Спутники Марса

11 и 17 августа 1877 г. Асаф Холл на Вашингтонской обсерватории открыл два маленьких спутника Марса - Фобос и Деймос. Размеры их дисков были не различимы ни в какой телескоп, а блеск в среднем противостоянии соответствовал 11,6 и 12,8 звездной величины. Это свидетельствовало об их весьма малых размерах. Оценить эти размеры можно было таким путем.

Предположим, что отражательная способность спутников такая же, как и у самого Марса. Тогда отношение блеска планеты и спутника будет равно квадрату отношения их диаметров. Блеск Марса в среднем противостоянии равен -1,65 звездной величины, значит, Марс в 200000 раз ярче Фобоса и в 600000 раз ярче Деймоса. Отсюда следует, что диаметры обоих спутников меньше диаметра Марса в 450 и 770 раз соответственно, т. е. равны 15 и 9 км.

В действительности, как показали фотографии "Маринера-9" в 1971 г., оба спутника больше. Фобос имеет размеры 27×20 км, Деймос 15×11 км. Недооценка размеров спутников получилась потому, что их поверхность оказалась темнее марсианской.

Периоды обращения спутников вокруг планеты составляют 7 час. 39 мин. у Фобоса и 30 час. 21 мин. у Деймоса, их расстояния от центра планеты 9400 и 23500 км. Орбиты почти круговые, их наклон к экватору Марса у Фобоса 1 градус, у Деймоса 2,7 градуса.

Таким образом, Фобос совершает обращение вокруг планеты втрое быстрее, чем сам Марс вращается вокруг оси. За сутки Марса Фобос успевает совершить три полных оборота и пройти еще дугу в 78°. Для марсианского наблюдателя он восходит на западе и заходит на востоке. Между двумя последовательными верхними кульминациями Фобоса проходит 11 час. 07 мин.

Совсем иначе движется по небу Деймос. Его период обращения больше периода вращения Марса, но ненамного. Поэтому он хотя и "нормально" восходит на востоке и заходит на западе, но движется по небу Марса крайне медленно. От одной верхней кульминации Деймоса до следующей проходит 130 часов - пять с лишним суток!

Видимые диаметры обоих спутников для наблюдателя на поверхности планеты сравнительно невелики. Фобос в зените имеет видимый диаметр 16′ (по большой оси), т. е. кажется ровно вдвое меньше нашей Луны на земном небе, а у горизонта 11′. Деймос даже в зените имеет видимые размеры 2′×3′, т. е. в 10-15 раз меньше Луны, но все же его диск должен быть различим невооруженным глазом.

В 1945 г. американский астроном Б. Шарплесс обнаружил вековое ускорение в движении Фобоса по орбите. Это означало, что Фобос, строго говоря, движется по очень пологой спирали, постепенно приближаясь к поверхности Марса. Если так будет продолжаться и дальше, то через 15 млн. лет - срок с космогонической точки зрения весьма небольшой (1/300 возраста Марса) - Фобос упадет на Марс.

Однако только через 14 лет на это обратили внимание. К тому времени появились небесные тела, двигавшиеся точно таким же образом. Это были первые искусственные спутники Земли, запущенные в СССР и позднее в США. Торможение в земной атмосфере заставляло их снижаться, а приближение к центру Земли вызывало ускорение их движения.

Известный советский астрофизик И. С. Шкловский попытался в 1959 г. подсчитать, не может ли торможение в самых верхних слоях атмосферы Марса (на высоте 6000 км) быть причиной векового ускорения Фобоса. Результат был неожиданным: это возможно только в том случае, если Фобос... полый. Тогда он, подобно воздушному шару, будет испытывать заметное сопротивление окружающей газовой среды. Однако эта гипотеза, наделавшая в свое время много шума, не подтвердилась. Фотографии "Маринера-9" показали, что Фобос и Деймос имеют вид громадных каменных глыб.

Почти одновременно советским геофизиком Н. Н. Парийским была выдвинута другая гипотеза, объяснявшая особенности движения Фобоса приливным торможением. Несмотря на свою маленькую массу (2·10¹⁹ г), Фобос из-за близости к Марсу может вызывать довольно заметные приливы в его коре. Попробуем сравнить их с лунными приливами на Земле. Приливное ускорение пропорционально массе возмущающего тела и радиусу возмущаемого тела и обратно пропорционально кубу расстояния между их центрами. Составим отношение этих величин для системы Марс - Фобос (индекс 1) и Земля - Луна (индекс 2):

Итак, приливное ускорение, создаваемое Фобосом на Марсе, только в 100 раз меньше того, которое Луна создает на Земле. Если Луна заставляет земную кору дважды в сутки приподниматься и опускаться примерно на 50 см (вместе с горами, долинами, зданиями, людьми), то под действием Фобоса кора Марса будет испытывать поднятия на 5 мм - вполне заметную величину, и притом в два с лишним раза чаще.

Приливная волна на Земле из-за трения и сил напряжения в земной коре не поспевает за Луной, а отстает от нее на угол приливного запаздывания, почти равный 90°. В случае Марса будет то же самое, но движение приливной волны из-за уже известных нам обстоятельств обращения Фобоса будет направлено с запада на восток, в сторону вращения Марса. Притяжение приливных горбов будет тормозить движение Фобоса, вызывая уже известный нам эффект векового ускорения.

Были и другие объяснения этого явления (например, как полагают В. В. Радзиевский и В. П. Виноградова, его могло бы обусловить световое давление). Но вдруг появились сообщения, что никакого векового ускорения у Фобоса нет и проблема отпадает сама собой. В 1967 г. английский астроном Дж. Уилкинс подобрал такие параметры уравнений движения Фобоса, которые хорошо удовлетворяли наблюдениям за 1877-1929, а также за 1956 и 1967 гг. без гипотезы о вековом ускорении.

В 1968-1969 гг. московский астроном С. Н. Вашковьяк разработала новую аналитическую теорию движения Фобоса и Деймоса, более полную, чем применявшаяся до тех пор теория Г. Струве. Ее результаты также не показали наличия векового ускорения, но свою теорию С. Н. Вашковьяк сравнивала с наблюдениями только за 1877-1926 гг.

В 1972 г. американский астроном А. Т. Синклер построил наиболее полную теорию движения спутников Марса, основанную на обработке 3100 наблюдений их положений. Сперва Синклер получил вековое ускорение (правда, вдвое меньшее, чем Шарплесс), но потом, отбросив малонадежные, по его мнению, наблюдения 1877-1881 гг., пришел к выводу, что оно нереально.

Тогда ленинградский астроном В. А. Шор с группой сотрудников предпринял обработку всех опубликованных наблюдений спутников Марса за 1877-1973 гг., более 5000 измерений. И... вековое ускорение Фобоса было вновь обнаружено. Его величина составляла. 75% величины, найденной Шарплессом, и 150% величины, полученной Синклером. Отбрасывание тех или иных наблюдений не изменяет этого вывода. Данные "Маринера-9" тоже согласуются с полученным результатом.

Интересно, что у Деймоса никто из перечисленных исследователей не обнаружил никакого векового ускорения. Если верна приливная гипотеза, то это легко объяснимо. Нетрудно подсчитать, что приливное ускорение от Деймоса в 120 раз меньше, чем от Фобоса, к тому же приливная волна от Деймоса движется по поверхности Марса в 12 раз медленнее.

Неужели через 20-25 миллионов лет Фобос упадет на Марс? Ответ на этот вопрос дадут наблюдения ближайших 50 лет.

Что же нам известно о физических свойствах спутников Марса? Поверхность их оказалась очень темной, их альбедо равно 0,05, как у лунных "морей". Она вся испещрена кратерами ударного (метеоритного) происхождения, причем наибольший кратер на Фобосе имеет поперечник 5 км. Плотность кратеров на единицу поверхности спутников заставляет считать спутники весьма древними небесными телами. А малый наклон орбит к экватору Марса и их почти круговая форма противоречат гипотезе о происхождении спутников Марса путем захвата, хотя такой взгляд еще кое-кем высказывается.

Наблюдения "Маринера-9" показали, что оба спутника обращены к Марсу одной стороной (как Луна к Земле). Для установления такого вращения достаточно десятков миллионов лет для Деймоса и только сотен тысяч лет для Фобоса ввиду его близости к Марсу.

Непосредственные фотографии, фотоэлектрические и поляризационные наблюдения указывают на то, что наружный слой поверхности обоих спутников - мелко раздробленная пыль, слой которой имеет толщину около 1 мм. Ее состав, по-видимому, базальтовый со значительной примесью карбонатов. Инфракрасные наблюдения свидетельствуют о крайне низкой теплопроводности наружного покрова, что подтверждает гипотезу о пылевом слое.