Спутник Марса Фобос медленно, но неотвратимо падает на планету. Его орбита расположена ниже синхронной — он обращается вокруг Марса быстрее, чем сама планета вращается вокруг своей оси. Из-за приливных сил Фобос постепенно теряет высоту. Долгое время считалось, что он разрушится примерно на расстоянии около 1,6 радиуса Марса. Однако новое исследование показывает: всё может произойти раньше и гораздо сложнее.
Работа посвящена тому, как именно будет разрушаться Фобос, если он представляет собой так называемую «груду щебня» — тело, состоящее из обломков, удерживаемых собственной гравитацией и слабым сцеплением.
Почему Фобос обречён
Когда спутник приближается к планете, на него усиливаются приливные силы. В какой-то момент они начинают превышать силу собственной гравитации тела. Этот предел называют пределом Роша — расстоянием, внутри которого объект уже не может сохранить целостность.
Классическая оценка для Фобоса даёт разрушение примерно на 1,6 радиуса Марса. Именно это значение часто использовалось в моделях будущего марсианского кольца. Но такая оценка предполагает сферическую форму и не учитывает ряд важных факторов.
Фобос — вовсе не шар. Его размеры по осям составляют примерно 12,95 × 11,30 × 9,16 км. Он заметно вытянут, а его плотность составляет около 1,86 г/см³. Авторы исследования учли реальную форму спутника и его синхронное вращение. В результате оказалось, что уже на расстоянии около 2,0–2,2 радиуса Марса на поверхности Фобоса могут возникнуть условия, при которых материал начнёт «соскальзывать» в космос.
Это существенно дальше, чем считалось ранее.
Сначала осыпание, потом разрушение
Ключевой вывод работы — Фобос может начать терять вещество задолго до полного разрыва.
На определённом расстоянии приливные и центробежные силы в точках, обращённых к Марсу и противоположных ему, компенсируют собственную гравитацию спутника. В этих зонах частицы поверхности фактически оказываются в невесомости и могут свободно покидать тело.
Важно, что при этом внутренние напряжения ещё не обязательно превышают предел прочности. То есть возможен режим «тихого» приливного осыпания без мгновенного катастрофического разрушения.
Такой сценарий особенно вероятен, если Фобос обладает низкой когезией — то есть слабым внутренним сцеплением между частицами.
Компьютерная модель «груды щебня»
Чтобы проверить аналитические оценки, авторы провели численные моделирования с использованием гравитационного N-body кода pkdgrav и модуля для моделирования контактов частиц.
Фобос моделировался как совокупность тысяч сферических частиц с трением, имитирующим поведение сухого песка (угол естественного откоса около 35°). Рассматривались три варианта: идеализированный эллипсоид и две версии с реальной формой спутника — разного разрешения.
Орбиту спутника постепенно «сжимали», приближая его к Марсу, и наблюдали за реакцией структуры.
Результаты показали:
- При низкой когезии Фобос начинает терять отдельные частицы уже примерно на 2,25 радиуса Марса.
- Далее следуют несколько эпизодов осыпания.
- Полное разрушение происходит вблизи 2,1 радиуса Марса.
- Если когезия достаточно высокая (десятки килопаскалей), спутник может подойти ближе и разрушиться резко, без предварительного осыпания.
Интересно, что по мере приближения к Марсу внутренняя «сетка контактов» между частицами ослабевает. Это уменьшает эффективную прочность тела и приводит к разрушению на большем расстоянии, чем можно было бы ожидать по исходным параметрам.
Возможен ещё более драматичный финал
Авторы рассматривают и более сложный сценарий. Если Фобос будет постепенно сбрасывать материал, выброшенные обломки перейдут на орбиту вокруг Марса. Позже они могут вновь столкнуться со спутником.
При наличии даже небольшой эксцентриситетной орбиты такие столкновения будут происходить на скоростях, значительно превышающих скорость убегания с поверхности Фобоса. Это может запустить цепную эрозию — процесс, который способен уничтожить спутник ещё до достижения формального предела Роша.
Такой вариант особенно вероятен, если орбита Фобоса будет возбуждена резонансами с Солнцем или неравномерным гравитационным полем Марса.
Пересмотр прежних оценок
Ранее предполагалось, что прочность Фобоса может достигать десятков или даже сотен килопаскалей — на основе аналогий с метеоритами или оценки устойчивости рельефа. Однако авторы показывают, что даже полностью «бесклеевой» Фобос способен сохранять форму благодаря трению частиц.
Примеры астероидов Бенну, Рюгу и системы Дидим — Диморфос демонстрируют, что отдельные камни могут быть прочными, но вся структура в целом остаётся очень слабой. Следовательно, высокая прочность отдельных образцов вовсе не означает высокую прочность всего тела.
Если Фобос действительно представляет собой слабую груду обломков, его разрушение почти наверняка начнётся дальше от Марса, чем считалось ранее.
Что это значит для Марса
Существует гипотеза циклического «кольцо–спутник» механизма: спутник разрушается, формирует кольцо, из которого затем снова собирается новый спутник. Такие модели обычно исходят из разрушения на расстоянии около 1,6–1,8 радиуса Марса.
Если же реальное разрушение происходит ближе к 2–2,2 радиуса, это существенно меняет расчёты: увеличивается доля вещества, остающегося на орбите, и сокращаются временные масштабы цикла.
Ответ даст миссия MMX
Точный сценарий гибели Фобоса зависит от его внутреннего строения, распределения пустот и реальной когезии. Эти параметры пока неизвестны.
Японская миссия Martian Moons eXploration (MMX), запуск которой запланирован на 2026 год, должна существенно прояснить ситуацию. Аппарат изучит Фобос вблизи и доставит образцы на Землю. Это позволит уточнить его структуру и свойства материала.
Пока же можно сказать главное: Фобос, вероятно, начнёт разрушаться раньше, чем ожидалось, и его гибель может быть не одномоментной катастрофой, а длительным процессом постепенного приливного «осыпания» с возможным последующим самоуничтожением через столкновения собственных обломков.
Марс в будущем почти наверняка получит кольцо. Вопрос лишь в том, насколько драматичной окажется предыстория его появления.
Источники:
Статья создана по материалам работы на arXiv.org
