Какво търсим на Фобос
Л.М. Зелени - член-кореспондент на Руската академия на науките, A.V. Захаров - доктор на физико-математическите науки, Институт за космически изследвания на Руската академия на науките,
К.М. Pichkhadze - доктор на техническите наукиNPO на името на. S.A. Лавочкин
Фиг. 1. Изображение на Фобос на фона на Марс (данни от експедицията FOBOS-2)
След поредица от корекции на орбитата на космическия кораб, за да се осигури фазирането на орбитите и приближаването на космическия кораб към Фобос, трябваше да пусне два спускаеми модула на повърхността на Фобос за по-нататъшни "контактни" изследвания на това космическо тяло. Няколко дни преди този кулминационен етап от експедицията обаче, поради повреда в системата за управление, комуникацията с космическия кораб беше загубена. Експедицията приключи без да завърши основния етап - доставката на спускаемите апарати до повърхността на Фобос. Въпреки това изследванията на Марс, Фобос и околомарсианското пространство, проведени в продължение на 57 дни на етапа на орбитално движение около Марс, позволиха да се получат уникални научни резултати за топлинните характеристики на Фобос, плазмената среда на Марс и взаимодействието му със слънчевия вятър. Например, чрез големината на потока кислородни йони, напускащ марсианската атмосфера, открит с помощта на йонния спектрометър, инсталиран на космическия кораб FOBOS-2, беше възможно да се оцени скоростта на ерозия на марсианската атмосфера поради взаимодействието със слънчевия вятър. Тези измервания са изключително важни за изучаването на историята на водата на Марс и марсианската атмосфера. Преди експедицията FOBOS-2 се знаеше по-малко за близкото марсианско пространство, отколкото за свойствата на пространството близо до много по-далечни планети - Меркурий, Юпитер, Сатурн. Научните данни на космическия кораб PHOBOS-2 все още са уникални, те откриха нов етап в изследването на Марс, което продължава, макар и не без загуби, с усилията на американските и европейските космически агенции. Нашитестраната се опита да реализира амбициозен проект за изследване на Марс през 1996 г. - MARS-96, но този опит беше неуспешен - ракетата не постави космическия кораб на междупланетна траектория. Загубата на MARS-96, разбира се, беше трагедия за космическата наука, но основните експерименти, подготвени за този проект, бяха проведени на европейския космически кораб Mars-Express, изстрелян през 2003 г. Седем години след трагедията с космическия кораб МАРС-96 БАН и Федералната космическа агенция решиха да продължат изследванията на Фобос и Марс на качествено ново технологично ниво в проекта ФОБОС-ГРУНТ, чиято основна цел е доставянето на почвени проби от Фобос на Земята за подробни лабораторни изследвания.
Какво е интересното за Фобос?
Характеристики на спътниците на Марс
Нека първо разгледаме какво вече се знае за него. Според класификацията на телата на Слънчевата система това е малко тяло, един от двата спътника на Марс (вторият спътник е Деймос). Изображенията на Фобос и Деймос показват, че и двата имат неправилна форма, която може да се апроксимира с елипсоид, чиито размери за Фобос са 13,3x11,1x9,3 km, за Деймос - 7,5x6,2x5,2 km (фиг. 2).
Фиг. 2. Изображения на спътниците на Марс - Фобос и Деймос (данни на НАСА)
Главната ос на елипсоидите и на двата спътника е насочена към Марс и двата спътника се въртят около Марс синхронно. Орбитите на сателитите са почти кръгли с радиус от 9378 km (2,76 радиуса на Марс, RM) и 23459 km (6,9 RM) съответно за Фобос и Деймос. Равнините на орбитите на двата спътника са близо до екваториалната равнина на Марс и са наклонени под ъгъл
240 спрямо равнината на еклиптиката. Орбиталният период на Фобос около Марс е 7 часа. 39 мин., за Деймос тази стойност е 30 часа. 21 мин. Като се има предвид, че продължителносттаМарсиански ден 24 часа 39,5 минути (малко по-различен от Земята), през това време Фобос три пъти изгрява над хоризонта на изток от Марс и залязва на запад.
Наземните измервания на параметрите на орбитата на Фобос показват, че тя бавно се променя - Фобос се приближава към Марс по много лека спирала (за всеки 100 години височината на орбитата на Фобос намалява с 9 m). Причините за такава промяна в орбитата, така нареченото секуларно ускорение, са приливни загуби на орбитална енергия. Орбитата на Фобос е толкова близо до Марс, че се намира в зоната (т.нар. граница на Рош), в която приливните сили, причинени от близостта на Марс, се опитват да го унищожат. Оценките за по-нататъшното развитие на орбитата на Фобос показват, че след няколко десетки милиона години (миг в историята на Слънчевата система) спътникът неизбежно ще се срине и ще падне на Марс.
Друга интересна характеристика на Фобос, свързана с движението на Фобос, е неговата либрация. Този спътник е уникален обект сред известните синхронно въртящи се планетарни спътници в Слънчевата система, тъй като очевидно има най-голямата амплитуда на либрация. Основната причина за това е фактът, че периодът на свободна либрация на този спътник (
10 часа) е близо до периода на орбитално въртене (
7,7 часа). Точните измервания на амплитудата на либрацията могат да се използват за определяне на инерционните моменти на Фобос, което е важно за изследване на масовото разпределение (вътрешната структура) на Фобос. Точните измервания на разстоянията от Земята до Фобос от спускаем апарат на повърхността на Фобос ще позволят значително да се подобрят някои параметри на небесната механика, да се подобрят знанията за масата на някои астероиди извън орбитата на Марс.
Повърхностите на двата спътника са покрити с кратери, но топографски те са много различни. Фобос има многодълбоки почти прави успоредни бразди с ширина 100-200 m и дълбочина 10-20 m (фигура 3).
Фиг. 3. Изображение на Фобос (данни на НАСА)
Някои от тези бразди са с дължина до 30 км. Почти всички тези дълги ивици започват близо до най-големия кратер на Фобос, Стикни, който е с диаметър 10 km, което е повече от една трета от диаметъра на Фобос. На Deimos няма такива групи. Кратерите там са с много по-малък диаметър отколкото на Фобос. Основната широкомащабна морфологична характеристика на повърхността на Деймос е нейната видима еднородност на повърхността. Най-озадачаващият въпрос относно морфологичните особености на тези два спътника е защо техните повърхности са толкова различни и какви са процесите, довели до такива характерни черти на Фобос?
Спътниците на Марс, поради своята малка площ, са от особен интерес. Факт е, че всички планети и повечето от техните спътници по време на своята еволюция са претърпели промени в една или друга степен под въздействието на външни фактори и най-вече в резултат на ендогенни процеси, като например вулканизма. Тези процеси коренно преобразиха материята на планетите и на практика изтриха спомена за първоначалната материя. Принципно различна е ситуацията с малките тела в Слънчевата система - комети, астероиди, спътници на Марс. Повърхността на Фобос, очевидно, е смес от материал, богат на въглеродни съединения, обработен от космическа радиация. Тези тела, поради своята малка площ, с обичайното съдържание на радиоактивни елементи в тяхното вещество, изключват вътрешното си нагряване, ендогенна тектонична активност и следователно представляват първоначалния, първичен материал на протопланетния облак, от който са се образували планетите на Слънчевата система. Излагане на външни фактори като слънчева светлинавятърът, космическите лъчи, метеоритите, на които са изложени малките тела, със сигурност променят външния слой на почвата - реголит. По този начин изследванията на реголита на малките тела могат да предоставят информация за ранните етапи на формирането на телата в Слънчевата система, произхода и еволюцията на планетите, включително Земята.
Произходът на луните на Марс
Теориите за произхода на спътниците на Марс се основават на няколко противоречиви факта. От една страна, ниското албедо, ниската плътност и ранните спектрални измервания показват, че Фобос може да бъде уловен астероид, като въглеродните хондрити, открити във външния астероиден пояс, далеч отвъд орбитата на Марс. От друга страна, от небесно-механична гледна точка улавянето на астероид е малко вероятно. Това дава сериозни аргументи в полза на факта, че формирането на спътниците на Марс е станало заедно с Марс от протопланетен облак. Но в този случай съставът на Фобос трябва да се различава от състава на въглеродните хондрити и да бъде близък до състава на обикновените хондрити, характерни за района на натрупване близо до Марс.
Разбира се, в процеса на еволюция спътниците на Марс са били изложени на различни външни фактори. Да започнем със самия Марс. Съществуването на SNC метеорити на Земята, за които е доказано, че са от марсиански произход, показва, че изхвърлянето на материал от повърхността на Марс е възможно и, очевидно, се е случило, особено в ранните етапи на еволюцията. Част от този изхвърлен материал може да се е утаил на повърхността на Фобос, като по този начин е вкарал компонент от марсианска материя в състава на реголита на Фобос. По време на метеоритно бомбардиране, изхвърлянията от кратерите лесно напускат спътниците на Марс, но по-голямата част от тази материя остава в близост до Марс в орбити, близки до техните източници, образувайки прахов торус.(повече за тази хипотетична формация ще разгледаме по-долу). Значителна част от това вещество се връща на повърхността на сателитите. Друг източник на повърхностен материал за марсиански спътници може да бъде космическият прах, уловен от гравитационното поле на Марс. Под въздействието на светлинно налягане (ефектът на Пойнтинг-Робъртсън) частиците космически прах в орбитите на Марс могат да променят траекторията си и да паднат върху Фобос. В допълнение, реголитът на всички неатмосферни тела е обект на бомбардировка от частици от космически лъчи и слънчев вятър. Процесите на образуване на реголит върху малки тела, които са резултат от въздействието на горните фактори, все още не са достатъчно проучени, но трябва да се очаква, че въпреки постоянното бомбардиране от микрометеорити и влиянието на слънчевия вятър, процесите, протичащи във външния слой на реголита, отразяват доста добре химическия състав на скалите. Следователно изследването на реголита ще даде информация не само за реликтовия материал, от който са се образували планетите и телата на Слънчевата система, но и за условията за тяхното образуване и последваща еволюция.
Наличните данни за физико-химичните характеристики на Фобос и Деймос не ни позволяват да избираме между различни теории за произхода на тези тела - или са уловени астероиди, или натрупани тела в марсиански орбити (еволюционна теория), или това е резултат от сблъсък на голямо небесно тяло с Марс в ранните етапи на неговата еволюция. Поради малкия си размер, неправилна форма и спектрално отразяващи характеристики, марсианските спътници често се свързват с астероиди, обитаващи външния астероиден пояс. Възниква въпросът какви биха могли да бъдат физическите процеси, които биха обяснили техния произход, каква е ролята им в тяхпроизход играе гравитационното поле на Марс? Разрешаването на всички тези въпроси може да допринесе за разбирането на произхода на системата от спътници на Марс и връзката им с Марс, да помогне за разгадаването на произхода на други спътникови системи. Този набор от въпроси е един от най-важните в съвременната фундаментална физика за слънчевата система, тяхното решение ще помогне за решаването на проблемите за произхода и еволюцията на Земята и земните планети.
Най-мощният метод за изследване на реголита е изследването на съотношенията на състава на основните му елементи - скалообразуващи, летливи елементи, изотопи. В момента съотношението на основния елементен състав на хондрити и метеорити от марсиански произход, т.нар. SNC метеорити. Например, съотношението на въглерод и силиций за обикновените хондрити е три пъти по-високо, отколкото за метеорити SNC, а съотношението на същите елементи за въглеродните хондрити е почти сто пъти по-високо, отколкото за обикновените хондрити. Подобен диагностичен метод се използва въз основа на резултатите от измерванията на съотношенията на други скалообразуващи елементи, изотопи на кислород и благородни газове. Познавайки тези съотношения и извършвайки подробен анализ на изследваната проба от реголит, може да се определи нейното „родословие“ и по този начин да се направи заключение за произхода на тялото. Абсолютната възраст на тялото се определя от съотношенията на радиоактивните елементи.
Измерванията на характеристиките на плазмения компонент на околомарсианското пространство, извършени от космическите кораби MARS-5 и FOBOS-2, показват, че слънчевият вятър е смутен, разпространявайки се в близост до орбитите на марсианските спътници. Въз основа на това бяха направени предположения, че в орбитите на Фобос и Деймос има повишена плътност на прахови частици - прахов торус. Съществуването на прахов торус най-вероятно е свързано с изхвърлянетоматериал от повърхността на Марс и Фобос по време на бомбардирането на техните повърхности от микрометеорити. Скорошен числен анализ показа, че орбиталните резонанси на прахови частици, причинени от влиянието на Марс и вариациите в налягането на слънчевата радиация, играят важна роля при формирането на прахов тор. Изследването на този проблем е важно не само от гледна точка на еволюцията на реголита на повърхността на марсианските спътници, но и за изучаване на условията в близост до Марс при планирането на обещаващи експедиции до Марс.
Изследванията на плазмата близо до Марс се провеждат още от първите вътрешни мисии до тази планета и в момента почти всички данни за взаимодействието на слънчевия вятър с плазмената среда на Марс са получени с помощта на местни космически кораби. Вярно е, че доскоро имаше несигурност при определянето на вътрешното магнитно поле на Марс, което създаваше трудности при тълкуването на плазмените измервания. Американският космически кораб Mars Global Surveyor, изстрелян през 1996 г. и в момента продължаващ да работи в орбитата на Марс, успя да регистрира собственото магнитно поле на Марс. Предвид най-новите данни за магнитното поле на Марс, от голям интерес е да се проучат характеристиките на взаимодействието на слънчевия вятър с плазмената среда на Марс, които не са подобни нито на Венера (планета без собствено магнитно поле), нито на Земята (планета с достатъчно силно собствено магнитно поле).
Научни задачи за изследване на Фобос
По този начин изборът на Фобос като обект на изследване за следващата междупланетна мисия е свързан с възможността за решаване или доближаване до решаването на широк кръг от научни проблеми на физиката на Слънчевата система.