日本航天局:为什么我们要探索火星的卫星

MMX飞船降落到火卫一表面

MMX航天器降落到火卫一表面的艺术印象(基于FY2019年的航天器设计)。来源:日本

Ryuki Hyodo博士分享了背后的科学JAXA即将进行的火星卫星MMX任务,以及此次火星之旅的独特之处">火星的域。

今年2月,全世界都怀着敬畏的心情注视着三次太空任务接二连三地抵达火星。前两个是轨道飞行器;这个阿联酋希望任务这将捕捉到火星气候的全球视野,以及中国的天文1号,重点关注火星地质,并计划向火星表面发射着陆器和漫游车。三人中的第三人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。

Ryuki Hyodo

Ryuki Hyodo博士。信贷:JAXA

在ISAS,研究人员以特别敏锐的注意力观察了这一进展。在短短几年后,我们将尝试同样的壮举,参观火星圈。但对我们来说,目的地不是这颗红色行星,而是它的两颗小卫星火星卫星探测(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。

“有一个捕获原点,通过这个原点,一个经过的小物体被火星引力捕获,”现代解释道。“这是历史上提出的,并得到卫星与D型小行星光谱相似性的支持。”

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. 在这个群体中,小行星可以根据其表面反射光波长的相似性分为不同类型。这个“光谱”与小行星的成分有关。D型小行星以其非常暗的颜色而著名。D-TYPE反射的少量光是更长的红色和红外波长。

虽然许多不同的小行星现在都在小行星带轨道上运行,但它们不同的成分表明形成位置分布在整个早期太阳系中。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的水和有机物。

如果火卫一和德伊莫斯是D型小行星的例子,它们在火星附近摆动并被送入轨道,那么火卫一的样本可以告诉我们太阳系中第一批有机分子的形成和运输。但并非所有人都相信这种形成情景。

“第二种选择是巨大的撞击源,”Hyodo说,“一次与火星的巨大撞击,喷出物质,在行星周围形成一个碎片盘。”

这种影响可能是北极洲盆地的起源;火星上最大的凹陷,覆盖了火星表面40%的面积。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注意到。“差异只是撞击质量。这导致了撞击喷射物相似的热力学结果。”

热力学是指碎片圆盘中的热能,它决定了圆盘材料熔化的程度和蒸发的量等性质。产生的材料在碰撞并合并成两个卫星时,成为火卫一和Deimos的组成部分。

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,它们的重量略有不同原子人的细胞核。两个不仅由相似的物质组成,而且由相同的同位素平衡组成的天体,很可能有着共同的构造块,支持地球物质形成月球的撞击场景。巨大撞击中的能量也会导致熔融物质。

美国宇航局宇航员哈里森·施密特·阿波罗17号

美国宇航局宇航员哈里森·施密特,阿波罗17号登月舱飞行员,使用一个可调节的取样勺来提取月球样本。MMX航天器将不得不以机器人方式完成这项工作。信贷:美国宇航局

“以火星卫星为例,它们的动力学(轨道)支持一个巨大的撞击形成,”Hyodo继续说。“然而,如果没有像阿波罗那样的样本,我们无法确定火星及其卫星上发生了什么。”

讨论的不仅仅是卫星的最初形成,还有接下来会发生什么。最近的一系列论文对卫星在巨大撞击后的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。”

火卫一位于火星两颗卫星的内部,正缓慢地被拉向火星表面。这是由于火星的引力使月球变形,引起潮汐膨胀,从而产生一种将月球向内拉的阻力。最终的进化可能会看到火卫一在与表面碰撞之前被撕成碎片。在一个可能的场景中,这一不可避免的月球死亡场景在火星历史上多次重演。在这次巨大撞击中,第一颗内部卫星迅速向内旋转,并被火星的引力粉碎。这形成了一个新的碎片环,第二代月球由此诞生。研究表明,在我们今天看到的月球之前,可能有多达五个火卫一的化身。

火星环卫星

火星上的光环是如何形成火卫一和德伊莫斯的。信贷:JAXA

另一个观点是,火卫一和德伊莫斯曾经是一个单独的天体,在几十亿年前,它们本身就受到撞击,分裂成了两个天体。这一设想是基于卫星轨道如何因来自火星的潮汐而发生变化,仍需进行详细的模拟。

“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材料样本将为返回地球的科学家提供机会,以分析火星卫星,就像我们自己的月球历史是从阿波罗样本中分离出来的一样。现代证实,这将有助于解决理论之间的简并。

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。

“棘手的部分是火卫一的长期演变,”现代承认。“对月球重力场的详细测量以及澄清内部结构的观测将是限制火星重力潮汐如何影响月球的关键。限制月球表面年龄也很重要,因为每一个故事都暗示了我们最终积累火卫一的不同时间。”知道今天。”

探索火星卫星的MMX航天器

MMX宇宙飞船探索火星卫星的艺术家印象。来源:日本

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。

“如果捕获场景是正确的,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。“如果巨型撞击场景被证明是正确的,我们将从古代火星收集样本;从巨型撞击火星发生时开始。”

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一部分。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火星的样本。

“对我们来说幸运的是,火卫一的轨道非常接近火星!”现代解释道。“小行星撞击火星会不断地从地球上的任何地方喷射出物质,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伤害。”

美国宇航局的“毅力”号火星车在火星表面运行

这幅插图描绘了美国宇航局的“毅力”号火星车在火星表面运行。来源:美国国家航空航天局

在地球上收集的火星陨石是由坚硬的火成岩形成的,因为伴随着从火星发射、行星际旅行和大气进入地球,强烈的冲击摧毁了任何更微妙的东西。但是从火星喷射到火卫一上的颗粒发射和飞行要容易得多,甚至微妙的有机物也被认为是可以做到的甚至来自火星远古大气的离子也被认为被困在火卫一面向红色星球的一侧。

火星颗粒中的放射性元素将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,该样本从整个火星表面收集,并在其整个历史中确定日期;这是地球可能的宜居性和衰退的真实记录。这种收集的可能性是MMX任务关注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。”

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