火星の衛星

火星の2つの衛星はフォボスとデイモスです。^[1]形は不規則です。^[2]どちらも1877年8月にアメリカの天文学者アサフ・ホールによって発見されました。^{[3]どちらも、}ギリシャ神話の双子の登場人物であるフォボス（恐怖とパニック）とデイモス（恐怖と戦慄）にちなんで名付けられました。2人は父親のアレス（ローマ神話の火星、これが火星の名前の由来）に同行して戦いに出ました。

地球の月と比較すると、フォボスとデイモスの衛星は小さい。フォボスの直径は22.2 km（13.8 mi）、質量は1.08 × 10^16kgであるのに対し、デイモスは直径12.6km（7.8マイル）、質量1.5 × 10¹⁵ kg。フォボスは火星に近い軌道を周回しており、軌道長半径は 9,377 km (5,827 マイル)、公転周期は 7.66 時間です。一方、デイモスは火星から遠い軌道を周回しており、軌道長半径は 23,460 km (14,580 マイル)、公転周期は 30.35 時間です。

衛星の起源については、2つの主要な仮説が浮上している。1つ目は、衛星が火星自体から発生したという説で、おそらく火星の二分面とボレアリス盆地を形成したとされる巨大衝突によるものである。2つ目は、衛星が捕獲された小惑星であるという説である。どちらの仮説も現在のデータと整合しているが、今後のサンプルリターンミッションによって、どちらの仮説が正しいかが判別できる可能性がある。^[4]

火星の衛星の存在についての推測は、木星の衛星が発見されたときに始まった。ガリレオ・ガリレイ（1564年 - 1642年）が、土星の側面に2つの突起（後に土星の環であることが発見された）を観察したという秘密の報告として、Altissimum planetam tergeminum observavi （「私は最も遠い惑星が3つの形をしているのを観察した」）のアナグラムsmaismrmilmepoetaleumibunenugttauirasを使用したとき、ヨハネス・ケプラー（1571年 - 1630年）はそれをSalve umbistineum geminatum Martia proles（こんにちは、火星の息子たち、怒り狂う双子たち）と誤解した。^[5]

ジョナサン・スウィフトの風刺小説『ガリヴァー旅行記』（1726年）は、 おそらくケプラーに触発され（そしてケプラーの惑星運動の第三法則を引用して）、第3部第3章（「ラピュタへの航海」）で2つの衛星について言及している。その中で、ラピュタの天文学者が、火星の直径の3倍と5倍の距離を10時間と21.5時間の周期で周回する火星の衛星2つを発見したと説明されている。フォボスとデイモス（どちらもスウィフトの小説から1世紀以上後の1877年に発見された）の実際の軌道距離は、火星の直径の1.4倍と3.5倍で、それぞれの公転周期は7.66時間と30.35時間である。^{[6] [7]} 20世紀、ソ連初期の火星・金星探査機の設計者V.G.ペルミノフは、スウィフトが火星人が地球に残した記録を発見し解読したのではないかと推測した。^[8]しかし、ほとんどの天文学者の見解は、スウィフトは当時の一般的な議論を採用したに過ぎない、つまり、内惑星の金星と水星には衛星がなく、地球には1つ、木星には4つ（当時は知られていた）あるので、類推すると火星には2つの衛星があるはずだ、というものである。さらに、それらの衛星はまだ発見されていなかったので、それらは小さく、火星に近いに違いないという推論がなされた。これにより、スウィフトはそれらの軌道距離と公転周期を大まかに正確に推定することができただろう。さらに、スウィフトの計算には、友人の数学者ジョン・アーバスノットの協力があった可能性もある。^[9]

ヴォルテールが1752年に書いた、地球を訪れた宇宙人を描いた短編小説『ミクロメガ』にも、火星の2つの衛星について触れられている。ヴォルテールはおそらくスウィフトの影響を受けていた。 ^{[10] [11]}これらの文学的言及にちなんで、デイモスの2つのクレーターはスウィフトとヴォルテールと名付けられている。^{[12] [13]一方、フォボスには}レジオ（ラピュタ・レジオ）とプラニティア（ラガド・プラニティア）があり、どちらも『ガリヴァー旅行記』の地名（空飛ぶ島ラピュタと、架空の国家バルニバルビの首都ラガド）にちなんで名付けられている。^[14]フォボスのクレーターの多くも『ガリヴァー旅行記』の登場人物にちなんで名付けられている。^[15]

アサフ・ホールは、 1877年8月12日午前7時48分頃（協定世界時）、ワシントンD.C.のアメリカ海軍天文台（フォギー・ボトムの旧海軍天文台）でデイモスを発見し、1877年8月18日午前9時14分頃（当時の資料では、1925年以前の正午を一日の始まりとする天文学の慣例に従い、 ^[16]発見時刻はそれぞれワシントン標準時の8月11日午後14時40分と8月17日午後16時6分となっている）にフォボスを発見した。^{[17] [18] [19]}当時、彼は意図的に火星の衛星を探していた。ホールは以前、8月10日に火星の衛星らしきものを見ていたが、悪天候のため、後になるまで衛星であると断定できなかった。

ホールはフォボスの発見をノートに次のように記録している。^[20]

「11 日 (1877 年 8 月) の夜早い時間に再度調査しましたが、やはり何も見つかりませんでした。しかし、数時間後に再度調査してみると、惑星のすぐ北側、反対側にかすかな物体が見つかりました。その位置を観測する時間がほとんどなかったのですが、川からの霧で作業が中断されました。これは 11 日の夜 2 時半のことでした。数日間は曇り空が続きました。

「8月15日、天気が回復しそうだったので、天文台で眠りました。11時に雷雨が降り、空は晴れ、捜索が再開されました。しかし、大気の状態は非常に悪く、火星は燃え盛って不安定だったため、物体は何も見えませんでした。現在では、その物体は当時、火星に非常に近かったため、目に見えないことが分かっています。

「8 月 16 日、この物体は惑星の次の側で再び発見され、その夜の観測では、この物体は惑星とともに動いており、衛星であれば、その離角の 1 つに近いことが示されました。この時まで、私は天文台の誰にも火星の衛星を探していることを話していませんでしたが、16 日の観測後、午前 3 時頃に天文台を出るときに、この物体を見せた助手のジョージ アンダーソンに、火星の衛星を発見したと思うと伝えました。また、この件が疑う余地がなくなるまで何も言わないようにと彼にも言いました。彼は何も言いませんでしたが、このことは秘密にしておくにはもったいないことだったので、私は自分で口にしました。8 月 17 日、1 時から 2 時の間に、私が観測を減らしていたとき、ニューカム教授が昼食を食べに私の部屋に入ってきたので、私は彼に、火星の近くにあるかすかな物体の測定値を見せました。この測定値は、この物体が惑星とともに動いていることを証明しました。

「8月17日、外側の月を待ちながら見守っていたところ、内側の月が発見されました。17日と18日の観測により、これらの天体の性質が疑いの余地なく明らかになり、この発見はロジャーズ提督によって公表されました。」

発見に使用された望遠鏡は、当時フォギーボトムに設置されていた26インチ（66cm）の屈折望遠鏡（レンズ付き望遠鏡）でした。^[21] 1893年にレンズは再設置され、新しいドームに設置され、21世紀までそこに残っています。^[22]

元々はそれぞれフォブスとデイムスと綴られていたこの名前は、イートン校の理科教師ヘンリー・マダン（1838年 - 1901年）が、イリアス第15巻でアレス神が恐怖と戦慄を呼び起こす場面から提案したものである。 ^{[23]ヘンリー・マダンの兄弟}ファルコナー・マダンの孫娘であるベネティア・バーニーが、最初にプルートーという名前を提案した。

1959年、ウォルター・スコット・ヒューストンは、グレートプレーンズ・オブザーバーの4月号で有名なエイプリルフールのいたずらをし、「シエラネバダ大学のアーサー・ヘイオール博士は、火星の衛星は実際には人工衛星であると報告している」と主張した。ヘイオール博士とシエラネバダ大学は両方とも架空のものだった。ヒューストンの主張がソ連の科学者イオシフ・シュクロフスキーによって真剣に繰り返されたとき、^[24]後に反証された密度の推定に基づいて、フォボスは中空の金属殻であると示唆し、このいたずらは世界的な注目を集めた。

追加の衛星の探索も行われている。2003年、スコット・S・シェパードとデビッド・C・ジューイットは、不規則衛星を探すために火星のヒル球のほぼ全体を調査した。しかし、火星からの散乱光のため、衛星フォボスとデイモスがある内側の数分間の探索はできなかった。見かけの限界赤等級23.5（アルベド0.07で半径約0.09kmに相当する）には新しい衛星は見つからなかった。^[25]

火星の赤道付近の表面から見ると、フォボスは満月で地球の満月の約 3 分の 1 の大きさに見えます。フォボスの角直径は 8' (昇る) から 12' (頭上) の間です。軌道が近いため、観測者が火星の赤道から離れると小さく見え、極に近づくと完全に地平線の下に沈みます。そのため、フォボスは火星の極冠からは見えません。火星の観測者にとって、デイモスは明るい星または惑星 (地球から見た金星よりわずかに大きい) のように見えます。角直径は約 2' です。対照的に、火星から見た太陽の角直径は約 21' です。したがって、火星では衛星が太陽を完全に覆うには小さすぎるため、皆既日食は発生しません。一方、フォボスの皆既月食はほぼ毎晩発生します。^[26]

フォボスとデイモスの動きは、地球の月の動きとは非常に異なっているように見えます。フォボスは高速で西に昇り、東に沈み、わずか 11 時間で再び昇りますが、デイモスは同期軌道のすぐ外側にあるため、予想どおり東に昇りますが非常にゆっくりです。30 時間の軌道にもかかわらず、火星の自転からゆっくりと遅れていくため、西に沈むのに 2.7 日かかります。

どちらの衛星も潮汐ロックされており、常に火星に対して同じ面を向けている。フォボスは火星自体の自転よりも速く火星を周回するため、潮汐力によってその軌道半径はゆっくりと、しかし着実に減少している。将来のある時点で、フォボスがロッシュ限界内に落ちると、これらの潮汐力によって分解され、火星に衝突するか、リングを形成するだろう。^{[27] [28]}火星表面のいくつかのクレーター列は、古いものほど赤道から遠くに傾いており、フォボスと予想される運命をたどった他の小さな衛星があり、これらの出来事の間に火星の地殻全体が移動した可能性があることを示唆している。^[29]一方、ダイモスは十分に遠いため、その軌道は地球の月と同様にゆっくりと押し上げられている^[30]。

2024年3月5日： NASAは、火星探査車 パーサヴィアランスが撮影した、月デイモス、月フォボス、水星の太陽面通過の画像を公開した。

火星の衛星の起源は未だ議論の的となっている。^[32]フォボスとダイモスはどちらも炭素質C型小惑星と多くの共通点があり、スペクトル、アルベド、密度はC型またはD型小惑星のものと非常に似ている。^[33]これらの類似性に基づいて、両方の衛星がメインベルト小惑星に捕獲された可能性があるという仮説がある。^{[7] [34]両方の衛星は火星の}赤道面にほぼ正確に重なる非常に円形の軌道を持っているため、捕獲起源には、当初の高度に離心率の高い軌道を円形にし、その傾斜を赤道面内に調整するメカニズムが必要である。これはおそらく大気抵抗と潮汐力の組み合わせによるものであるが、^[35]ダイモスの場合、これが発生するのに十分な時間があるかどうかは明らかではない。^[32]捕獲にはエネルギーの消散も必要である。現在の火星の大気は薄すぎるため、大気ブレーキでフォボスサイズの物体を捕獲することはできない。^[32] ジェフリー・ランディスは、もし元の天体が潮汐力によって分離した連星系小惑星であったなら、捕獲が起こった可能性があると指摘している。 ^[34]

フォボスは、火星と同じ誕生雲から同時に形成されたのではなく、火星形成後に軌道上で合体した第二世代の太陽系天体である可能性がある。 ^[36]

もう一つの仮説は、火星はかつてフォボスやダイモスサイズの天体で囲まれており、おそらく大きな微惑星との衝突によって火星の周りを回る軌道に放出されたというものである。^{[37]フォボスの内部の高い多孔性（密度1.88 g/cm 3}に基づき、空隙はフォボスの体積の25～35パーセントを占めると推定される）は、小惑星起源とは矛盾している。^[38]熱赤外線によるフォボスの観測は、火星の表面でよく知られているフィロケイ酸塩を主に含む組成を示唆している。そのスペクトルはすべてのクラスのコンドライト隕石のスペクトルとは異なり、やはり小惑星起源ではないことを示している。^[39]両方の研究結果は、火星への衝突によって放出された物質が火星の軌道上で再集積してフォボスが誕生したという説を支持しており、^[40]これは地球の月の起源に関する 一般的な理論と似ている。

火星の衛星は、火星の3分の1の質量を持つ原始惑星との大規模な衝突から始まったと考えられており、その衝突によって火星の周りにリングが形成された。リングの内側の部分は大きな衛星を形成した。この衛星と外側のリングの重力相互作用によってフォボスとダイモスが形成された。その後、大きな衛星は火星に衝突したが、2つの小さな衛星は軌道上に残った。この理論は、衛星のきめの細かい表面と高い多孔性と一致する。外側のディスクはきめの細かい物質を生成する。^{[41] [42]シミュレーションによると、火星に衝突した物体は}ケレスとベスタの大きさの範囲内でなければならなかったと示唆されている。より大きな衝突であれば、より質量の大きいディスクと衛星が生成され、フォボスやダイモスのような小さな衛星の存続が妨げられたであろうからである。^[43]

最近では、アミールホセイン・バゲリと彼のチューリッヒ工科大学および米国海軍天文台の同僚が、衛星の起源に関する新しい仮説を提唱した。火星探査機インサイトやその他のミッションから得られた地震データと軌道データを分析することで、彼らは衛星が約10億年から27億年前に共通の親天体の破壊から生まれたという仮説を提唱した。フォボスとダイモスの共通の祖先は、おそらく別の物体に衝突され、粉々になってフォボスとダイモスを形成した。^[44]しかし最近の論文は、フォボスとダイモスが単一の祖先衛星から直接分裂した可能性は低いことを示唆している。^[45]彼らはN体シミュレーションを使用して、単一の祖先衛星のシナリオでは、2つの衛星の間に衝突が起こり、104^年後にデブリリングが形成されることを示している。

もう一つの説は、火星が土星や海王星の軌道外から来た物体に衝突されたというものである。この物体は火星の質量の約3%で、少なくとも30%、最大70%の水氷で構成されている。この衝突により火星の周りには大量の水を含む円盤が形成され、火星が冷却されて岩石の化学組成が変化し、フィロケイ酸塩と呼ばれる鉱物の一種が生成されたと考えられる。^[46]

多くの火星探査機がフォボスとダイモスの画像やその他のデータを提供したが、これらの衛星に特化してフライバイや表面への着陸を行うことを目的とした探査機はごくわずかだった。

ソ連のフォボス計画による2機の探査機は1988年に打ち上げられたが、どちらも失敗のためフォボスとデイモスへの予定されていたジャンプ着陸は行わなかった（ただしフォボス2号はフォボスの写真撮影に成功した）。ソ連崩壊後のロシアのフォボス・グルント探査機はフォボスからの最初のサンプルリターンミッションとなる予定だったが、ロケットの故障により2011年に地球周回軌道上に取り残された。機体を再稼働させる努力は失敗に終わり、2012年1月15日にチリ西部の太平洋上で制御不能な再突入により地球に落下した。^{[47] [48] [49]}

1997年と1998年、アラジン計画はNASAディスカバリー計画の最終候補に選ばれた。計画ではフォボスとダイモスの両方を訪れ、衛星に発射体を打ち上げることになっていた。探査機はゆっくりと接近飛行しながら噴出物を収集する。これらのサンプルは3年後に研究のために地球に持ち帰られることになっていた。最終的にNASAはこの提案を却下し、水星探査機メッセンジャーを採用した。^[50]

2007年、欧州宇宙機関とEADSアストリウムは、2016年に着陸船とサンプルリターンを伴うフォボスへのミッションを提案・開発したが、このミッションは飛行されなかった。^[要出典] カナダ宇宙庁は、2007年以来、フォボスへの周回衛星と着陸船を伴うフォボス偵察および国際火星探査（PRIME）ミッションを検討してきた。 ^[要出典] 2013年以来、NASAは周回衛星と小型ローバーを伴うフォボスサーベイヤーミッションのコンセプトを開発した。 ^{[51] [52]} NASAのPADMEミッションは、火星の衛星の複数回のフライバイを行うように設計されていたが、開発対象には選ばれなかった。^{[53]また、NASAは、フォボスからのサンプルリターンのためのコンセプトミッションである}OSIRIS-REx IIを評価した。^[54]デイモスからの別のサンプルリターンミッションであるガリバーが概念化されている。^[55]

JAXAは、火星衛星探査（MMX）ミッションを2026年に打ち上げ、フォボスから最初のサンプルを持ち帰る予定である。^{[56] [57]}探査機は火星の周回軌道に入り、その後フォボスに移動し、^{[58] 1回か2回着陸し、簡単な}空気圧システムを使用して砂のようなレゴリス粒子を収集する。 ^[59]着陸機ミッションは、最低10 g（0.35オンス）のサンプルを回収することを目指している。^{[60] [61]}その後、探査機はフォボスから離陸し、より小さな衛星デイモスに数回フライバイした後、帰還モジュールを地球に送り返し、2029年7月に到着する予定である。 ^{[58] [56]}

• 
  フォボス、右側にスティックニークレーターあり（2003年）。
• 
  フォボス（1998年）。^[62]
• 
  比較 -フォボス（上）とデイモス（下）（2005 年）。

• 火星の衛星へのミッション一覧
• 火星トロヤ群 – 火星の軌道を共有する天体
• 火星の衛星
• 火星からのダイモスの通過 – 火星の衛星の通過
• 火星からのフォボスの通過 – 火星からの月の通過

• フォボスとダイモスの探査に関する第一回国際会議（2007年）
  • パスカル・リー – 火星の衛星の有人探査のケース (2007) (pdf)

• 惑星命名法の地名辞典 – 火星 (USGS)
• 火星とその衛星フォボスとダイモスの軌道のインタラクティブな 3D 視覚化