赫拉号火星飞掠助力火卫一撞击研究

一项基于欧空局赫拉号小行星任务飞掠图像的新研究表明，火星的小外卫星火卫一曾被一次猛烈的天体撞击重塑，这或许能解释其神秘光滑且年轻的外观：撞击产生的厚厚尘埃层可能起到了类似行星级化妆品填充物的作用。

土豆形状的火卫一直径12公里，大小与卢森堡市相当，绕火星表面约24000公里运行。当NASA的1970年代海盗号轨道器首次访问时，发现它比另一颗火星卫星火卫二（Phobos）更光滑、更布满尘埃，后者布满陨石坑和裂缝。它的另一个主要特征是其南极周围有一个巨大的10公里宽盆地，像山间的马鞍。

赫拉号小行星取景相机拍摄的火星和火卫一

模拟火卫一撞击

火卫一距火星较远，使得航天器相对难以访问——最近的图像来自欧空局赫拉号任务，该任务于2025年3月飞掠火星。然而，一个主流理论认为其南极凹陷和尘埃性质都源于一次小行星撞击。

本周发表在《自然·天文学》上的一项新研究使用高分辨率撞击模拟软件，试图重现这一灾难性但非破坏性的事件，使其与今天看到的火卫一状态相匹配。

赫拉号火星飞掠

该研究由伯尔尼大学、国际空间科学研究所（ISSI）和布鲁塞尔自由大学（VUB）的Sabina Raducan领导：“我们在伯尔尼大学的高性能计算集群上运行伯尔尼光滑粒子流体动力学（SPH）撞击代码，通过将目标天体重建为数百万个粘附粒子，其相互作用由各种可编程变量控制，包括重力水平、材料强度和内聚力。

“在这种情况下，我们用SPH粒子创建了火卫一的详细形状模型，填充了南部凹陷，为撞击体撞击做好准备。然后我们运行了大约一百次模拟——每次大约需要一周时间完成——以试验不同的撞击体质量和接近角度。”

火卫一撞击模拟的静止画面

他们发现的最佳匹配是一个相对较小的320米宽小行星以约45度倾斜角度高速撞击月球。这次碰撞并未粉碎火卫一，而是在其南极挖掘出一个宽阔的凹陷，同时将大量物质抛向表面。

碰撞后果

大部分碎片后来落回，形成一层全球性的松散风化层，覆盖了许多现有表面特征——在某些地方深度超过两百米。

火卫一在火星上方的红外视图

Sabina Raducan也是赫拉科学团队撞击物理工作组的联合主席，她解释说：“我们的模拟与月球表面观察到的亮度模式一致，这与风化层的逐渐迁移有关，其行为更像松散堆积的尘埃而非更粘合的物质。南部凹陷随后平滑化而非保持尖锐陨石坑的方式也是如此。”

在这层尘埃之下，古老陨石坑的轮廓仍然可辨，这一发现为火星卫星的底层结构提供了宝贵见解。

Brian May爵士和赫拉科学团队其他成员看到火星图像到达

她补充说：“我们在赫拉号火星飞掠之前就开始了这项模拟活动，但希望赫拉号的观测能进一步约束结果。事实证明确实如此，因为赫拉号成像的月球一侧显示出更多埋藏的陨石坑。

“这些真的是我需要的最后一块拼图——尽管它们对肉眼来说并不明显。相反，我是通过赫拉科学团队成员Brian May爵士在赫拉图像后立即制作的光谱描绘来辨认它们的。”

立体图像中突出的埋藏火卫一陨石坑

洞察月球内部

这些撞击前陨石坑的持续存在表明火卫一本质上是相对脆弱的。撞击冲击波会在更坚固的天体中像钟声一样回荡，破坏或抹去较老的特征。它们的幸存表明其内部高度多孔、破裂，有效将撞击力减弱到亚灾难性规模。

欧空局赫拉项目科学家Michael Kueppers评论说：“因此，这项模拟暗示火卫一是一个碎石堆天体，类似于许多小行星。这并不一定意味着这颗卫星实际上是一颗被捕获的小行星——它很可能由火星表面撞击抛出的物质形成——但更可能的是它以类似方式形成，因此具有相似的性质。这是系列结果中的第一个，表明调整赫拉号火星飞掠以接近火卫一在科学上取得了丰硕成果。”

火卫一风化层位移

即将进行的太空任务

虽然对火卫一光滑表面和南部凹陷的其他解释仍然可行，但这项研究为这两个特征提供了统一的解释，并做出了实际预测，可供未来太空任务测试，首先是日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的火星卫星探测（MMX）任务，该任务计划于今年秋天发射，将访问这两颗卫星。

伯尔尼大学的SPH代码此前曾用于模拟NASA的DART航天器于2022年撞击Dimorphos小行星，其输出表明该天体发生了完全重塑。

这一预测将在今年秋天由欧空局的赫拉号实际验证，届时它将抵达Dimorphos进行近距离撞击坑调查，帮助提升人类的行星防御能力。