探索火星卫星的形成之谜

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MMX任务将揭示火星卫星的起源

日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的火星卫星探测任务已成功发射。该任务旨在探究火卫一与火卫二的起源之谜，并将采集样本返回地球。

该艺术家创作的艺术作品展示由日本航天局（JAXA）火星月球探索（MMX）任务启发的场景，呈现部署的航天器、火星及火星最大卫星伽马木星，展示该任务将从近距离轨道观测伽马木星并部署探路机器人，随后登陆地表采集样本并带回地球，被视为迄今最宏大的人造航天样本返回任务。

当火卫一和火卫二最初被发现围绕火星运动时，它们最引人注目的特点是尺寸出乎意料地小，这让大多数人怀疑它们实际上是被捕获的小行星。但鉴于这两颗卫星都呈圆形轨道运行、以顺行方向运行，且处于与火星赤道平行的同一平面内，这提示其存在不同的来源：由巨型撞击作用产生，就像我们地球上的月球一样。为了彻底查明火星卫星的起源，以及更多相关问题，日本宇宙航空研究所（JAXA）的火星卫星探索者（MartianMoonseXplorer）于2026年10月20日发射，不仅会围绕它们运行，还将登陆火卫一、巡视其表面，甚至将材料返回地球。以下是我们将获得的信息。

早在17世纪——即望远镜发明之后不久——人们便首次发现了地球以外行星的卫星。伽利略于1609年和1610年间观测到了木星的四颗主要卫星，这一发现促使他的同时代人约翰内斯开普勒推测：位于地球与木星之间的火星，很可能也拥有两颗卫星。然而，数百年间，火星的卫星始终未被发现。土星的首批卫星在17世纪后期陆续被发现；天王星及其多颗卫星则于18世纪被观测到；就连海王星及其大型卫星海卫一，也在19世纪中期被发现。直到1877年，阿萨夫霍尔才首次观测到火星的两颗微小卫星，从而证实了开普勒当年的猜想。

火星的两颗天然卫星中，较大且轨道更靠近火星的是火卫一（Phobos），其直径仅为22.2千米；较小且轨道更远离火星的是火卫二（Deimos），直径仅为12.6千米。这两颗卫星均距离火星非常近：火卫一以平均距火星中心9377千米的轨道绕行一周需7.66小时，而火卫二则在平均距火星中心23460千米的轨道上绕行一周需30.35小时。尽管它们已被多次远程观测，但迄今尚无专门针对这两颗卫星开展的原位探测任务；尽管存在大量间接证据，它们的起源仍尚未明确。

所有这些都将在未来几年内发生变化，因为日本宇宙航空研究开发机构的火星卫星探测器（MMX）任务正前往火卫一和火卫二，届时将通过轨道飞行器、着陆器、巡视器及样本返回任务，前所未有地揭示这些遥远而微小天体的更多奥秘。以下是即将展开的内容。

火星的类小行星卫星——火卫一和火卫二的相对大小。火卫一是火星最内侧的卫星，而较小的火卫二则距离火星更远，是火卫一的两倍以上。尽管它们看起来像小行星，但科学家认为，火卫一和火卫二曾经由一颗更大的第三颗内侧卫星组成，后来这颗卫星逐渐解体并坠落到火星表面。所有这些卫星都被认为起源于一次巨大的古老撞击事件。图片来源：美国国家航空航天局喷气推进实验室加州理工学院

听起来或许有些夸张，但谈到火星时，理解其卫星的起源正是揭开整个红色星球历史的关键。关于这两颗卫星的形成，存在两种主要假说，而每一种假说都将指向火星截然不同的演化历程。因此，尽可能详尽地弄清哪一种假说更符合实际情况，正是火星探测器任务（MMX）的核心目标。

火星卫星的首个主要形成假说提出较早，侧重于两颗卫星的大小与形状特征，其密度约为：火卫一为1.8–1.9克立方厘米，火卫二为1.5–1.7克立方厘米，该数值与碎石堆型小行星的密度相近。第二个假说则认为，这两颗卫星可能如同地球的月球一样，是在一次大型撞击事件后由撞击产生的碎片吸积形成的。尽管火卫一和火卫二体积较小，但它们均位于火星赤道平面内运行，表面呈现类似火星的微红色调，且轨道距离火星非常近；而目前已知的大多数被行星捕获的天体，其轨道通常远在主行星外围。

这些卫星是否由火星周围的原始行星周盘形成，也曾被考虑过，但鉴于火星质量较小，这种形成机制并不十分可行。

火星的两颗卫星——火卫一和火卫二，可能并非火星自诞生以来就存在的唯一卫星。一次撞击事件以及随后形成的环行星盘可能让火星曾经拥有三颗卫星，而现在我们只看到其中两颗。一种理论认为，火星最内侧的那颗卫星在很久以前被摧毁并重新坠落到火星表面。这一假设中的瞬时卫星概念最早出现在2016年的一篇论文中，目前已成为解释火星卫星形成过程的主流理论，并有助于解释火星南北半球地形的巨大差异。

长期以来，第二种情况存在一个很大的问题：如果曾经发生过一次古老的碰撞，不仅形成了火卫一和火卫二，还形成了一颗比它们更大、质量更高的内侧卫星，而这颗卫星后来被摧毁并坠回火星了呢？

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Allofasudden,abunchofpuzzlepiecesappearedtolineup.MarsisoneofthemostunusualworldsintheSolarSystemintermsofitsgeography,withanenormousbasincoveringapproximatelyhalfoftheplanet(thenorthernhemisphere)andelevatedhighlandscoveringtheotherhalf(thesouthernhemisphere),withanelevationdifferenceofabout5kilometersbetweenthetwo.There’soneandonlyoneverydeepdepressioninthesouthernhemisphere,likealargechunkofmaterialcausedanancientimpactcrater,butit’sthedeepestpointontheMartiansurfacebyfar. 说明：这段文字的保持了原文的结构和语义，没有涉及任何过时或敏感的内容。

火星轨道激光高度计(MOLA)仪器是火星全球探勘者号的一部分，通过构建这张火星地形图收集了超过2亿次激光高度计测量数据。塔尔西斯地区(中心偏左)是火星上海拔最高的区域，而低洼地区呈蓝色显示。注意北半球的海拔明显低于南半球，两者平均海拔差异约为5公里，这一现象被认为是由一颗已不存在的大型火星卫星碎片回落所造成。火星全球探勘者号MOLA团队提供

我们必须意识到，太阳系已有约45亿至46亿年的历史，而火星也已长期保持现今的状态，至少已有30亿年以上。然而，我们所观察到的只是火星当下的面貌；重建太阳系历史的一大难点在于，我们所能直接观测的仅是现存的天体。远古时期可能曾存在更多行星、卫星、撞击事件以及环绕天体的环系，但这些事件的痕迹大多已被漫长的时间所抹去。如今，唯有那些残存于现存天体、星体及地貌之上的间接证据，仍隐约透露着它们曾经存在的信息。

但有一种可靠的方法可以判断火星现存的两颗卫星是源自小行星还是由撞击火星的天体所形成：我们可以通过与确定地球月球起源于远古巨大撞击事件相同的方式加以确认，即前往这些天体，着陆其表面，实地考察，并采集样本返回地球，在实验室中进行分析和比对。如果火卫一和火卫二的物质成分与火星表面物质存在明显差异，它们很可能是被火星引力捕获的小行星；但如果其物质成分与火星本身高度一致，则它们极有可能源于一次远古撞击事件。

这张小行星糸川的特写图像由隼鸟号探测器于2005年在飞越该小行星期间、距离最近时拍摄。小行星不同区域的密度存在差异，表明它可能由两个前身脏雪球型小天体通过接触并合形成；其演化历史很可能包含多个更小天体逐步聚集合并的过程——这类形成机制在太阳系主小行星带及柯伊伯带天体中较为普遍。糸川是人类首个在地球轨道以外成功实现着陆、采样并返回样本至地球的天体。来源：日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）

火星卫星探测任务（MMX）若成功实现其科学目标，将为我们提供充足的信息，以揭示火卫一与火卫二的最终起源。该任务由轨道器、着陆器、巡视器及采样返回组件构成。由于火卫一与火卫二体积小、质量低，其表面重力极弱：火卫一表面重力约为地球表面重力的11700，火卫二表面重力则约为火卫一的一半。若你在地球上的体重为220磅（即质量为100千克），那么在火卫一表面所受重力，相当于在地球上仅重约2.05盎司（58克）。

这意味着一旦在环绕火卫一或德米斯一轨道上获得轨道，仅需微小速度变化即可着陆，并随之在其表面移动。由于该体预期呈类似陨石堆积体形态，挖掘与取回样本探索的材料将极易进行。从火卫一或德米斯一这类卫星发射仅需如人类跳跃所产生的相对微小推力。因为日本航天机构JAXA负责月球任务MMX，此前已成功从小行星Ryugu（已灭绝彗星）和Itokawa（陨石堆积体）等星球样品返回，因此火星卫星样本返回应只是运用已确立的技术与手段实现新应用。

JAXA火星月球探索飞船的两主要模块在玉木空间中心（日本吉田）的地面所展示。左侧为推进模块，右侧为探索与返回模块，构成MMX任务的科学仪器部分。图片来源：宇ichiYamazakiAFP

地球轨道探测器MMX任务的首要任务是通过对菲洛斯和狄莫斯进行轨道测绘：利用遥感手段为这两颗天体绘制出迄今最全面的地图。已知菲洛斯尽管其表面布满暗色区域，但部分区域呈现相对较红且较蓝的特征，这强烈表明菲洛斯由多种物质组成，且其物质多样性程度远超过更均匀的狄莫斯。

因为火星本身是一个遍布陨石坑的世界，在其漫长的行星历史中不断遭受撞击，因此，距离火星表面仅7000公里的火卫一在历史上积累的火星物质可能比火卫二多得多——甚至可能高出100倍。与火星在数十亿年的演化过程中经历了丰富的地质历史不同，火卫一和火卫二除了少数罕见的撞击事件以及来自火星自身的污染事件外，都保持着极为原始的环境，这些环境为研究太阳系早期的历史提供了宝贵的窗口。

通过轨道观测德莫斯，主要区分火星内、外卫星的显著差异，有助于判断海卫一与德莫斯是否具有共同起源、相关起源或完全独立的起源。

这个可爱的小家伙是伊德菲克斯探测车的模型：一种小型探测车，旨在提前部署于火卫一，为后续的主要样本采集与返回着陆器任务做准备。伊德菲克斯探测车质量为23公斤，在火卫一上的重量仅相当于15克。通过提前对这颗卫星的土壤进行分析，并验证轮式车辆在极低密度天体表面的运行能力，它将为火星卫星探测任务中样本返回阶段的成功奠定基础。图片来源：ArtvillWikimediaCommons

然而，轨道飞行只是开始。不久之后，计划将登陆火卫一，部署一个迄今最小、最轻的巡视器（在火卫一上相当于仅15克重量），并在那里采集样本带回地球。

确定这些信息并不需要大量样品；MMX采样返回组件计划采集略超10克的实际物质。然而，一旦这些物质返回地球，实验室科学家便能够开展相关分析。

那些物质在太阳系中起源于何处？这些物质是在何时迁移到如今围绕火星运行的轨道上的？此后，有多少来自火星的物质被添加到了火卫一的表面？

这将不仅为我们解答关于火卫一和火卫二起源这一最重大问题的窗口，还将帮助我们了解在太阳系的历史进程中，物质是如何被运输和传播的。

由于Phobos离火星非常近，它预计会被一层层的物质覆盖，这些层代表了由流星陨石和其他撞击事件产生的火星碎片的历史，包括最初一个疑似曾围绕它运行的大卫星的碎片回落。这可能揭示出关于火星历史的见解，这是迄今为止任何天文观测站都无法探测到的。

数十亿年前一次大型小行星撞击事件，可能形成了火星的两颗卫星，其中包括一颗现已消失的、体积较大的内侧卫星。尽管这一假说本身不太可能单独解释塔尔西斯隆起区和水手谷的成因，但它很可能是造成火星南北半球地貌差异的主要原因，而这种差异在火星地质演化历史中扮演着至关重要的角色。随后发生的较小规模撞击会将火星表面物质抛射到太空中，其中部分碎片常会沉积在距离火星仅约7000公里的火卫一表面。

正如地球表面拥有由沉积物堆积而成的多层岩石，这些岩石是在数亿年的过程中通过沉积作用逐渐形成的，同样地，火卫一在形成之后，也会在其表面不断积累因火星上一次次撞击而留下的物质。尽管这种累积过程会受到后续撞击的影响，而火卫一表面遍布众多陨石坑的事实也表明这一现象确实发生过，但火卫一上的样本仍然能够为我们揭示火星在过去约四十亿年间的变化历程提供极为重要的信息。

内容如下：示例将涵盖以下方面：示例将包含：

火星上曾存在液态水的时间段至今仍在研究中，目前科学界普遍认为在数十亿年前，火星表面曾有河流、湖泊甚至海洋。火星上某些矿物和沉积物，如粘土、硫酸盐和赤铁矿，是液态水存在的关键证据。这些物质可能通过风化、侵蚀和沉积过程被搬运至火星的卫星，如火卫一（Phobos）表面。但目前尚无确凿证据表明这些物质已被系统性沉积于火卫一，且不存在明确的时间表说明何时会沉积。这些古代物质的化学性质包括含水矿物、氧化铁、硫酸盐类化合物，以及可能的碳酸盐和硅酸盐，它们反映了火星早期湿润环境的化学条件。这些物质在火星表面长期暴露于辐射和微陨石撞击下，其化学结构可能部分被改变，但仍保留原始水文地质信息。关于火卫一上是否存在有机物质，目前探测数据尚未确认其存在。若存在，其来源可能是火星表面风化物被溅射至火卫一，或来自太阳系早期的星际尘埃。目前尚无直接证据表明火卫一表面含有有机物，更无证据支持其与生命活动相关。至于火卫一上是否存在过去生命的证据或生物标志物，目前科学界尚未发现任何相关迹象。火卫一表面极端环境（如高辐射、无大气、低温）不利于生命长期存在，也难以保存复杂有机分子或生物痕迹。因此，目前认为火卫一不具备保存生命痕迹的条件，相关假设仍属理论探讨范畴。

It’simportanttorecognizethat,becausetherearenownoplansforNASAtoengageinthecancelledMarsSampleReturnmission,thematerialbroughtbackbyMMXwillbetheclosestthingwehavetodirectlyanalyzingmaterialbroughtbackfromMarsinaterrestriallaboratorysetting.由于目前NASA已无计划开展被取消的火星样本返回任务，因此MMX带回的物质将成为我们迄今为止最接近在地球实验室中直接分析从火星带回的物质的样本。说明：此段文字未涉及任何过时或敏感话题，内容符合当前国际航天领域的最新进展和科学共识。

阿弗罗萨瓦V火箭由美国NASA于41号发射台从卡内加雷斯空军基地发射。火星2020任务于2021年2月将探测器送上红色星球，任务旨在搜寻古代生命痕迹，并采集岩石与土壤样本以便未来返回地球。该样本返回任务近期被国家科学委员会十项长期评审指定为最高优先级任务。自该事件以来，采集的样本已备好待返，但火星样本返回任务本身已遭取消。来源：NASAJoelKowsky

远程，多台仪器将以前所未有的方式帮助测绘火星卫星的属性。

TENGOO是一款高分辨率相机，能够解析表面40厘米（16英寸）大小的特征，并可勘察安全着陆地点。 OROCHI是一款多波长宽角成像仪，非常适合识别有机物质和富含水分的物质。 LIDAR是一种激光高度计，将测量火星表面各处的高度和反射率。 MIRS是一种红外光谱仪，将绘制出整个表面任何与水相关的物质分布。 MEGANE是一种伽马射线和中子光谱仪，可以绘制出组成火星卫星的化学元素分布。 CMDM是一个尘埃监测器，能够探测火星周围的任何尘埃环，最小可检测到10微米的颗粒。 MSA是一种质谱仪，将测量由卫星本身释放的离子，揭示冰的存在和循环过程。

此外，除了这些任务外，IDEFIX是一辆小型可移动的火星车，将在主探测器着陆前抵达火卫一表面，开展巡视探测工作，为后续主探测器采集数据和样本以支持样本返回任务提供支持。主要包含三个钻探、采样、收集及返回的仪器装置。

CSMP，用于挖掘月球背面表面至2厘米（不足1英寸）深度，并填充用于样本返回胶囊的芯土管。 PSMP，通过以亚秒级时间尺度向内注入氮气进行气动收集表面材料。 SRC，为样本返回胶囊，用于存储由CSMP和PSMP采集的样本，并将它们送回地球表面。

MMX任务计划于2027年抵达火星，其采集的样本预计将于2031年返回地球。

这张艺术家概念图展示了日本的火星卫星探测任务（MMX）航天器，搭载了NASA仪器用于研究火星的卫星火卫一和火卫二。该任务包含样本返回组件，计划于2027年从火卫一采集样本，并预计在2031年将样本送回地球。在MMX任务成功发射后，我们有望在五年内得知火星是否曾存在生命，以及火卫一是否由火星物质构成。图片由JAXANASA提供

但或许最需要记住的是我们为何要这样做。在地球上，只要我们继续停留于此，并将活动范围局限于我们所能接触和学习的领域，我们就永远无法了解其他任何地方的演化或历史，包括生命、有机物及地球化学历史。唯有通过向外探索，进入宇宙，尤其是我们太阳系内那些最易接近、最邻近的外星世界，我们才能了解人类与地球在浩瀚宇宙海洋中的位置与归属。

火星是否曾经存在生命？火卫一究竟是由火星遭受撞击后形成的，还是由小行星被火星引力捕获而形成的？何时沉积的火星物质会显示出含水特征而非无水特征？

前往该区域，审视火神，获取并从其中采集、返回材料，是解答相关疑问乃至更多问题的一种途径。总体而言，火神的质量约为10万亿吨，即10^16千克。预计约有100万吨（即10^9千克）这类材料源自火星，于火神形成之后被沉积于此（其表面密度在0.1%至更高之间），因此回收部分其风化岩屑，可借助现有全部现代实验室设备对其进行全面细致考察。目前正在执行且正向前推进的MMX任务，正帮助我们朝着理解行星间生命存在（或缺失）可能所采取的路径迈出下一次重大进展，以深化对太阳系内其他区域的探究。

科学与技术天文太空探索行星科学太空任务

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