Větší a vnitřní měsíc Marsu, nepravidelné porézní suťoviště odsouzené k zániku slapovým rozpadem za 40 milionů let.

Obsah hesla

[Rejstřík]

1.Objev z Washingtonu (1877)
2.Bizarní oběžná dráha a nebeská podívaná
3.Morfologie: Gigantický kráter Stickney a záhadné rýhy
4.Složení: Porézní suťoviště (Rubble Pile)
5.Neodvratný konec: Pád nebo vznik prstence

Phobos: Odsouzený souputník rudé planety

Phobos (v řecké mytologii bůh strachu a syn boha války Area) je větším a vnitřním ze dvou měsíců planety Mars. Představuje nepravidelné, tmavé a krátery silně zbrázděné těleso o rozměrech pouhých $27 \times 22 \times 18\text{ km}$ .

Přestože se jedná o nevelký balvan, v dynamice Sluneční soustavy zaujímá výjimečné postavení: obíhá k povrchu své mateřské planety blíže než jakýkoli jiný známý měsíc ve vesmíru a jeho osud je zpečetěn – neúprosné slapové tření jej táhne k povrchu Marsu, což povede za několik desítek milionů let k jeho zkáze.

1. Objev z Washingtonu (1877) #

Phobos objevil v srpnu 1877 americký astronom Asaph Hall na Námořní observatoři USA ve Washingtonu (US Naval Observatory). Hall používal tehdy největší čočkový dalekohled na světě (tzv. Velký refraktor s objektivem o průměru 66 cm).

Po sérii bezvýsledných nocí, kdy už pátrání po marsovských měsících téměř vzdal, jej manželka Angeline Stickneyová přesvědčila, aby pokračoval ještě jednu noc. V noci na 18. srpna 1877 spatřil v těsné blízkosti oslnivého kotouče Marsu vnitřní měsíc (vnější měsíc Deimos nalezl o šest nocí dříve). Na počest své manželky pojmenoval největší kráter na Phobosu jejím dívčím jménem – Stickney.

2. Bizarní oběžná dráha a nebeská podívaná #

Phobos obíhá Mars v průměrné vzdálenosti pouhých $9,376\text{ km}$ od středu planety, což znamená, že se vznáší pouhých $6,000\text{ km}$ nad povrchem Marsu (pro srovnání, náš pozemský Měsíc obíhá ve vzdálenosti zhruba $384,000\text{ km}$ ).

Z této extrémní blízkosti pramení unikátní jevy:

Rychlejší než rotace planety: Phobos oběhne Mars za pouhých 7 hodin a 39 minut, zatímco marsovský den trvá 24 hodin a 37 minut.
Východ na západě: Pro pozorovatele na povrchu Marsu vychází Phobos na západě, za pouhé 4 hodiny přeletí celou oblohu a zapadne na východě. Během jediného marsovského dne vyjde a zapadne více než dvakrát!
Neviditelný z polárních oblastí: Vzhledem k malé výšce nad rovníkem a zakřivení planety není Phobos z marsovských šířek nad $69^\circ$ severně či jižně vůbec pozorovatelný – zůstává trvale pod obzorem.
Prstencová zatmění: Phobos při pohledu z povrchu Marsu pravidelně přechází přes sluneční kotouč. Zatmění trvá pouhých 20 až 30 sekund a vyfotografovaly jej rovery Curiosity a Perseverance.

3. Morfologie: Gigantický kráter Stickney a záhadné rýhy #

Dominantou měsíce je obří impaktní kráter Stickney o průměru téměř $9\text{ km}$ , což představuje téměř polovinu průměru celého tělesa. Náraz, který jej vytvořil, se pohyboval na samé hranici energie nutné ke kompletnímu roztříštění Phobosu.

Z kráteru Stickney zdánlivě paprsčitě vybíhají desítky rovnoběžných mělkých rýh (grooves) širokých 100 až 200 metrů a hlubokých až 20 metrů. Moderní počítačové simulace ukazují, že tyto rýhy nejsou prasklinami po impaktu, ale povrchovými projevy strukturálního napětí: slapové síly Marsu natahují a trhají křehkou kůru měsíce, případně jde o stopy po dopadu sekundárních balvanů vyvržených z Marsu při velkých impaktech.

4. Složení: Porézní suťoviště (Rubble Pile) #

Měření hustoty ze sond Mars Global Surveyor, Mars Express a Mars Reconnaissance Orbiter přinesla překvapení: hustota Phobosu je pouhých $1,876\text{ kg/m}^3$ .

Phobos není jednolitý masivní balvan, nýbrž gravitačně svázaná hromada suti (rubble pile). Uvnitř tělesa se nachází 30 až 40 % prázdného prostoru (vnitřní pórovitost). Spektrálně se podobá uhlíkatým asteroidům typu C nebo D, je extrémně tmavý (odráží pouze 7 % světla) a je pokryt jemným prachovým regolitem o mocnosti nejméně 100 metrů.

5. Neodvratný konec: Pád nebo vznik prstence #

Protože Phobos obíhá pod úrovní stacionární dráhy Marsu ( $a_{\text{sync}} \approx 20,428\text{ km}$ ), slapové vzedmutí na Marsu se opožďuje za pohybem měsíce a neustále jej brzdí.

V důsledku toho se Phobos přibližuje k Marsu rychlostí přibližně $1,8\text{ metru}$ za století. Podle výpočtů nebeské mechaniky dosáhne za 30 až 50 milionů let Rocheovy meze. V ten okamžik jej slapové napětí roztrhá na biliony úlomků, které vytvoří kolem Marsu prstenec podobný prstencům Saturnu, jenž bude přetrvávat desítky milionů let, než jeho materiál definitivně dopadne na planetu.

Odborný astrofyzikální text včetně stavových rovnic, efemerid a spektrální klasifikace.

Profi režim

Nebeská mechanika a geofyzika Phobosu: Slapový sekulární rozpad, Rocheova mez a napěťová tenzometrie

Phobos ( $M = 1{,}0659 \times 10^{16}\text{ kg}$ , $R_m = 11{,}27\text{ km}$ , $\rho = 1,876\text{ kg/m}^3$ ) představuje archetyp vnitřního satelitu podléhajícího zrychlenému orbitálnímu rozpadu uvnitř korotačního poloměru mateřské planety.

1. Slapová orbitální evoluce a sekulární retardace poloosy #

Synchronní korotační poloměr Marsu $a_{\text{sync}}$ je definován rovností oběžné periody satelitu s rotační periodou planety $P_{\text{rot}} = 88,642{,}66\text{ s}$ ( $\Omega_M = 7{,}088 \times 10^{-5}\text{ rad/s}$ ):

a_{\text{sync}} = \left( \frac{G M_M}{\Omega_M^2} \right)^{1/3} \approx 20\,428\text{ km}

Jelikož skutečná hlavní poloosa Phobosu činí $a = 9,376\text{ km} \ll a_{\text{sync}}$ , střední pohyb satelitu $n = 2{,}279 \times 10^{-4}\text{ rad/s}$ vysoce převyšuje $\Omega_M$ ( $n > \Omega_M$ ). Slapové vzedmutí na povrchu a v nitru Marsu je úhlově zpožděno o fázový úhel $\delta = 1 / (2 Q_M)$ , což vyvolává záporný gravitační točivý moment:

\frac{da}{dt} = -3 \frac{k_{2, M}}{Q_M} \frac{M_P}{M_M} \left( \frac{R_M}{a} \right)^5 n a

Kde:

$k_{2, M} \approx 0{,}169 \pm 0{,}006$ je Loveovo číslo Marsu (stanovené z dat radio science sondy Mars Reconnaissance Orbiter)
$Q_M \approx 85-100$ je faktor seismické kvality (útlumu) marsovského pláště
$M_M = 6{,}4171 \times 10^{23}\text{ kg}$ , $R_M = 3,389{,}5\text{ km}$ , $M_P = 1{,}066 \times 10^{16}\text{ kg}$

Pozorovaná sekulární akcelerace v orbitální délce $\dot{n} \approx (1{,}27 \pm 0{,}02) \times 10^{-3}\text{ deg/rok}^2$ odpovídá radiálnímu propadu poloosy:

\frac{da}{dt} \approx -1{,}82\text{ cm/rok} \quad (-1{,}82\text{ m/století})

2. Doba do dosažení mechanické Rocheovy meze a vznik prstence #

Kritická vzdálenost mechanického rozpadu pro nekohézní sféroidální těleso (rubble pile) o hustotě $\rho_P$ v gravitačním poli planety o poloměru $R_M$ a hustotě $\rho_M = 3,933\text{ kg/m}^3$ :

d_R = R_M \left( \frac{3 \rho_M}{\rho_P} \right)^{1/3} \approx 3\,389{,}5 \times \left( \frac{3 \times 3\,933}{1\,876} \right)^{1/3} \approx 6\,200\text{ km}

Vzdálenost od povrchu činí pouhých $h_{\text{crit}} = d_R - R_M \approx 2,800\text{ km}$ . Zbývající doba života satelitu $\tau_{\text{life}}$ :

\tau_{\text{life}} = \int_{a_0}^{d_R} \frac{da}{\dot{a}(a)} \approx \frac{a_0^{13/2} - d_R^{13/2}}{\frac{13}{2} C_{\text{tide}}} \approx 38 \pm 6\text{ milionů let}

Při dosažení meze $d_R$ slapový gradient $\frac{\partial F_g}{\partial r} = \frac{2 G M_M}{r^3} R_P$ převýší vlastní samogravitaci $g_P = \frac{G M_P}{R_P^2}$ v kombinaci s vnitřním třením suti. Dojde k desintegraci tělesa a vzniku marsovského prstence o plošné hustotě $\sigma \approx 10^2-10^3\text{ kg/m}^2$ , který bude deorbitovat na povrch Marsu během dalších $\sim 10-50\text{ Myr}$ .

3. Tenzor slapového napětí a původ povrchových rýh (Grooves) #

Slapový gravitační potenciál $V_T$ působící na povrch synchronně rotujícího triaxiálního satelitu s poloosami $a_e > b_e > c_e$ ( $a_e = 13{,}0\text{ km}, b_e = 11{,}4\text{ km}, c_e = 9{,}1\text{ km}$ ):

V_T(x, y, z) = \frac{1}{2} n^2 \left( 3 x^2 - z^2 \right)

Kombinace slapového napětí s radiálním smršťováním orbity způsobuje globální pole napětí $\sigma_{ij}$ . Hlavní tahové napětí dosahuje maxima podél rovníkového pásu:

\sigma_{\text{tensile}} \sim \rho_P n^2 R_P^2 \approx 10^3-10^4\text{ Pa}

Ačkoli jde o relativně malé hodnoty, pro nekohézní regolit bez pevnostního tmelu s vnitřním úhlem tření $\phi \approx 30^\circ$ toto napětí plně postačuje k iniciaci extenzních normálních zlomů a sesuvů, což vysvětluje morfologii rovnoběžných brázd táhnoucích se napříč tělesem nezávisle na impaktním kráteru Stickney.

4. Vědecké reference a primární literatura #

[1] Hall, A. (1877). Observations of the Satellites of Mars. Astronomische Nachrichten, 91(1), 11–14.
[2] Thomas, P. C. (1979). Surface features of Phobos and Deimos. Icarus, 40(2), 223–243.
[3] Bills, B. G., et al. (2005). Improved estimate of tidal dissipation within Mars from MOLA observations of the shadow of Phobos. Journal of Geophysical Research: Planets, 110(E7), E07004.
[4] Rosenblatt, P. (2011). The origin of the Martian moons revisited. Astronomy and Astrophysics Review, 19(1), 44.
[5] Black, B. A., & Mittal, T. (2015). The demise of Phobos and a future ring for Mars. Nature Geoscience, 8(12), 913–917.
[6] Willner, K., et al. (2014). Phobos' shape and topography models. Planetary and Space Science, 102, 51–59.

Literatura a vědecké reference

Bills et al.: Improved estimate of tidal dissipation within Mars from MOLA observations of Phobos. JGR: Planets, Vol 110, Issue E7, E07004 (2005)[online]
Black & Mittal: The demise of Phobos and a future ring for Mars. Nature Geoscience, Vol 8, pp. 913–917 (2015)[online]
Willner et al.: Phobos' shape and topography models. Planetary and Space Science, Vol 102, pp. 51–59 (2014)[online]

Typ	Přirozený satelit (rubble pile)
Materske telesa	Mars
Objevitel	Asaph Hall
Datum objevu	18. srpna 1877
Metoda objevu	Teleskopické pozorování (refraktor 66 cm USNO)
Průměr / Rozměry	26,8 × 22,4 × 18,4 km
Stredni prumer	22,5 km
Hmotnost	1,066 × 10^16 kg
Prumerna hustota	1,876 g/cm³ (vysoká pórovitost 30–40 %)
Povrchova gravitace	0,0057 m/s² (0,0006 g)
Úniková rychlost	11,3 m/s (40 km/h)
Stredni vzdalenost od marsu	9 376 km (pouhých 6 000 km nad povrchem)
Obezna doba	7 h 39 min (rychlejší než rotace Marsu)
Geometrické albedo	0,071 (velmi tmavé uhlíkaté těleso)
Dominantni krater	Stickney (průměr 9 km)
Budoucnost	Za 30–50 mil. let slapový rozpad v prstenec

Hmotnost M	1,0659(8) × 10^16 kg
Objem V	5 729 ± 40 km³
Hustota rho	1 876 ± 20 kg/m³
Hlavni poloosa a	9 376 km (0,0000627 AU)
Excentricita e	0,0151
Sklon drahy i	1,093° k rovníku Marsu
Sekularni pokles da dt	-1,82 cm/rok (-1,82 m/století)
Rocheova mez	6 200 km od středu Marsu (h ~ 2 800 km)
Zbyvajici zivotnost	38 ± 6 milionů let
Vnitrni porovitost	30–40 % (makropórovitost)

Phobos

Phobos

Obsah hesla

Phobos: Odsouzený souputník rudé planety

1. Objev z Washingtonu (1877) #

2. Bizarní oběžná dráha a nebeská podívaná #

3. Morfologie: Gigantický kráter Stickney a záhadné rýhy #

4. Složení: Porézní suťoviště (Rubble Pile) #

5. Neodvratný konec: Pád nebo vznik prstence #

Nebeská mechanika a geofyzika Phobosu: Slapový sekulární rozpad, Rocheova mez a napěťová tenzometrie

1. Slapová orbitální evoluce a sekulární retardace poloosy #

2. Doba do dosažení mechanické Rocheovy meze a vznik prstence #

3. Tenzor slapového napětí a původ povrchových rýh (Grooves) #

4. Vědecké reference a primární literatura #

Literatura a vědecké reference

AstroHub Podpora

Váš nákupní košík

Phobos

Obsah hesla

Phobos: Odsouzený souputník rudé planety

1. Objev z Washingtonu (1877) #

2. Bizarní oběžná dráha a nebeská podívaná #

3. Morfologie: Gigantický kráter Stickney a záhadné rýhy #

4. Složení: Porézní suťoviště (Rubble Pile) #

5. Neodvratný konec: Pád nebo vznik prstence #

Nebeská mechanika a geofyzika Phobosu: Slapový sekulární rozpad, Rocheova mez a napěťová tenzometrie

1. Slapová orbitální evoluce a sekulární retardace poloosy #

2. Doba do dosažení mechanické Rocheovy meze a vznik prstence #

3. Tenzor slapového napětí a původ povrchových rýh (Grooves) #

4. Vědecké reference a primární literatura #

Literatura a vědecké reference

Související hesla v AstroWiki

AstroHub Podpora

Váš nákupní košík