日本航天局:为什么我们要探索火星的卫星

Ryuki Hyodo博士分享了背后的科学JAXA即将到来的火星卫星MMX任务，以及这次旅行的独特特点">火星的域。

今年2月，全世界都惊叹地看到三个太空任务相继抵达火星。前两个是轨道飞行器;的阿联酋希望任务它将捕捉火星气候的全球视图，而中国的“天文1号”将专注于火星地质，并计划在火星表面释放一个着陆器和漫游者。三重奏中的第三个是美国国家航空航天局毅力探测器它将在那里寻找过去生命存在的证据，并收集样本，以便将来返回地球。

在ISAS，研究人员特别关注这一进展。再过几年，我们将尝试同样的壮举，访问火星。但对我们来说，目的地不是那颗红色的行星，而是它的两个小卫星。的火星卫星探测(MMX)任务计划于2024财政年度启动。在很大程度上忽略了即将出现的火星，航天器将把它的一套观测仪器集中在火卫一和火卫二的卫星上。该任务计划在火卫一上着陆，收集样本，并于2029年带回地球。科学家们认为，正是这些贫瘠的卫星，包含了太阳系早期的证据，以及下面这颗行星上的宜居性是如何繁荣和消亡的。

Ryuki Hyodo博士是ISAS太阳系科学部的研究员，致力于模拟卫星的形成过程。Hyodo拥有一个独立的itf(国际顶级青年奖学金)职位;一项旨在支持和促进世界各地处于职业生涯早期的有才华的研究人员的计划。他解释说，围绕火卫一和火卫二的第一个谜团是它们是如何形成的。事实上，关于卫星是如何形成的，有两种主要的相互竞争的理论。

“这是捕获源，一个经过的小物体通过引力被火星捕获，”Hyodo解释说。“这是历史上提出的，并由卫星与d型小行星的光谱相似性支持。”

小行星大部分位于火星和火星之间绕太阳运行的“小行星带”中木星．在这一群体中，小行星可以根据其表面反射光的波长的相似性而划分为不同的类型。这个“光谱”与小行星的组成有关。d型小行星以其非常暗的颜色而闻名。d型光反射的微弱光线是较长的红光和红外线波长。

虽然许多不同的小行星现在在小行星带运行，但它们不同的组成表明，早期太阳系的形成位置分布广泛。这对试图绘制资源的创造和移动地图的科学家来说很有趣，尤其是那些生命所需要的水和有机物。

如果火卫一和火卫二是靠近火星并被拉入轨道的d型小行星的例子，那么火卫一的样本可以告诉我们太阳系中第一个有机分子的形成和运输。但并非所有人都相信这种形成情况。

“第二种选择是巨大撞击的起源，”孝社说。“与火星的一次大碰撞喷出了物质，在火星周围形成了一个碎片盘。”

这种撞击可能就是北realis盆地的起源;这是火星上最大的洼地，覆盖了火星表面的40%。较小的盆地，如乌托邦或希腊盆地，也可能产生了足够的碎片来形成卫星。

“即使在较小的盆地形成事件中，撞击速度也是相似的，”Hyodo说。“区别就在于撞击的质量。这导致了类似的冲击喷出物的热力学结果。”

热力学指的是碎片盘中的热能，它决定了一些性质，比如有多少碎片盘的材料熔化了，有多少会蒸发。当火卫一和火卫二碰撞并合并成两个卫星时，由此产生的物质成为了火卫一和火卫二的基石。

圆盘内的形成可以解释火卫一和火卫二在火星赤道附近同一平面上的近圆形轨道。一次巨大的撞击也被认为创造了我们的月球，但由于阿波罗任务返回的月球表面样本，月球存在的证据更加清晰。

“以我们的月球为例，阿波罗号的样本强烈地表明，月球曾经是熔融的，月球和地球的同位素非常相似，”Hyodo解释说。

同位素是同一元素的原子，由于原子中中子的数量不同，其重量略有不同原子的细胞核。两个天体不仅由相似的物质组成，而且同位素的平衡也相同，它们很可能共享共同的构成要素，这支持了来自地球的物质形成月球的撞击假设。巨大碰撞中的能量也会导致熔融物质。

“以火星卫星为例，它们的动力学(轨道)支持巨大的撞击形成，”Hyodo继续说。“然而，如果没有像阿波罗号那样的样本，我们无法确定火星及其卫星上发生了什么。”

人们争论的不仅仅是卫星最初的形成，还有接下来发生了什么。最近的一系列论文对月球在一次巨大的撞击后可能如何发展提出了不同的设想。

“值得注意的是，这些作品都假定了影响情景，”孝社开始写道。“它们之间的区别在于巨大的撞击发生后会发生什么，并影响火卫一的潮汐演变。”

火卫一是火星两个卫星的内部，火卫一正慢慢地被拉向火星表面。这是由于火星的引力通过提高潮汐隆起扭曲了月球，产生了一种拉力，将月球拉向内部。进化的最后阶段很可能是火卫一在与火卫一表面碰撞之前被撕成碎片。在一种可能的场景中，月球不可避免的死亡场景在火星的历史中多次重演。在这次巨大的撞击中形成的第一个内卫星迅速向内旋转，并被火星的引力撕成碎片。这形成了一个新的碎片环，第二代卫星由此诞生。研究表明，在我们今天看到的月球之前，可能有多达五次火卫一的化身。

另一种观点是，火卫一和火卫二曾经是一个单一的天体，但在20亿年前，它们本身受到了一次撞击，并被分裂成两部分。这一设想是基于卫星轨道可能因火星潮汐而发生的变化，具体的模拟仍需进行。

“粒子积累是一个混乱的过程，”Hyodo在描述巨大撞击的碎片盘中形成卫星的计算机模拟时指出。“有时我们只形成一个月亮，有时形成三个月亮。如果一颗卫星最初是在一次巨大的撞击中形成的，后来被摧毁成两半，那么这个故事可能是有可能的。”

MMX航天器收集的火卫一物质样本将为地球上的科学家提供分析火星卫星的机会，就像从阿波罗号的样本中分离出我们自己的月球历史一样。孝社证实，这将有助于解决两种理论之间的简并。

他声称:“如果样本中包含大量火星物质以及挥发性损耗，那么答案是巨大撞击的起源，而不是捕获。”

由Hyodo进行的模拟证实，巨大撞击产生的任何碎片都应该包括大约50%的火星物质，其余的来自撞击者。撞击还会产生强烈的加热(大约2000开尔文或1730°C)，所以容易变成气体(挥发性物质)的元素会蒸发并逸出。

“火卫一的长期进化是一个棘手的部分，”Hyodo承认。“对月球重力场的详细测量以及对其内部结构的观测将是限制火星引力的潮汐如何吸引月球的关键。限制火卫一表面的年龄也很重要，因为每个故事都表明，我们今天所知道的火卫一最终聚集的时间不同。”

火卫一的样本强调捕捉或大碰撞场景将揭示行星如何形成的大量信息。

“如果捕捉场景是正确的，我们将获得原始材料，这将增强我们对这些物质组成的理解，可能包括第一批有机物，”他说。“如果大碰撞的假设被证明是正确的，我们将从古代火星收集样本;从火星发生巨大撞击的时候开始。”

从像月球这么小的天体上，要了解的东西似乎太多了。

“通过MMX，我们将研究一颗微小的卫星，”Hyodo说。“但这不仅与月球有关，还与太阳系的物质和火星的物质有关。”

也许令人惊讶的是，火卫一的样本将不可避免地包含火星过去的部分。这意味着，不管卫星是如何形成的，从MMX带回的样本实际上将是第一个返回的火星样本。

“幸运的是，火卫一的轨道离火星非常近!”Hyodo解释道。“小行星对火星的撞击不断地从火星各处喷射出物质，这些物质可以很容易地转移到火卫一的表面，而不会造成强烈的冲击冲击破坏。”

在地球上收集到的火星陨石是由坚硬的火成岩形成的，从火星发射、行星际旅行和进入大气层进入地球会破坏任何更微妙的东西。但从火星抛射到火卫一上的颗粒发射和飞行要容易得多，甚至连脆弱的有机物也被认为能够存活下来。甚至来自火星古老大气层的离子也被认为被困在火卫一面朝这颗红色星球的那一边。

火星颗粒中的放射性元素能够确定这些颗粒在火星表面形成的时间。这为MMX提供了一个独特的样本，从整个火星表面收集，并在其整个历史日期;这是对地球可能的宜居性和衰落的真实记录。这种收集的可能性是MMX任务专注于卫星而不是行星本身的原因之一。

”">美国国家航空航天局“恒心号”将以惊人的细节研究耶泽罗陨石坑。但信息仅限于Jezero。这可能不是典型的火星整个进化过程。相比之下，MMX收集的喷出物将来自火星表面的任何地方，没有这种偏差，但代价是只有一小部分MMX样本来自火星。因此，MMX和Perseverance将发挥多样性和细节的互补作用，共同努力，我们可以进一步全面了解火星的进化。”