日本科学家分享JAXA即将进行的火星卫星MMX任务背后的科学知识

今年2月，全世界都惊奇地看着三个太空任务接连抵达火星。阿联酋的希望号任务将捕捉火星气候的全球视野，而中国的天问一号则侧重于火星地质学，并计划向火星表面释放一个登陆器和漫游车。第三个是美国宇航局的毅力号漫游车，它在火星的杰泽罗陨石坑完成了一次惊人的着陆，它将在那里寻找过去生命的证据，并收集样本以便将来返回地球。

在ISAS，研究人员以特别敏锐的目光注视着这一进展。在短短几年后，他们即将尝试同样的壮举，访问火星卫星。火星卫星发射（MMX）任务计划在2024财政年度发射。基本上忽略了火星的存在，该航天器将把其观测仪器套件的重点放在卫星上，即火卫一Phobos 和火卫二Deimos。该任务计划在火卫一上着陆并收集样本，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，以及可居住性是如何在下面的星球上繁荣和死亡的。

Ryuki Hyodo博士是ISAS太阳系科学部门的研究员，致力于模拟这些卫星的形成过程。Hyodo拥有该研究所独立的ITYF（国际顶尖青年研究员）职位之一；该计划旨在支持和促进来自世界各地处于职业生涯早期阶段的优秀研究人员。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出现在那里的。事实上，对于这些卫星是如何形成的，主要有两种相互竞争的理论。

Hyodo解释说：“有一种捕获理论，即一个经过的小天体在重力作用下被火星捕获。这是历史上提出的，并且得到了这些卫星与D型小行星的光谱相似性的支持。”

小行星主要位于火星和木星之间围绕太阳运行的适当命名的“小行星带”中。科学家根据小行星可以从其表面反射的光的波长的相似性将其分为不同类型。这种"光谱"与小行星的组成有关。D型小行星因其颜色非常深而引人注目。D型小行星所反射的少量光线是在较长的红色和红外线波长。

虽然现在有许多不同的小行星在小行星带中运行，但它们不同的组成指向了分布在早期太阳系中的形成地点。这对于试图绘制资源的创造和移动图的科学家来说是很有趣的，特别是那些诸如生命所需的水和有机物。

如果火卫一和火卫二是D型小行星的例子，它们接近火星并被拉入轨道，那么来自火卫一的样本可以告诉科学家关于太阳系中最早形成的有机分子的形成和运输。但并非所有人都相信这种形成方案。

“第二个选择是巨大的撞击起源，”Hyodo说。“与火星的一次大型撞击，喷射出的物质在火星周围形成一个碎片盘。”

这样的撞击可能是Borealis 盆地的起源；这是火星上最大的盆地，覆盖了该星球表面的40%的巨大面积。导致Utopia或Hellas等较小的盆地的撞击 ，也可能产生了足够的碎片来形成这些卫星。

“即使在较小的盆地形成事件中，撞击速度也是相似的，”Hyodo指出。“区别只是撞击的质量。这导致了撞击喷出物的热力学结果相似。”

热力学指的是碎片盘中的热能，并决定了一些特性，例如有多少碎片盘材料是熔化的，有多少将被汽化。由此产生的材料成为火卫一和火卫二的组成部分，因为它碰撞并凝聚成了这两个卫星。

圆盘内的形成可以解释火卫一和火卫二在火星赤道周围同一平面内的近圆形轨道。一个巨大的撞击也被认为创造月球，但是由于阿波罗任务返回的月球表面的样本，那里的证据更加清晰。

"就我们的月球而言，阿波罗号的样本有力地表明，月球曾经是熔融的，月球和地球在同位素上非常相似，"Hyodo解释说。

同位素是同一种元素的原子，由于原子核中的中子数量不同，其重量略有不同。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，非常有可能分享共同的构建块，支持来自地球的物质形成月球的撞击情景。巨大撞击中的能量也会导致熔化的物质。

"就火星卫星而言，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，如果没有像阿波罗号那样的样本，我们无法确定火星及其卫星上发生了什么。"

争论的不仅是卫星的最初形成，还有接下来发生了什么。最近的一系列论文提出了不同的方案，说明这些卫星可能在一次巨大的撞击后发展。

"重要的是要注意，这些作品都假设了撞击的情况，"Hyodo开始说道。"它们之间的区别是在巨大的撞击发生后发生了什么，影响了火卫一的潮汐演变。"

火卫一和火卫二曾经是一个单一的天体，它本身在几十亿年前受到了一次撞击，把它分成了两个。这个建议的方案是基于卫星的轨道可能由于来自火星的潮汐而发生变化，详细的模拟仍然需要进行。

"粒子积累是一个混乱的过程，"Hyodo指出，他描述了在巨大撞击的碎片盘内形成的卫星的计算机模拟情况。"有时我们只形成一颗卫星，有时则形成三颗卫星。如果一颗卫星最初是由巨大的撞击形成的，后来被摧毁一分为二，那么这个故事就有可能发生。"

由MMX航天器收集的火卫一材料样本将为回到地球的科学家提供分析火星卫星的机会，就像从阿波罗样本中解读我们自己月球的历史一样。Hyodo证实，这将有助于解决各种理论之间的退化问题。

他声称："如果样本包括大量的火星物质以及挥发性耗损，那么答案就是巨大的撞击起源，而不是捕获。"

由Hyodo运行的模拟证实，任何由巨型撞击产生的碎片应该包括大约50%的火星物质，其余的来自于撞击者。撞击还将产生强烈的加热（大约1730摄氏度），因此容易变成气体（挥发性物质）的元素将被汽化并逃逸。

"棘手的部分是火卫一的长期演变，"Hyodo承认。"对月球重力场的详细测量以及澄清内部结构的观察将是制约火星引力的潮汐如何对月球进行拉动的关键。制约表面年龄也很重要，因为每一种说法都表明我们今天所知道的火卫一最终积累的时间不同。"

Hyodo强调说，无论是捕获还是巨大的撞击方案，来自火卫一的样本将揭示出大量关于行星如何形成的信息。

他说："如果捕获方案是正确的，我们将获得原始材料，这将增强我们对这些东西组成的理解，可能包括第一批有机物。如果巨大的撞击方案被证明是正确的，我们将收集来自古代火星的样本；来自火星上发生巨大撞击的时间。"

"通过MMX，我们将研究一颗小小的卫星，"Hyodo说。"但这不仅是关于卫星，也是关于太阳系物质和来自火星的物质。"

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部分。这意味着，无论卫星是如何形成的，从MMX带回的样本实际上将是第一个火星样本返回。

"对我们来说，幸运的是，火卫一的轨道离火星非常近！"Hyodo解释说。"火星上的小行星撞击不断地从火星的各个地方喷射出物质，这可以很容易地转移到火卫一的表面，而不会有强烈的撞击冲击损害。"

在地球上收集的火星陨石是由坚硬的火成岩形成的，因为从火星上发射出来的强烈冲击--伴随着星际旅行，以及进入地球的大气层破坏了任何更脆弱的东西。但是，从火星上喷出并降落在火卫一上的谷物有一个更容易的发射和旅程，而且即使是脆弱的有机物也被认为能够在旅行中幸存下来。甚至火星古老大气层中的离子也被认为被困在火卫一面向红色星球的一面。

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，该样本从火星表面各处收集，并对其整个历史进行测定；这是一个名副其实的关于该星球可能的可居住性和衰退的记录。这种收集的可能性是MMX任务专注于卫星而不是行星本身的原因之一。

"NASA毅力号将以惊人的细节研究杰泽罗陨石坑，"Hyodo说。“但是信息仅限于杰泽罗陨石坑。这可能不是火星整个演化的典型情况。相比之下，MMX收集的喷出物将来自火星表面的任何地方，没有这种偏见，但代价是MMX的样本中只有一小部分来自火星。因此，MMX和毅力号将发挥多样性与细节的互补作用，我们可以一起向全面了解火星的演变迈进。”