火星的两颗卫星都是撞击的产物？
2018/5/2 11:13:48 中科院物理所
这张合成图像比较了从火星上看到的火星卫星大小(左)与从地球上看到的月球大小(右)。尽管月球比这两颗卫星中较大的火卫一还要大一百倍左右，但由于火星卫星的轨道非常低，所以看上去大小差的没有实际那么多。上图中两颗火星卫星中左侧较小的那颗为火卫二，右侧较大的一颗则为火卫一，这两张图像都于2013年由NASA的火星探测器好奇号拍摄。
Credit: NASA/JPL-Caltech/Malin Space Science Systems/Texas A&M University
美国西南研究院近期发布了他们关于火星卫星形成的猜测，他们认为火星卫星同月球一样，诞生自一场强烈的撞击，但与地月系统相比这场撞击规模要小得多。他们建立了一个模型，模拟了原始火星与一颗矮行星大小的天体的相撞并产生了两颗卫星的过程。
火星两颗卫星的起源在过去几十年间一直存有争议。争议的焦点主要在于这两颗卫星到底是火星由于引力作用捕获的现成小行星，还是在火星赤道平面内由碎片形成的。因为后者有着近圆和共面轨道的事实作为支撑，所以由天体撞击而形成的赤道碎片盘理论看上去非常有希望，但这个理论的前期模型一度因为过低的数值分辨率和过于简化的建模技术而受到限制。
“我们的模型是迄今第一个能够确定产生火星的两颗卫星所需撞击的模型”，西南研究院太空科学与工程部助理副主席，Robin Canup博士说。Canup是用大规模流体动力模型来模拟行星尺度撞击的权威科学家之一，现在已被广泛接受的月球形成模型中也有他的贡献。 “这项研究得出的一项关键结果是撞击天体的大小。我们发现撞击天体的尺寸应该只与现知最大的几颗小行星——谷神星，灶神星——体积相当，而非先前所想的巨型天体”，Canup说，“这个模型还预测两颗卫星的组成材料应该主要来自于火星，所以它们的组成元素应该与火星相似。然而，由于撞击过程中抛射物的升温和火星较低的逃逸速度，水蒸气应该在该过程中消散殆尽，所以如果这两颗卫星是由撞击形成的，它们应该非常干燥。”
火星碰撞模型动画
在月球的形成模型中，科学家推测应该是一个火星大小的天体在45亿年前撞击刚刚诞生不久的地球，碰撞产生的碎片随后形成了月球。地球半径大约为6371千米，而月球半径大约为1738千米，地球的四分之一左右。可是尽管与月球在差不多的时间尺度中形成，火卫一与火卫二却非常小(火卫一半径11千米，火卫二半径6千米，相比较火星半径大约为3380千米)，并且环绕火星运行的轨道要低很多。根据这些事实，科学家估计撞击火星的天体大小应该介于灶神星(半径约262千米)与谷神星(半径约472千米)之间。
“我们顶尖的模型展示了一个有着所描述尺寸的撞击天体是如何产生一个碎片盘并最终形成这两颗卫星的”，这项研究论文的第二作者，西南研究院的Julien Salmon博士说，“碎片盘的外围部分最终结合成了火卫一和火卫二，而内侧部分结合成了更大的卫星并最终坠向火星并与其融为一体。像先前所认为的更大型的撞击天体则会导致更大的碎片盘的产生，这样内侧部分结合成更大的卫星并使火卫一火卫二这样的超小型卫星的存在成为不可能。”
撞击形成火星卫星的模拟图。
Credit: Robin Canup, 西南研究院
这些研究结果对日本宇宙航空研究开发机构的火星卫星探索(MMX)计划来说是至关重要的。MMX预计将于2024年发射，并将携带一部由NASA提供的仪器。MMX的航天器将依次拜访火星的两颗卫星，并于火卫一的表面降落，收集样本后于2029年返回地球。Canup说：“MMX任务的一项主要目标就是确定火星卫星的起源，我们的模型预测了如果卫星来自与其他天体的撞击则会有怎样的化学组成，这将为MMX任务提供一个很好的参照。”
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作者：Southwest Research Institute
翻译：陆寅枫
内容来源：牧夫天文
编辑：X.B.Liu
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