De geheimen van Phobos

Angstige tijden voor Marsmaan Phobos. Afbeelding: ZME Science.

Het gaat niet goed met de Marsmaan Phobos. Onlangs werd bekend dat het object langzaam maar zeker door de rode planeet aan stukken wordt gescheurd, om uiteindelijk verzwolgen te worden. Als door planeten gefascineerd jochie vind ik zulke berichten altijd reuze interessant, dus hierbij een stukje over Mars en zijn manen.

Tja, onze kleine buurplaneet heeft twee manen en wij maar één. Jaloersmakend? Nou nee. Waar de Aarde al miljarden jaren wordt vergezeld door een kleine planeet, heeft Mars twee aardappelvormige brokstukken om zich heendraaien, genaamd Phobos en Deimos. Enig sarcasme klinkt wel door in die namen, die "angst" en "paniek" in het Grieks schijnen te betekenen, want de brokstukken zijn slechts enkele tientallen kilometers groot, vele ordes van grootte kleiner dan de Aarde en Mars:

Relatieve grootte van de Aarde en Mars en hun manen.

De Aarde is ongeveer 7 keer zo groot en 9 keer zo zwaar als Mars, die op zijn beurt 7 keer zo groot en 9 keer zo zwaar als de Maan is (rechtsboven). De maantjes van Mars zijn echter tientallen miljoenen keer kleiner dan Mars en bevinden zich helemaal in de linkerbenedenhoek van de grafiek.

Over de herkomst van de maantjes zijn vele theorieën bedacht. Zo zouden het ingevangen asteroïden zijn. Maar hoe een kleine, eenzame planeet als Mars zoiets voor elkaar gekregen zou moeten hebben, werd niet duidelijk. Vooral Phobos was een rare maan. Het object staat dicht bij Mars en spiraliseert langzaam naar de planeet toe, waaruit de conclusie werd getrokken dat het object door Mars' ijle atmosfeer werd afgeremd. Dat moest dan ook betekenen dat het object hol was. Misschien was het wel een door Marsmannetjes achtergelaten ruimteschip!

Zoals gewoonlijk was er een veel elegantere verklaring voorhanden: Phobos valt langzaam naar Mars toe door de getijden die het maantje bij Mars opwekt. Dat zit zo: op Aarde worden veel satellieten in een geostationaire baan gebracht, wat betekent dat ze altijd boven hetzelfde punt op het aardoppervlak staan. Dat is voor communicatie natuurlijk reuze handig. Voor natuurlijke satellieten is het zelfs van levensbelang. Manen die boven de zogenaamde synchronisatiehoogte staan, zoals onze eigen Maan, draaien langzamer om hun moederplaneet heen dan deze om haar as draait. Hierdoor tapt de maan via getijden rotatie-energie van de moederplaneet af. Het gevolg is dat de planeet minder hard om haar as draait en de maan zich langzaam van de planeet verwijdert. Zo verwijdert de Maan zich ieder jaar zo'n 4 centimeter van de Aarde. Bij Phobos is het omgekeerde het geval: het maantje vliegt met een noodgang om Mars heen (ongeveer drie keer per Marsdag) en komt daardoor ieder jaar zo'n 2 centimeter dichter bij Mars te staan. Ook in de planetenwereld geldt dat hardlopers doodlopers zijn.

Het mag dan ook geen verwondering wekken dat de getijdenkrachten van Mars Phobos langzaam uit elkaar aan het rukken zijn. Op dit moment zijn de getijdenkrachten van Mars op het punt van de maan dat naar Mars is gericht al ongeveer een derde van de zwaartekracht van de maan zelf. De alsmaar toenemende getijdenkrachten zullen Phobos steeds verder vervormen, waardoor de getijdenkrachten nog groter worden totdat het maantje uit elkaar valt. Interessant genoeg staat Phobos nu al binnen de zogenaamde Rochelimiet voor vloeistoffen, wat betekent dat als Phobos alleen door de zwaartekracht bij elkaar gehouden zou worden, de getijdenkrachten van Mars al groot genoeg zouden zijn om het maantje aan stukken te scheuren. Dat dat nog niet is gebeurd, suggereert dat Phobos nog iets aan treksterkte heeft, ondanks dat men vermoedt dat Phobos niet veel meer is dan een berg puin die door een korst een beetje bij elkaar gehouden wordt.

Hoewel de toekomst er voor Phobos buitengewoon slecht uitziet, is er ook nog wat goed nieuws: als het maantje tot een ring uit is gesmeerd, zijn er geen getijden meer en zal de ring tot in lengte van dagen om Mars heen blijven draaien. Dat moet voor de toekomstige Marsbewoners een hele opluchting zijn. Ook kunnen ze genieten van een prachtig ringensysteem zoals Saturnus nu heeft.

Dat Phobos juist "in onze tijd" bezig is aan de laatste fase van zijn duikvlucht, is waarschijnlijk enorm toeval. Het roept wel de vraag op hoe Phobos en Deimos zijn ontstaan. In het verleden moeten de twee maantjes veel dichter bij elkaar hebben gestaan. Aan de hand van Shi et al. (2013) heb ik zelf een heel simpel model gemaakt van de baanevolutie van Phobos en Deimos.

Evolutie van de banen van Phobos en Deimos.

Hoewel mijn model niet helemaal overeenkomt met het veel ingewikkeldere model van bovengenoemd artikel, komt er wel uit naar voren dat de Marsmaantjes in het verleden (net na het ontstaan van het Zonnestelsel) veel dichter bij elkaar hebben gestaan. Maakten ze deel uit van hetzelfde object? Of had Mars in het verleden meer brokstukken om zich heendraaien? Dat laatste is goed mogelijk. Mars kan, net als de jonge Aarde, door een groot object getroffen zijn. Anders dan bij de Aarde klonterden deze brokstukken niet samen tot één maan, maar behielden ze om de een of andere reden hun eigen identiteit. Waarschijnlijk zijn de meeste maantjes (ver) boven de synchronisatiehoogte ontstaan. Door hun geringe massa hoefden ze maar weinig rotatie-energie van Mars af te tappen om aan de greep van Mars te ontsnappen. Phobos en Deimos ontstonden toevallig bijna precies op de synchronisatiehoogte, waardoor hun banen lange tijd nauwelijks veranderden. Phobos had de pech om net onder de synchronisatiehoogte te ontstaan en dat betekende dat het maantje een vier en een half miljard jaar durende duikvlucht tegemoet ging.

Hoewel de theorie over het ontstaan van Phobos en Deimos niet volmaakt is, vind ik het wel wat plausibeler klinken dan ingevangen asteroïden of een door Marsmannetjes gemaakt ruimteschip. Heeft de lezer nog andere theorieën?