冰质撞击体或能揭秘火星卫星的诞生

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作者：Université Paris Diderot / Labex UnivEarthS

翻译：方芊

校译：胡敏、李宜骅

编排：简稚珉

后台：李子琦

原文链接：https://skyandtelescope.org/astronomy-news/icy-impactor-might-explain-the-formation-of-marss-moons/

在一项新的研究中科学家们提出，火星的两颗卫星火卫一（Phobos）和火卫二（Deimos）大小和轨道之谜或许与一颗含冰天体的撞击有关。

图注：艺术渲染图表现了发生在火星上的撞击，这可能是火星的两颗卫星火卫一和火卫二的形成契机。新的模拟表明撞击体可能由冰组成。撞击发生时，火星还很年轻，其表面可能有较厚的大气层和液态水。

图源：巴黎狄德罗大学 / Labex UnivEarthS

火星的两颗神秘卫星，火卫一和火卫二的起源仍然是个谜。 它们不规则的形状、黑暗的表面和独特的轨道催生了两种主要理论：它们可能是距离火星太近而被捕获的小行星。 或者，也许这些卫星是在巨大撞击物击中火星后，由被发射到轨道上的碎片凝聚而成的。

针对第二个理论，德克萨斯州伍德兰兹举行的月球与行星科学会议上提出了一个有趣的变化，认为撞击物主要由水冰组成。这个想法由日本东京工业大学的Courteney Monchinski提出，消除了此前的巨大撞击假说所面临的一些问题。

01

未知的起源

火卫一和火卫二是太阳系中最黑暗的天体之一。 它们的光谱特征难以被清晰识别，因此它们的表面成分未知。 然而，它们似乎是多孔的，要么是空心的，要么充满了冰冻的水。 这些特征，加上它们受损的、不规则的形状，让一些科学家认为它们可能是被俘获的小行星。

然而，这种外观也可能表明它们由大量的玄武岩组成。它们在太空中暴露，并受到微小陨石的轰击，直到它们的光谱特征与小行星相似。2023年初，阿联酋火星任务飞掠Deimos所收集到的信息支持了这一想法。此外，这两颗卫星的轨道不同于典型的俘获情形。通常被俘获的小行星的轨道形状高度椭圆，并且方向随机，但是Phobos和Deimos的轨道明显是圆形的，并且位于火星赤道的正上方。这些观察结果指向了巨大撞击假说的可能性。

但是这种情景也存在一些问题。模拟试图再现卫星形成的撞击过程，然而撞击却会散落更多的物质到轨道上，导致行星周围形成过于庞大的碎片盘。在这些模型中，火星的两个卫星从这个碎片盘中凝聚而成，但是其物质足够丰富，还足以在火卫一所处的当前轨道生成一颗更大的卫星。而这颗卫星最终会分裂成碎片。在一些模型中，火卫一正是从这个次级碎片盘中诞生的。

另一个问题是岩质撞击体会产生热碎片盘，其高温会改变或破坏任何原始材料——包括玄武岩。

02

“冰冰宝贝”*

为了淡化这些问题， Monchinski和合作者提出了一种设想，其中一个冰质撞击体的质量约为火星的 3%，由至少 30% 到 70% 的水冰组成。 任何冰质撞击物体都会将更少的岩石崩射到太空中，从而打开了火卫一和火卫二直接从撞击中形成的可能性，而无需介入一个早期形成的、早已不知所踪的更大卫星。

冰质撞击体也会导致碎片盘的温度较低，因为如此大量的水的蒸发会吸收许多热量。 从而进入轨道的岩石成分得到了更好的保留。

“这些结果中最有趣的一点是，在碎片盘中具有较低温度的情况下，我们仍可以保留撞击体的一些球粒陨石成分，”法国南特大学的帕斯卡·罗森布拉特（Pascal Rosenblatt）说道。

在早期的工作中，罗森布拉特和其他人提出了类似的设想，假设了一个大约是火星大小三分之一的全岩石撞击体。 “我们建模的撞击体的情况并非如此，他说，并补充说新模型“开辟了新的视角”。

罗森布拉特说，碎片盘中的大量水也会改变岩石的化学组成。 这可能会导致形成一种被称为“页硅酸盐”（phyllosilicates）的水合矿物。欧洲航天局的火星快车号探测器先前发现过这种岩石的迹象。

图注：这张由欧洲空间局火星快车号探测器于 2010 年 11 月拍摄的图像中，火卫一盘旋在火星上空。火卫一形状不规则，长度只有 27 公里，它的实际颜色比这张对比度增强后的示意图要暗得多（因为其表面富含碳） 。

图源：ESA / DLR / G. neukum

水蒸气也可能在火卫二的形成中起到作用。火卫二的轨道在火星同步轨道（物体与地面旋转速度相同的速度绕行行星的轨道）之外。在这个距离之外，潮汐力导致卫星逐渐远离行星。尘埃颗粒与水蒸气之间的相互作用可能有助于将碎片盘材料进一步向外扩散，使得火卫二能够在其当前较远的位置形成。

03

冰质撞击体的起源

为什么会是冰质撞击体与火星相撞呢？ 研究人员认为，这种“湿”天体可能是在太阳系外缘形成的，位于土星或海王星轨道之外。 然后，巨行星带来的不稳定性可能会将其中一些天体抛入内太阳系。

罗森布拉特还指出，早期的火星表面可能有水，因此火星也可能贡献了一些原生水，而撞击体的冰质含量也没有模型中那么高。

图注：日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的火星卫星探测器（MMX）在火卫一执行任务的概念图。

图源：JAXA

一个明确的测量结果可能要等到2026年日本航空航天探索局的火星卫星探测（MMX）任务发射之后才能得出。该任务将发送一艘宇宙飞船绕行火卫一，着陆后将在地表采样并带回地球。

罗森布拉特表示：“我们正在等待样本。我很确定我们将会发现一些新的东西。”

*Ice ice baby源自美国音乐人Vanilla Ice的同名歌曲。

责任编辑：杨欣冉

牧夫新媒体编辑部

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图注：哈勃太空望远镜于2024年1月5日至6日拍摄了最新的木星图片。

图源：NASA, ESA, STScI, Amy Simon (NASA-GSFC)

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