Marsmonde haben einen gemeinsamen Vorfahren

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Künstlerische Darstellung des Zusammenpralls zwischen einem Mars-Urmond und eine

Künstlerische Darstellung des Zusammenpralls zwischen einem Mars-Urmond und einem Asteroiden, was zur Bildung von Phobos und Deimos geführt haben könnte. (Grafik: Mark Garlick / markgarlick.com)

Phobos und Deimos sind die Überreste eines grösseren Marsmondes, der vor 1 bis 2,7 Milliarden Jahren in Stücke gerissen wurde. Dies schliessen Forscher des Instituts für Geophysik der ETH Zürich und des Physik-Instituts der Universität Zürich aufgrund von Computersimulationen und seismischen Aufzeichnungen der Marsmission Insight.

Die beiden Marsmonde Phobos und Deimos gaben seit ihrer Entdeckung im Jahr 1877 Rätsel auf. Sie sind sehr klein. Der Durchmesser von Phobos ist mit 22 Kilometern 160-mal geringer als der Durchmesser unseres Mondes. Deimos ist mit einem Durchmesser von nur zwölf Kilometer nochmals deutlich kleiner. «Unser Mond ist zudem schön kugelförmig, während Phobos und Deimos sehr unregelmässig geformt sind - wie Kartoffeln», sagt Amirhossein Bagheri, Doktorand am Institut für Geophysik der ETH Zürich. «Die Marsmonde gleichen damit eher einem Asteroiden als einem Mond.»

Deshalb vermutete man, dass Phobos und Deimos Asteroiden sein könnten, die vom Mars aufgrund seiner Schwerkraft eingefangen wurden. «Aber genau da begannen die Probleme», sagt Bagheri. Denn eingefangene Objekte müssten den Planeten in einer exzentrischen Bahn umlaufen, die ausserdem eine beliebige Neigung haben könnte. Doch die Bahnen der Marsmonde sind fast kreisförmig und verlaufen in der Äquatorebene des Mars. Dies widerspricht der Hypothese von eingefangenen Asteroiden. Wie jedoch kann man die aktuellen Umlaufbahnen von Phobos und Deimos erklären? Um dieses dynamische Problem zu lösen, setzten die Forscher auf Computersimulationen.

In die Vergangenheit zurückrechnen

«Die Idee war, die Bahnen und deren Veränderung in die Vergangenheit zurück zu verfolgen», erklärt Amir Khan, Senior Scientist am Physik-Institut der Universität Zürich und am Institut für Geophysik der ETH Zürich. Dabei schien es, dass sich die Bahnen von Phobos und Deimos in der Vergangenheit gekreuzt hatten. «Das heisst, die Monde waren sehr wahrscheinlich am selben Ort und müssen deshalb den gleichen Ursprung haben», sagt Khan. Die Forscher folgern, dass damals ein grösserer Himmelskörper den Mars umkreiste. Dieser ursprüngliche Mond wurde vermutlich von einem anderen Brocken getroffen und dadurch auseinandergerissen. «Phobos und Deimos sind die Überreste dieses verschollenen Mondes», sagt Bagheri, Erstautor der Studie, die jetzt in der Zeitschrift «Nature Astronomy» veröffentlicht wurde.

Was einfach nachvollziehbar ist, erforderte aufwändige Vorarbeiten. Denn zuerst galt es, die bestehende Theorie, welche die Wechselwirkung zwischen den Monden und dem Mars beschreibt, weiter zu entwickeln. «Was bei all diesen Himmelskörpern zusammenspielt, sind die Gezeitenkräfte», erklärt Khan. Dabei wird Energie umgewandelt. Diese sogenannte Energiedissipation hängt von der Grösse und vom Innern der Himmelskörper und nicht zuletzt von deren Abstand.

Einblicke ins Marsinnere und in seine Monde

Der Mars wird zurzeit von der Nasa-Mission Insight erforscht, an der die ETH Zürich beteiligt ist. Ein Seismometer, dessen Elektronik an der ETH gebaut wurde, zeichnet Marsbeben und Meteoriteneinschläge auf. «Damit kann man ins Planeteninnere blicken», sagt Khan. «Diese Daten werden verwendet, um das Mars-Modell in unseren Berechnungen und die im Inneren des roten Planeten auftretende Dissipation einzuschränken.»

Von Phobos und Deimos weiss man aufgrund von Bildern und Messungen anderer Marssonden, dass sie aus sehr porösem Material bestehen. Ihre Dichte ist mit weniger als 2 Gramm pro Kubikzentimeter deutlich kleiner als die mittlere Dichte der Erde, die 5,5 Gramm pro Kubikzentimeter beträgt. «Im Innern von Phobos gibt es viele Hohlräume, in denen es vielleicht Wassereis hat», vermutet Khan. «Da findet durch die Gezeiten viel Energiedissipation statt.»

Mithilfe dieser Erkenntnisse und der weiterentwickelten Theorie zur Wirkung der Gezeiten starteten die Forscher Hunderte von Computerläufen, welche die Mondbahnen rückwärts in der Zeit verfolgten, bis sie auf den Kreuzungspunkt stiessen - die Geburt von Phobos und Deimos. Je nach Simulation lag diese in einem Zeitraum, der 1 bis 2,7 Milliarden Jahren in die Vergangenheit zurückreicht. «Der genaue Zeitpunkt hängt von den physikalischen Eigenschaftenvon Phobos und Deimos ab», erklärt Bagheri. Eine japanische Sonde soll 2025 zu Phobos geschickt werden und Gesteinsproben zur Erde zurückbringen. Davon erhoffen sich die Forscher weitere Details zum Innern der Marsmonde, was genauere Berechnungen zu deren Ursprung ermöglichen wird.

Das Ende von Phobos

Die Berechnungen zeigen zudem, dass der gemeinsame Vorfahre von Phobos und Deimos weiter weg vom Mars war als Phobos heute. Während der kleine Deimos ungefähr dort blieb, wo er entstanden war, nähert sich der grössere Phobos aufgrund der Gezeitenkräfte dem Mars - ein Prozess, der weiter andauert, wie die Forscher erklären. Die Computersimulationen zeigen zudem die künftige Entwicklung der Mondbahnen. Demnach entfernt sich Deimos ganz langsam von Mars, so wie sich unser Mond langsam von der Erde wegbewegt. Phobos hingegen wird in weniger als 40 Millionen Jahren auf den roten Planeten stürzen oder bei seiner Annährung an Mars durch Gravitationskräfte auseinandergerissen werden.

Literaturhinweis

Amirhossein Bagheri, Amir Khan, Michael Efroimsky, Mikhail Kruglyakov and Domenico Giardini: Dynamical evidence for Phobos and Deimos as remnants of a disrupted common progenitor, Nature Astronomy, online publiziert, 22. Februar 2021. doi: 10.1038/s41550-021-01306-2

Barbara Vonarburg