Popularnonaukowe

Fobos i Deimos – o dwóch kartoflach na orbicie Marsa

O Czerwonej Planecie powiedziano już wszystko. Sam poświęciłem naszemu sąsiadowi z dziesięć artykułów, rozprawiając o jego strukturze, atmosferze, eksploracji oraz szansach na przyszłą kolonizację. Jednak jakoś nigdy nie skupiłem się na dwóch niepozornych księżycach Marsa: Fobosie i Deimosie.

byAdam Adamczyk

26/02/2023

6 minute read

7 komentarzy

Wielki teleskop i motywująca żona

Wiele osób nawet nie zdaje sobie sprawy, że nasz rdzawy sąsiad w ogóle posiada parę naturalnych satelitów. Serio, ile razy nie słyszałbym w jakimś teleturnieju pytania o kosmicznych towarzyszy Marsa, tyle razy ktoś się na nim wykłada. Nie jest to aż takie dziwne, bo Fobos i Deimos nie prezentują się zbyt szykownie i daleko im choćby do majestatu naszego, jasnego i krągłego Księżyca. Przypominają one raczej dwa grubo ciosane kartofle, przyozdobione bruzdami, żłobieniami i nieproporcjonalnymi kraterami. Uroku nie dodają im również mikre gabaryty, nieprzekraczające 22,5 i 12 kilometrów.

Oba księżyce Marsa są tak niewielkie, że do końcówki XIX stulecia w ogóle nie zdawaliśmy sobie sprawy, że po orbicie Marsa coś krąży – a przecież znaliśmy już wtedy doskonale niektórych towarzyszy znacznie odleglejszych gazowych olbrzymów. Prosty teleskop, który posłużył Galileuszowi do obserwacji Io, Ganimedesa, Kallisto i Europy, nie miał fizycznej możliwości uchwycenia tak skromnych kamyczków jak Fobos i Deimos, które pozostawały w ukryciu przez kolejne dwa stulecia. Odkrycia dokonał latem 1877 roku Asaph Hall, obsługujący Obserwatorium Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych w Waszyngtonie. Amerykanin wykorzystał fakt, że Mars znajdował się w tamtym momencie w minimalnej odległości od Ziemi, wynoszącej 55 milionów kilometrów.

Ile księżyców ma Mars? — Dwa księżyce Marsa: mierzący 22,5 km średnicy Fobos i mniej więcej połowę mniejszy Deimos.

Jak dowiadujemy się z zapisków Halla, nawet nowoczesny sprzęt i sprzyjające warunki nie dawały bynajmniej gwarancji sukcesu. W decydującą noc niecierpliwy astronom podobno szybko stracił nadzieję na dokonanie jakiegoś ciekawego odkrycia, ale kontynuował pracę za usilną namową swojej żony.

Angelina Stickney Hall – sufrażystka i uzdolniona matematyczka, którą Asaph poznał na studiach – wykazała się doskonałą intuicją. Po kilku żmudnych godzinach 66-centymetrowy teleskop zarejestrował ślady dwóch drobnych obiektów obiegających Marsa po zaskakująco ciasnych orbitach. Na pamiątkę tamtych wydarzeń, największy, 9-kilometrowy krater Fobosa nosi nazwę Stickney. (Według jednej z anegdot kobieta poprosiła również o honorarium analogiczne do wynagrodzeń otrzymywanych przez męskich współpracowników jej męża. Tu jednak usłyszała odmowę…).

Księżyce Marsa odkrył Asaph Hall — Asaph Hall i sprzęt, który umożliwił mu odkrycie ile księżyców ma Mars.

Maleńki Deimos i żwawy Fobos

Niektórych może zdziwić fakt, że aż siedem innych kraterów Fobosa obdarzono imionami bohaterów powieści Podróże Guliwera. Wszystko dlatego, że autor książki przygodowej, Jonathan Swift, miał wyjątkowego nosa i przewidział istnienie dwóch księżyców Marsa na 150 lat przed badaniami Halla. Jak tego dokonał? Myśliciele tamtej epoki przyjmowali następujące rozumowanie: Jowisz obiegają cztery obiekty (tyle wówczas znano), Ziemię jeden, więc leżący między Jowiszem a Ziemią Mars powinien posiadać dwa sztuczne satelity. Logika prosta, tak naprawdę oparta o kompletnie fałszywe przesłanki, ale szczęśliwie okazała się strzałem w dziesiątkę.

Wracając do wydarzeń z 1877 roku, profesor Hall z początku niedowierzał własnym oczom. Prosił swoich asystentów o dyskrecję, obawiając się potencjalnej pomyłki. Zastanawiało go nie tylko to, że nagle odkrył aż dwa ciała niebieskie, ale również był zaskoczony faktem, że w niczym nie przypominały one ziemskiego Księżyca.

Przez kilka dni wewnętrzny księżyc był zagadką. Pokazywał się tej samej nocy po obu stronach planety i początkowo myślałem, że są dwa lub trzy wewnętrzne księżyce, ponieważ zdawało mi się to nieprawdopodobne, aby satelita mógł obiegać swoją planetę w czasie krótszym, niż ona sama obraca się wokół własnej osi. (…) Mieszkańcowi Marsa te dwa księżyce ukazują się w sposób szczególny. Szybki ruch wewnętrznego księżyca sprawia, że wschodzi on na zachodzie, a zachodzi na wschodzie i w tym czasie, spotykając się i mijając po drodze księżyc zewnętrzny, przechodzi wszystkie swoje fazy.
Asaph Hall

Dziś wiemy dokładnie, że Fobos i Deimos suną zaledwie 9 tys. i 23 tys. kilometrów nad rdzawą powierzchnią swojej planety. To naprawdę nisko. Gdyby ten pierwszy obiegał Ziemię, znajdowałby się ponad czterdziestokrotnie bliżej od Srebrnego globu i dwukrotnie bliżej od choćby urządzeń systemu GPS. Na dodatek jego średnia prędkość orbitalna wynosi aż 7600 km/h, czyli dwukrotnie więcej od prędkości naszego Księżyca. W efekcie ruch wirowy Czerwonej Planety “nie nadąża” za ruchem obiegowym swojego satelity. Daje to zabawne zjawisko, gdzie Fobos wschodzi na marsjańskim zachodzie i to aż dwukrotnie na dobę, ponieważ wykonanie pełnej rundki dookoła globu zajmuje mu zaledwie 11 godzin i 6 minut.

Fobos i Deimos odległości — Porównanie odległości w układach Ziemia-Księżyc oraz Mars-Fobos-Deimos.

Jednak mimo niezwykłych (z naszego punktu widzenia) popisów na niebie, marsjańskie kamyki zdecydowanie nie są w stanie konkurować z naszym naturalnym satelitą, pod względem prezencji na nieboskłonie. Spacerujący po Czerwonej Planecie pasjonat astronomii mógłby w ogóle przeoczyć Deimosa, niewiele wyraźniejszego od odległych gwiazd; z kolei większy i bliższy Fobos okazałby się mniej więcej o 2/3 mniejszy od tarczy ziemskiego Księżyca. A i to przy zastrzeżeniu, że obserwator przystanie w optymalnym miejscu i spojrzy w górę, kiedy obiekt znajdzie się dokładnie nad jego głową.

Dla Ziemianina może to brzmieć dziwnie, bo nasz satelita jest tak dorodny i orbituje na tyle daleko, że jego rozmiary kątowe na niebie są zwykle bardzo podobne. Z Fobosem sprawy mają się odmiennie: frunie tak nisko nad równikiem, że z wyższych szerokości geograficznych wydaje się znacznie mniejszy, natomiast z okolic polarnych w ogóle nie daje się go obserwować, albowiem pozostaje wiecznie schowany za horyzontem.

A jak to wszystko wygląda z perspektywy łazików? Tu np. Fobos uchwycony na fotografii wykonanej przez *Curiosity*, przebywającego niedaleko na południe od marsjańskiego równika.

Księżyce Marsa to uchodźcy z pasa planetoid?

Wszystkie te nieprzeciętne cechy obu satelitów wynikają z ich równie nieprzeciętnej genezy. Nie trzeba być profesorem astronomii, aby zacząć podejrzewać, że koślawe i poobijane kosmiczne skały o niewielkich rozmiarach, mogą mieć coś wspólnego z Pasem Planetoid, wypełniającym przestrzeń między Marsem i Jowiszem. Wręcz naturalne wydaje się założenie, że Fobos oraz Deimos to zabłąkane asteroidy, które miliony lat temu wpadły w grawitacyjne sidła Czerwonej Planety.

Proste rozwiązania są często najlepsze, jednak nawet tak oczywista hipoteza ma swoje problemy. Co prawda Jowisz czy Saturn przechwytują pobliskie planetoidy, stale poszerzając swoje kolekcje – ale mowa o gazowych olbrzymach, tysiące razy masywniejszych od Marsa. Scenariusz, w którym drobna skalista planeta zdołała złapać na grawitacyjne lasso dwie planetoidy i zatrzymać je przy sobie, musiałby być wyjątkowy i stanowić zdecydowane odstępstwo od reguły. Podejrzane wydają się także regularne, niemal doskonale kołowe (nawet bardziej niż w przypadku naszego Księżyca) orbity obu ciał.

Dlatego też mijają lata, a w branżowych periodykach wciąż pojawiają się świeże propozycje astronomów usiłujących rzucić nieco światła na przeszłość Fobosa i Deimosa (nie przesadzam, pod tekstem znajdziecie namiary na prace pochodzące z 2020 i 2021 roku). Jedna z ostatnich hipotez zakłada, że dawny Mars otaczał cały pierścień materii. Doszłoby tu więc do czegoś przypominającego procesy planetotwórcze towarzyszące młodemu Układowi Słonecznemu. Niewielkie skrawki skał ulegały zderzeniom i powolnemu łączeniu, pozostawiając po sobie dwa znane nam ciała. Inni naukowcy przekonują znowuż, że powstanie Fobosa i Deimosa mogło przypominać początki ziemskiego Księżyca. Według nich obiekty powstały z materii Marsa, wykopanej aż na orbitę podczas jakiejś solidnej kolizji z dość dużym obiektem o średnicy około 500 kilometrów – porównywalnym z planetą karłowatą Ceres. W grę wchodzi również kombinacja obu hipotez, to znaczy ulepienie satelitów z okruchów marsjańskiego pierścienia, wyrzuconych wcześniej w przestrzeń na skutek kosmicznej katastrofy.

Jak widać mamy jeszcze sporo do ustalenia. Byłoby znacznie łatwiej, gdyby jeden z niewielu projektów dedykowanych bezpośrednim badaniom Fobosa – rosyjska misja Fobos-Grunt – wykonała zamierzone cele. Niestety wystrzelona w 2012 roku sonda doznała awarii zaraz po opuszczeniu atmosfery i nigdy nie dotarła w okolice Marsa. Ale być może to, czego nie potrafili Rosjanie, uda się za jakiś czas Japończykom. Zaplanowana na 2024 rok misja Martian Moons eXploration (MMX), nie tylko przeleci blisko Deimosa, ale również wyląduje Fobosie, a nawet pobierze próbki, z którymi powróci do domu. Azjaci to prawdziwi artyści w badaniach niedużych kosmicznych skał (np. lądowanie sondy Hayabusa 2 na powierzchni planetoidy Ryugu), więc mamy prawo z optymizmem wyczekiwać startu misji.

Misja Martian Moons eXploration — Grafika koncepcyjna przedstawiająca planowaną japońską misję MMX.

Jeden ucieknie, drugi rąbnie

Tyle jeśli chodzi o przeszłość marsjańskich satelitów. A co z ich przyszłością? Na pewno nie będzie nudna. Deimos powolutku i niepostrzeżenie oddala się od swojej planety. Trudno wyrokować, ale istnieje szansa, że kiedyś ucieknie na orbitę okołosłoneczną.

Fobos dokładnie odwrotnie, co roku znajduje się o 1,8 centymetra bliżej powierzchni Czerwonego Globu. Nie ma wątpliwości, że pewnego dnia siła ciążenia doprowadzi w tym przypadku do widowiskowego kataklizmu. Mierząca 22 kilometry skała albo po prostu grzmotnie z impetem w Marsa, albo ulegnie rozerwaniu na skutek grawitacyjnych sił pływowych, przy przekraczaniu granicy Roche’a (jak na ironię, jeden z kraterów księżyca nosi imię astronoma Édouarda Roche’a). W takim wypadku, materia Fobosa uformuje na wysokości 7 tysięcy kilometrów skromny pierścień, którego elementy będą co jakiś czas wpadać w marsjańską atmosferę.

Bez względu na to, który z powyższych scenariuszy okaże się poprawny, przed upływem 50 milionów lat Mars najpewniej zostanie pozbawiony co najmniej jednego ze swoich małych towarzyszy. W skali kosmicznej, to jak z bicza strzelił.