De que são feitas as luas de Marte?

Artigo: On the Impact Origin of Phobos and Deimos I: Thermodynamic and Physical Aspects

Autores: Ryuki Hyodo, Hidenori Genda, Sébastien Charnoz, e Pascal Rosenblatt

Instituição do primeiro autor: Earth-Life Science Institute, Tokyo Institute of Technology

Status: Aceito no Astrophysical Journal, acesso aberto

De onde vieram Fobos e Deimos?

Inicialmente, nós pensávamos que Fobos e Deimos, os dois pequenos satélites de Marte, eram resultado de um sequestro interplanetário. Muitas luas no Sistema Solar parecem ser objetos gravitacionalmente capturados (como os satélites irregulares de Júpiter), e o espectro de refletância — ou seja, o espectro da luz refletida — sem linhas de Fobos e Deimos sugere que eles sejam asteroides do tipo D. No entanto, objetos capturados tendem a ter altas excentricidades, e ambos Fobos e Deimos orbitam Marte de maneira quase circular. Mais recentemente, houve uma proposta de que ambos satélites são resultado de um grande impacto ocorrido há 4,3 bilhões de anos. Em vez de terem sido capturados do espaço interplanetário, eles podem ter coalescido do disco de detritos gerado pelo impacto. Pesquisas anteriores mostraram que as massas e órbitas de Fobos e Deimos podem ser explicadas por essa proposta. Essa hipótese também poderia explicar a presença da bacia de Borealis, uma região estendida de baixa altitude localizada no pólo norte de Marte, que pode ser vista na Figura 1.

Figura 1. Mapa topográfico de Marte. A bacia de Borealis é a região azul na parte inferior, no hemisfério norte. Ela envolve muitas outras regiões com nomes oficiais, como Vastitas Borealis e Utopia Planitia. Adaptado desta imagem, gerada através de dados do Mars Orbiter Laser Altimeter, um instrumento do Mars Global Surveyor.

No artigo de hoje, os autores usam simulações com o método chamado de smoothed particle hydrodynamics (SPH, ou hidrodinâmica de partículas suavizada, em tradução livre) para aprender mais sobre as propriedades hidrodinâmicas e estruturais de um disco de detritos gerado pelo impacto proposto. SPH é um método comum usado para simulações de fluidos em astrofísica, ou mesmo para simular sistemas com um grande número de partículas que em certas escalas pode ser tratado como um fluido, como estrelas colidindo em galáxias. Em SPH, as propriedades em um dado local no fluido são estimadas pela média ponderada de partículas próximas àquele ponto usando uma função (ou kernel) de suavização, que usualmente é uma simples gaussiana.

Construindo proto-satélites

Para gerar um disco de detritos, os autores modelaram a colisão entre o jovem Marte e um corpo com 3% da massa de Marte. As primeiras 20 horas da simulação são mostradas na Figura 2.

Figura 2. Imagens instantâneas das primeiras 20 horas do impacto simulado. Linha superior: Posições das partículas no tempo. Pontos vermelhos são partículas de Marte, amarelos são partículas que caem em Marte, brancas são partículas do disco, e ciano são partículas que escapam do sistema. Linha inferior: Temperatura das partículas. O aquecimento por choque momentos depois do impacto liquefaz a maior parte do material. RMars é um raio de Marte (metade do raio da Terra).

O material ejetado na colisão é tão quente que se liquefaz, mas rapidamente esfria e forma vários pedaços de cerca de 1,5 metro em tamanho. As órbitas inicialmente excêntricas das partículas do disco evoluem nos próximos 30-40 anos, resultando em um toro de material em torno do planeta. As colisões dentro desse toro aquecem o material novamente, tornando-o líquido mais uma vez. A maior parte do material esfria em pedaços de 100 micrômetros, mas uma fração pequena dos silicatos no disco vaporizam e condensam em partículas de 0,1 micrômetro, que por sua vez podem revestir as partículas maiores. O processo de condensação gás-sólido gera partículas finas de silicato que podem ser responsáveis pelas propriedades espectrais que nós observamos em Fobos e Deimos e que parecem ser de asteroides.

Outro achado importante neste trabalho é que, independente do ângulo do impacto, o disco contém material de ambos o corpo colisor e o jovem Marte. A Figura 3 mostra a distribuição de partículas do disco em função de quão abaixo da superfície de Marte elas são originadas. Observa-se que o disco como um todo contém pelo menos 35% de material marciano em massa. Na parte exterior do disco, essa fração sobe para ~70%. Além disso, o material marciano provém em maior parte do manto, entre 50 e 150 km abaixo da superfície. Isso significa que, apesar de o ângulo de impacto e de a distância radial determinarem quanto material marciano os satélites contêm, todos os cenários de formação os levam a serem compostos de uma mistura de material de Marte e do corpo colisor. Mesmo que nós tenhamos robôs arranhando a sua superfície, nossa maior esperança de aprender mais sobre o material subsuperficial de Marte talvez seja através do estudo de suas luas.

Figura 3. Fração cumulativa de partículas originais de Marte em função da profundidade abaixo da superfície de Marte das quais elas originam. Além de 4 raios marcianos (linha sólida) há uma fração maior de partículas originais de menos de 50 km abaixo da superfície do que no disco como um todo (linha pontilhada).

Como isso pode ajudar em futuras missões a Marte?

Agora que temos uma ideia de o que esperar se Fobos e Deimos foram formados de um disco de detritos, como podemos testar essa hipótese? Essas ideias serão importantes para planejar missões futuras para Marte, como o MMX (Martian Moon eXploration, da agência espacial japonesa JAXA). A ideia do MMX é fazer observações cuidadosas de Fobos e Deimos antes de coletar amostras dos satélites e retorná-las para a Terra. Simulações como a que vimos hoje irão certamente ajudar a interpretar os achados de missões in loco para aprendermos mais sobre os satélites e o manto de Marte.


Nota: Este post é a tradução de What are Mars’ moons made of?, de autoria de Kerrin Hensley, autora do site Astrobites.

Imagem em destaque (Fobos vista pela sonda Mars Express) é cortesia de G. Neukum (FU Berlin) et al., Mars Express, DLR, ESA, e Peter Masek.

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