takiego zderzenia doprowadziły do powstania dwóch małych satelitów zamiast jednego dużego – tak jak to było w przypadku Ziemi? Trzecia możliwość to uformowanie się Fobosa i Deimosa w tym samym czasie co formował się Mars, na co wskazuje podobny skład chemiczny do Marsa, choć niska gęstość księżyców przeczą tej hipotezie. Dwa niezależne badania wykazały teraz, że księżyce Marsa musiały powstać wskutek gigantycznej kolizji.

W ramach jednego z projektów badawczych, zespół badaczy z Belgii, Francji i Japonii po raz pierwszy stworzyło kompletny scenariusz powstania Fobosa i Deimosa – w którym to księżyce powstały wskutek kolizji Marsa z protoplanetą o rozmiarach 1/3 rozmiarów Marsa jakieś 100-800 milionów lat po rozpoczęciu procesu formowania się Marsa. Według naukowców, odłamki powstałe z kolizji doprowadziły do powstania bardzo szerokiego dysku wokół Marsa, złożonego z gęstej wewnętrznej części oraz bardzo rzadkiej zewnętrznej części składającej się głównie z gazu. W wewnętrznej części dysku powstał księżyc 1000 razy większy od Fobosa, którego już aktualnie nie ma. Grawitacyjne oddziaływania tego masywnego obiektu na zewnętrzną część dysku stopniowo doprowadziły do powstania dalszych, mniejszych księżyców. Po kilku tysiącach lat Mars otoczony był grupą około dziesięciu małych księżyców i jednego masywnego księżyca. W ciągu kilku milionów lat pływowe oddziaływania ze strony Marsa sprawiły, że większość księżyców opadła z powrotem na planetę, włącznie z bardzo dużym księżycem. Przetrwały tylko dwa najodleglejsze księżyce – Fobos i Deimos.

Ze względu na złożoność procesów fizycznych, żadna symulacja cyfrowa nie jest w stanie odtworzyć całego procesu. Zespół Pascala Rosenblatt i Sebastiena Charnoz połączył zatem trzy kolejne symulacje obejmujące kolizję, dynamikę odłamków powstałych w kolizji i ich akrecję w księżyce, a następnie długofalową ich ewolucję.

W ramach drugiego badania, naukowcy z Laboratoire d’astrophysique de Marseille (CNRS/Aix-Marseille Universite) wyeliminowali możliwość powstania księżyców wskutek przechwycenia obiektów z Pasa Planetoid opierając się na argumentach statystycznych bazując na różnorodności składu chemicznego w Pasie Planetoid. Co więcej, naukowcy wskazują, że sygnatura promieniowania emitowanego przez Fobosa i Deimosa nie zgadza się z pierwotną materią, z której uformował się Mars. Tym samym naukowcy skłaniają się ku scenariuszowi mówiącemu o kolizji.  Sygnatura światła odbittego od księżyców wskazuje, że są one zbudowane z pyłu o bardzo niewielkich ziarnach (mniejszych od 1 mikrometra).

Jednak bardzo małego rozmiaru ziaren na powierzchni Fobosa i Deimosa nie można, według naukowców, wytłumaczyć erozją wskutek bombardowania pyłem międzyplanetarnym. Oznacza to, że oba księżyce od początku składały się z bardzo drobnych ziaren, które mogą powstać tylko wskutek kondensacji gazu w zewnętrznych obszarach dysku odłamków. Oba badania zgadzają się w tym względzie. Co więcej, powstanie obu księżyców z tak drobnych ziaren może być odpowiedzialne za dużą wewnętrzną porowatość, która z kolei tłumaczy ich zaskakująco niską gęstość.

Wizja artystyczna potężnej kolizji wskutek której powstały Fobos i Deimos oraz basen Borealis. W tym czasie Mars był młody i posiadał gęstą atmosferę oraz ciekłą wodę na powierzchni. Źródło: Universite Paris Diderot / Labex UnivEarthS
Wizja artystyczna potężnej kolizji wskutek której powstały Fobos i Deimos oraz basen Borealis. W tym czasie Mars był młody i posiadał gęstą atmosferę oraz ciekłą wodę na powierzchni. Źródło: Universite Paris Diderot / Labex UnivEarthS

Teoria mówiąca o potężnej kolizji, którą potwierdzają oba te niezależne badania, może także tłumaczyć dlaczego północna półkula Marsa charakteryzuje się niższą średnią wysokością niż półkula południowa: basen Borealis stanowi najprawdopodobniej pozostałość po olbrzymiej kolizji – tej, która prowadziła do powstania Fobosa i Deimosa.

Nowe obserwacje wkrótce umożliwią uzyskanie kolejnych informacji o wieku i składzie chemicznym księżyców Marsa. Japońska agencja kosmiczna JAXA postanowiła wysłać w 2022 roku misję Mars Moons Exploration (MMX), której celem będzie przesłanie na Ziemię w 2027 roku próbek z Fobosa. Analiza tych próbek może potwierdzić lub zaprzeczyć temu scenariuszowi. Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) planowała podobną misję w 2024 roku.

Źródło: CNRS