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科学|奔火｜火星也有卫星吗？

作者：吕博瀚
中国科学院国家空间科学中心
中国科学院月球与深空探测总体部
卫星是指环绕一颗行星按闭合轨道做周期性运行的天体 ， 可分为人造卫星和天然卫星 。在太阳系内 ， 除水星和金星外 ， 其他行星均有卫星环绕 。月球作为第一个人类曾经登陆过的地外天体 ， 就属于地球的天然卫星 。
火星作为太阳系八大行星之一 ， 同样拥有两颗天然卫星 ， 它们以古希腊神话中战神阿瑞斯（Ares）的儿子命名——福布斯（Phobos）和狄默斯（Deimos） 。
早在1726年 ， 乔纳森·斯威夫特就受到伽利略借助望远镜发现木星卫星的启发 ， 在小说《格列佛游记》中提出猜想：火星上可能有两颗较小的卫星 ， 卫星围绕着火星旋转 ， 前一颗每10小时绕火星一周 ， 后一颗每21.5小时绕火星一周 。这个猜想虽然与火星的真实数据有差距 ， 但是作为一个猜想已经很伟大了 。
火星的卫星——远近相映
一百多年之后 ， 1877年 ， 阿萨夫·霍尔先后在美国海军天文台发现了火星的两颗卫星——火卫一（Phobos）和火卫二（Deimos） 。1971年11月-12月 ， 美国的水手9号探测器最早拍摄到了火卫一和火卫二的照片 。
科学|奔火｜火星也有卫星吗？
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Figure 1 Deimos（图片来源：NASA）
科学|奔火｜火星也有卫星吗？
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Figure 2 Phobos（图片来源：NASA）
火卫一是火星两颗卫星中较大的一颗 ， 形状类似马铃薯 ， 质量为9.8×1015kg ， 轮廓尺寸为26.6km×22.2km×18.6km ， 距火星平均距离约9378km ， 这个距离比任何其他已知行星的卫星都要近 ， 轨道周期7小时39分 ， 环绕火星运动的速度大于火星自转速率 ， 所以火卫一每天可围绕火星运动3圈 。
火卫二是火星两颗卫星中离火星较远也是较小的一颗 ， 质量为2.0×1015kg ， 轮廓尺寸为15km×12.2km×11km ， 距火星23459km ， 轨道周期30小时18分 。
火卫一和火卫二的轨道并不“稳定” ， 同地月关系一样 ， 火星和它的卫星之间同样存在潮汐力的影响 。当引力源对物体产生力的作用时 ， 由于物体上各点到引力源距离不等 ， 受到的引力大小不同 ， 从而对物体产生撕裂效果 ， 这种引力差就是潮汐力 。目前 ， 火卫一的轨道正在慢慢变小 ， 2015年发表在英国《自然-地球科学》上的一篇论文显示 ， 火卫一正在以每年1-2m的速度接近火星 ， 可能在2000万年到4000万年以后因潮汐力分崩离析 ， 而产生的碎掉的颗粒可能在火星周围分散开来 ， 形成围绕火星的行星环 。而火卫二却正在慢慢远离火星 。
与其他天然卫星相比 ， 火星卫星的体积太小 ， 当火卫一和火卫二在太阳前越过时甚至不能完全覆盖太阳 ， 仅仅会出现一颗穿越太阳表面的小黑点 ， 形成环形日食 。下图就是美国好奇号探测器拍摄的日食过程 。
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Figure 3（图片来源：NASA）
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Figure 4（图片来源：NASA）
火星卫星的起源目前仍有争议 ， 目前有两种学说 。第一种是俘获说 ， 即火星的两颗卫星都是被捕获的小行星 。另一种是撞击说 ， 即火星的卫星是火星与其他天体撞击溅射出来的 。
为什么要研究火星的卫星？
人类对宇宙的探索永无止境 ， 强烈的求知欲和好奇心是推动人类进步的强大动力 ， 正是在这种强大动力的驱动下 ， 人类开启了对火星的探索 。然而 ， 地球与火星的最远距离可达约4亿公里 ， 将信号从火星发回地球将产生10~20分钟的延迟 。倘若将火星的卫星作为探测火星的“前哨站” ， 宇航员则可以在“前哨站”上直接遥控火星表面的探测器进行工作 ， 避免信号延迟等问题 。
若人类想要将火星的卫星建设成为探测火星的“中转站” ， 就必须对火星的卫星进行比较细致的探索 。日本航空航天勘探局（JAXA）公布了火星卫星探测MMX任务（The Mars Moons Exploration） ， MMX任务将聚焦于火星的卫星探测 ， 探测器本身将对两颗卫星进行近距离遥感探测和原位探测 ， 拟解决包括探究火星卫星的起源 ， 是否含有水冰等科学问题。


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