Fobos y Deimos se formaron al colisionar Marte con un protoplaneta

¿De dónde proceden los dos satélites naturales de Marte, Fobos y Deimos? Durante mucho tiempo, su forma sugirió que eran asteroides capturados por Marte. Sin embargo, la forma y el curso de sus órbitas contradicen esta hipótesis. Dos estudios independientes y complementarios proporcionan una respuesta a esta pregunta.

Uno de estos estudios, que se publicará en la revista The Astrophysical Journal y ha sido realizado principalmente por investigadores del CNRS y la Universidad de Aix-Marsella (ambos de Francia), descarta la captura de asteroides, y muestra que el único escenario compatible con las propiedades de la superficie de Fobos y Deimos es una colisión gigante.

En el segundo estudio, un equipo de Francia, Bélgica y Japón utiliza simulaciones digitales de vanguardia para mostrar cómo fueron capaces de formarse estos satélites entre los escombros de una colisión gigante entre Marte y un protoplaneta de un tercio de su tamaño.

Esta investigación, que es el resultado de la colaboración entre investigadores de la Universidad Paris Diderot y el Observatorio Real de Bélgica, en colaboración con el CNRS, la Université de Rennes y el Instituto Japonés ELSI, se publica en Nature Geoscience.

El origen de las dos lunas de Marte, Fobos y Deimos, sigue siendo un misterio. Debido a su pequeño tamaño y forma irregular, se parecen mucho a los asteroides, pero nadie entendía cómo Marte podría haberlos «capturado» y convertido en satélites con órbitas casi circulares y ecuatoriales.

De acuerdo con una teoría contraria, hacia el final de su formación Marte sufrió una colisión gigante con un protoplaneta: pero ¿por qué los escombros de un impacto crearían dos pequeños satélites en lugar de una luna enorme, al igual que la de la Tierra?

Una tercera posibilidad es que Fobos y Deimos se formaran al mismo tiempo que Marte, lo que implicaría que tienen la misma composición que su planeta, aunque su baja densidad parece contradecir esta hipótesis. Dos estudios independientes han resuelto ahora el rompecabezas: las lunas de Marte deben haber surgido de una colisión gigante.

Escenario

En el estudio franco-belga-japonés se plantea por primera vez un escenario completo y coherente para la formación de Fobos y Deimos, que habrían sido creados como consecuencia de una colisión entre Marte y un cuerpo primordial de un tercio de su tamaño, entre 100 y 800 millones de años después del inicio de la formación del planeta.

Según los investigadores, los restos de esta colisión formaron un amplio disco alrededor de Marte, compuesto por una parte interna densa compuesta de materia en fusión, y una parte externa muy delgada compuesta principalmente de gas.

En la parte interior de este disco se formó una luna de mil veces el tamaño de Fobos, que luego desapareció. Las interacciones gravitatorias creadas en el disco exterior por esta estrella masiva al parecer actuaron como un catalizador para la recolección de desechos y formar otras lunas más pequeñas, más distantes.

Después de unos pocos miles de años, Marte estaba rodeado por un grupo de aproximadamente diez pequeñas lunas y una luna enorme. Unos pocos millones de años más tarde, una vez que el disco de escombros se había disipado, los efectos de marea de Marte devolvieron la mayor parte de estos satélites de nuevo al planeta, incluida la luna grande. Sólo las dos pequeñas lunas más distantes, Fobos y Deimos, permanecieron, explica el CNRS en una nota de prensa.

Simulación

Debido a la diversidad de los fenómenos físicos implicados, ninguna simulación digital es capaz de modelizar todo el proceso. El equipo, dirigido por Pascal Rosenblatt y Sébastien Charnoz, tuvo que combinar por tanto tres simulaciones sucesivas de última generación para explicar la física que hay detrás de la colisión gigante, la dinámica de los escombros resultantes del impacto y su acumulación para formar los satélites, así como la evolución a largo plazo de estos satélites.

En un segundo estudio, los investigadores del Laboratorio de Astrofísica de Marsella (CNRS / Université Aix-Marsella) descartaron la posibilidad de una captura basándose en argumentos estadísticos basados ​​en la diversidad de composiciones del cinturón de asteroides.

Ellos, además, muestran que la huella de luz emitida por Fobos y Deimos es incompatible con la de la materia primordial que formó Marte (meteoritos como condritas ordinarias, condritas de enstatita y / o angritas). Por tanto, respaldan la hipotésis de la colisión. A partir de esta huella de luz dedujeron que los satélites están hechos de polvo de grano fino (menor que una micra).

Sin embargo, el pequeño tamaño de los granos de la superficie de Fobos y Deimos no puede, según los investigadores, explicarse solamente como consecuencia de la erosión causada por el bombardeo de polvo interplanetario. Esto significa que los satélites estuvieron desde el principio formados por granos muy finos, que sólo pueden formarse por condensación de gas en la zona exterior del disco de escombros (y no desde el magma presente en la parte interior). Ambos estudios están de acuerdo en este punto.

Por otra parte, la formación de lunas de Marte a partir de estos granos muy finos también podría ser responsable de una elevada porosidad interna, lo que explicaría su densidad sorprendentemente baja.

La cuenca Borealis

La teoría de la colisión gigante, que está corroborada por estos dos estudios independientes, podría explicar por qué el hemisferio norte de Marte tiene una altura menor que el hemisferio sur: la cuenca Borealis es muy probablemente los restos de una colisión gigante, como la que dio a luz a Fobos y Deimos.

También ayuda a explicar por qué Marte tiene dos satélites en lugar de uno solo, como nuestra Luna, que también fue creada por una colisión gigante. Esta investigación sugiere que los sistemas de satélites que se crearon dependían de la velocidad de rotación del planeta, porque en aquel momento la Tierra estaba rotando muy rápidamente (en menos de cuatro horas), mientras que Marte giraba seis veces más lento.

Nuevas observaciones harán posible pronto saber más acerca de la edad y la composición de las lunas de Marte. La agencia espacial japonesa (JAXA) ha decidido poner en marcha una misión en 2022, llamada Exploración de las Lunas de Marte (MMX), que traerá a la Tierra muestras del suelo de Fobos en 2027. Su análisis podría confirmar o invalidar este escenario. La Agencia Espacial Europea (ESA) ha planeado una misión similar en 2024 en asociación con la agencia espacial rusa (Roscosmos).

Referencias bibliográficas:

Pascal Rosenblatt, Sébastien Charnoz, Kevin M. Dunseath, Mariko Terao-Dunseath, Antony Trinh, Ryuki Hyodo, Hidenori Genda, Stéven Toupin: Accretion of Phobos and Deimos in an extended debris disc stirred by transient moons. Nature Geoscience (2016). DOI: 10.1038/ngeo2742

Thomas Ronnet, Pierre Vernazza, Olivier Mousis, Bastien Brugger, Pierre Beck, Bertrand Devouard, Olivier Witasse, Fabrice Cipriani: Reconciling the orbital and physical properties of the martian moons. The Astrophysical Journal (pendiente de publicación).