Откуда взялись два естественных спутника Марса, Фобос и Деймос? Долгое время, из-за их формы, считали, что это астероиды, захваченные Марсом. Но направление орбит противоречило этой гипотезе. Чтобы ответить на этот вопрос, было проведено два независимых и сложных исследования. Одно из этих исследований, опубликованное в The Astrophysical Journal, исключает возможность захвата астероидов и показывает, что единственный сценарий, который мог бы объяснить свойства поверхности Фобоса и Деймоса — это ужасное столкновение.

Второе исследование, проведенное группой французских, бельгийских и японских исследователей, включало цифровое моделирование, которое показало, как именно эти спутники могли образоваться из обломков после столкновения Марса с протопланетой в три раза меньше. Это исследование, ставшее результатом сотрудничества ученых из Университета Дидро в Париже и Королевской обсерватории в Бельгии, было опубликовано 4 июля в журнале Nature Geoscience.

Происхождение двух марсианских лун, Фобоса и Деймоса, оставалось загадкой. Из-за их небольшого размера и неправильной формы они сильно напоминали астероиды, но никто не понимал, как Марс мог «захватить» их и превратить в спутники с практически круглыми экваториальными орбитами. Согласно одной из конкурирующих теорий, к концу своего формирования Марс пережил мощнейшее столкновение с протопланетой: но почему обломки от этого столкновения образовали два небольших спутника, а не один большой, вроде нашей Луны? Третий вариант заключается в том, что Фобос и Деймос образовались в то же время, что и Марс, что объяснило бы их схожий с марсианским состав, но их низкая плотность не совсем подходит для этой гипотезы. Два независимых исследования, похоже, решили эту загадку: марсианские луны появились вследствие столкновения.

Группа бельгийских, французских и японских ученых впервые предложила полный и согласованный сценарий формирования Фобоса и Деймоса, которые должны были появиться после столкновения Марса с древним телом в три раза меньше Красной планеты, спустя от 100 до 800 миллионов лет после ее формирования. По мнению ученых, обломки от этого столкновения образовали весьма широкий диск вокруг Марса, состоящий из плотной внутренней части сливающегося вещества и тонкого внешнего края преимущественно из газа. Во внутренней части этого диска образовалась луна в тысячу раз меньше Фобоса, которая с тех пор исчезла. Гравитационное влияние, оказываемое на внешний диск, постепенно привело к тому, что обломки в нем собрались в другие, небольшие и удаленные луны. Через несколько тысяч лет Марс оказался окруженным группой примерно из десяти небольших спутников и одного спутника побольше. Через несколько миллионов лет, как только диск мусора рассеялся, приливные эффекты Марса вернули большую часть этих спутников на планету, включая и тот, что побольше. Остались только две небольшие луны, Фобос и Деймос.

Хронология событий, которые могли создать Фобос и Деймос. Марс сталкивается с протопланетой в три раза меньше его (1). За несколько часов образуется диск обломков. Элементарные строительные блоки Фобоса и Деймоса (песчинки размером с микрометр) конденсируются из газа во внешней части диска (2). Очень скоро диск мусора образует луну вблизи Марса, которая движется прочь и распространяет «рябь» (3), которая через несколько тысяч лет приводит к тому, что дисперсные обломки собираются в две небольших луны, Фобос и Деймос (4). Под действием приливного влияния Марса крупная луна падает на планету уже через пять миллионов лет (5), в то время как Фобос и Деймос занимают свое нынешнее место на следующие миллиарды лет (6).

Из-за обилия вовлеченных в этот процесс физических явлений никакое цифровое моделирование не сможет показать весь процесс. Поэтому Паскалю Розенблатту и Себастьену Шарно с их командой пришлой совместить три успешные и подробные модели, чтобы принять во внимание физику гигантского столкновения, динамику обломков от этого столкновения и их аккрецию с образованием спутников, а также долгосрочную эволюцию этих спутников.

Во втором исследовании ученые из Марсельской лаборатории астрофизики исключают возможность захвата астероидов на основании статистических аргументов, собранных из композиционного разнообразия пояса астероидов. Кроме того, они показывают, что световая сигнатура, излучаемый Фобосом и Деймосом, несовместима со световой сигнатурой первичного вещества, из которого сформировался Марс. Поэтому вероятен сценарий столкновения. Световые сигнатуры показывают, что спутники Марса состоят из мелкозернистой пыли (размером меньше микрометра).

Правда, один только размер пылинок на поверхности Фобоса и Деймоса нельзя считать следствием бомбардировки межпланетной пылью. Спутники изначально должны были состоять из очень мелких частиц, которые могли образоваться из конденсации газа во внешней части диска обломков (а не из магмы, присутствующей во внутренней части). В этом оба исследования сходятся. Образование марсианских лун из мелких частиц могло бы объяснить высокую внутреннюю пористость, которая, в свою очередь, объясняет низкую плотность лун.

Теория гигантского столкновения, подтвержденная этими двумя исследованиями, может объяснить, почему высота северного полушария Марса ниже южного полушария: бассейн Бореалис, вероятнее всего, служит отпечатком гигантского столкновения. Также она может объяснить, почему у Марса два спутника, а не один. Дело в том, что в момент появления система спутников зависела от скорости вращения планеты; в то время Земля вращалась быстро (один оборот меньше чем за четыре часа), а Марс вращался в шесть раз медленнее.

Новые наблюдения в скором времени позволят нам больше узнать о возрасте и составе марсианских спутников. Японское космическое агентство (JAXA) приняло решение в 2022 году запустить миссию исследования марсианских лун, которая вернет образцы Фобоса на Землю к 2027 году. Их анализ может подтвердить или опровергнуть этот сценарий. Европейское космическое агентство запланировало аналогичную миссию в 2024 году совместно с Роскосмосом.