火衛(wèi)二地形地貌探測綜述

李鐵映，顧征，周曉伶

北京空間飛行器總體設計部，北京 100094

1 引言

火星有2顆衛(wèi)星，即火衛(wèi)一(Phobos)、火衛(wèi)二(Deimos)，是除月球外僅有的類地行星的天然衛(wèi)星。這2顆衛(wèi)星處于被中心天體潮汐力鎖定狀態(tài)，其自轉周期等于環(huán)火公轉周期，只有一面始終朝向火星。自1877年發(fā)現(xiàn)這2顆衛(wèi)星以來，人類利用地面觀測、哈勃望遠鏡、深空探測器等方式開展了探測活動。尤其是20世紀70年代以后，人類發(fā)射了各類火星探測器以及深空探測器，利用這些探測器對2顆衛(wèi)星進行了更加深入的觀測。但對于充分認識2顆衛(wèi)星的起源、演化過程，積累的數(shù)據(jù)不足，仍需開展更多的探測研究。近年來，關于火衛(wèi)一和火衛(wèi)二的探測也獲得了越來越多的關注。NASA已陸續(xù)召開了3屆關于火衛(wèi)一、火衛(wèi)二探測的國際會議[1-3]，探討相關科學、無人探測及有人探測等內容。日本也規(guī)劃了針對2顆衛(wèi)星的探測項目[4]，以獲取更詳細的地形地貌數(shù)據(jù)。

此外，對火衛(wèi)一、火衛(wèi)二開展探索研究，不僅有助于了解2顆衛(wèi)星自身的起源、演化過程，還可為未來探索火星提供幫助，能夠為揭示太陽系的形成及演化過程提供線索。Francisco J. Arias提出了利用火星衛(wèi)星上的“沙子”對進入火星大氣層的再入飛行器減速[5]，Ariel N. Deutsch系統(tǒng)闡述了火星衛(wèi)星在將來火星探測中的重要作用[6]，這些研究都為未來的火星探測任務提供了新思路。

在對地外天體的各種探索活動中，地形地貌研究都是最重要的研究內容之一。火衛(wèi)一(Phobos)更靠近火星，觀測相對容易，因此關于火衛(wèi)一地形地貌研究的資料相對較多。本文主要以火衛(wèi)二為對象，整理了圍繞火衛(wèi)二開展的航天探測活動，并重點梳理了與地形地貌相關的研究成果，以期為未來對火衛(wèi)二的探測研究提供參考。

2 火衛(wèi)二基本參數(shù)及起源假說

2.1 軌道及物理特性參數(shù)

火衛(wèi)二是火星2顆衛(wèi)星中較小的那顆，為暗紅色的不規(guī)則天體，亮度為12.4星等，比火星亮度低7～8等[7]。該衛(wèi)星運行在大于火星同步軌道高度(17 065 km)的軌道上，由于受到潮汐力的影響，有逐漸遠離火星的趨勢。研究表明在過去的2.3×109年內軌道升高了1.5%[8]。多個探測器拍攝的圖片顯示，火衛(wèi)二表面分布著許多撞擊坑，但有碎石塊和風化層覆蓋，表面比較光滑[9]。通過發(fā)射電磁波對其進行探測[10]，發(fā)現(xiàn)火衛(wèi)二對電磁波反射率比其他太陽系內天體的反射率都要低，表面就像被光滑、細小、多孔的風化土壤層包裹著，推測其表面密度低、土壤孔隙率大。與其他小型天體(火衛(wèi)一、Gaspra、Ida等)相比，火衛(wèi)二表面非常平整，沒有溝槽結構(grooves)[11]。圖1為由MRO的HiRISE相機拍攝的火衛(wèi)二彩色增強圖像[12]。

圖1 由MRO的HiRISE相機拍攝的火衛(wèi)二彩色增強圖像Fig.1 The Deimos color photos taken by MRO

火衛(wèi)二的軌道參數(shù)及其他特性參數(shù)如表1所示[13-14]。

表1 火衛(wèi)二軌道參數(shù)及物理特性參數(shù)

2.2 起源假說

關于火衛(wèi)二的起源，目前科學界還存在爭論，是研究人員迫切想解釋的一個科學問題，因為該問題能夠揭示太陽系形成和演化的過程。目前，主要存在“小行星捕獲”、“火星軌道自然生成”兩類假說[15-17]，其中“自然生成”假說又可分為“自然聚集”假說及“撞擊拋射”假說[18-19]。以上假說的支撐證據(jù)及矛盾點如表2所示。

表2 起源假說證據(jù)及矛盾點

隨著對火星、火星衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的積累，“撞擊拋射”假說目前更占主流，研究人員還對撞擊拋射過程開展了建模分析[20-23]。目前對于火衛(wèi)二起源的分析，主要是基于衛(wèi)星表面特性觀測數(shù)據(jù)及軌道信息。如要給出更全面的科學解釋，還需要更多更細致的探測活動以開展衛(wèi)星內部結構研究，如地形地貌高分辨率詳查、就位探測、采樣返回等。

3 地形地貌探測

自20世紀70年代以來，人們對火衛(wèi)二開展了一系列探索活動，主要包括地面觀測、哈勃望遠鏡觀測以及火星探測器觀測。大多數(shù)火星探測器的主要目標是火星探測，其中一些探測器的拓展任務是火星衛(wèi)星探測，極少數(shù)探測器的主任務是火星衛(wèi)星探測。截至目前對火衛(wèi)二進行過觀測的航天器見表3[24]。

表3 對火衛(wèi)二開展觀測的航天器

3.1 水手9號

水手9號發(fā)射于1971年，攜帶了11°×14°廣角相機、1.1°×1.4°窄視場相機、紅外輻射計、超紫外光譜儀、紅外干涉光譜儀等載荷，是第一個以足夠分辨率對火衛(wèi)二成像的探測器，并在飛行過程中利用火衛(wèi)二進行了導航。由于運行軌道較高，探測器可在小于7 000 km的距離內對火衛(wèi)二成像，其中最近的照片拍攝于1 200 km距離處，分辨率達到了30 m。這些照片第一次揭示了火衛(wèi)二的形狀、表面被風化層覆蓋及處于潮汐鎖定的狀態(tài)，顯示了火衛(wèi)二上有許多撞擊坑。根據(jù)撞擊坑的數(shù)量，推測火衛(wèi)二的年齡為109年量級[25]。圖2為水手9號拍攝的火衛(wèi)二圖片[26]。

圖2 水手9號拍攝的火衛(wèi)二圖片F(xiàn)ig.2 The Deimos photo taken by Mariner 9

3.2 海盜1/2號

海盜1/2號軌道器發(fā)射于1976年，攜帶了成像設備，在飛越火衛(wèi)二時利用立體相機對其進行觀測。在拓展任務階段，海盜2號軌道器把探測火星衛(wèi)星作為最高的科學目標，多次開展了近距離飛越觀測。海盜2號軌道器觀測到的火星衛(wèi)星數(shù)據(jù)是當時世界上最為詳盡的，直到歐洲火星快車(Mars Express)發(fā)射，才獲取了更高精度的數(shù)據(jù)(只針對火衛(wèi)一)。

海盜2號軌道器通過變軌，對火衛(wèi)二進行了5次飛越觀測，觀測距離均小于1 000 km，其中最小觀測距離為33 km，圖像分辨率在50 m以內[27]，最高分辨率可達1.3 m/像素。這些照片揭示了火衛(wèi)二與火衛(wèi)一的差異，表明火衛(wèi)二的表面比火衛(wèi)一的表面光滑得多，也沒有廣泛存在于火衛(wèi)一表面的線性凹陷。圖3為海盜2在不同距離對火衛(wèi)二成像的效果[28-30]。

圖3 海盜2在不同距離對火衛(wèi)二成像效果Fig.3 The photos taken from different distances by Viking 2

通過海盜2號軌道器的觀測數(shù)據(jù)，還推測出火衛(wèi)二的體積在1 200～1 500 km3范圍內，大于水手9號估算的數(shù)據(jù)(1 000 km3)。通過紅外熱像儀，獲得了火衛(wèi)二表面熱分布特性[31]。

3.3 火星快車

火星快車發(fā)射于2003年，在2005年7月至2011年7月，共50余次接近火衛(wèi)二，獲得了136幅圖像。但探測器距離火衛(wèi)二較遠，約9 582～14 000 km，因此獲得圖像的最大分辨率約在100 m左右。由于火星快車與火衛(wèi)二軌道關系，在整個任務期間探測器只獲取了火衛(wèi)二朝向火星一面的圖像[32]。

成像過程中使用的載荷主要為高分辨率立體相機(high resolution stereo camera, HRSC)、成像光譜儀(OMEGA)，基于觀測數(shù)據(jù)重新估算了火衛(wèi)二的體積及密度，并對表面成分進行了研究。圖4為火星快車拍攝的火衛(wèi)二圖片[33]。

圖4 火星快車拍攝的火衛(wèi)二圖片F(xiàn)ig.4 The Deimos photos taken by Mars Express

3.4 火星勘察軌道器(MRO)

火星勘察軌道器發(fā)射于2005年，利用高分辨率成像科學實驗相機(high-resolution imaging science experiment，HiRISE)、緊湊型火星偵察成像光譜儀(compact reconnaissance imaging spectrometer for mars , CRISM)對火衛(wèi)二進行了拍照觀測，獲得了分辨率20 m/像素的照片，是首次拍攝到的火衛(wèi)二彩色高分辨率圖像[34]。MRO拍攝的圖片，展示了火衛(wèi)二表面顏色變化及撞擊坑的顏色特性，圖像效果如圖5、圖6所示。根據(jù)拍攝的照片，對撞擊坑及周邊物質進行了分析，對火衛(wèi)二表面的光譜反射率梯度進行了估計。

圖5 基于HiRISE數(shù)據(jù)合成校準的火衛(wèi)二圖片F(xiàn)ig.5 Deimos photo calibrated based on HiRISE data

圖6 MRO拍攝的火衛(wèi)二撞擊坑Fig.6 The craters photo taken by MRO

3.5 “曼加里安”號

印度火星探測器(Mars Orbiter Mission, MOM)，又名“曼加里安”號，發(fā)射于2014年，其運行軌道為261 km×78 000 km的大橢圓。在運行過程中，利用火星彩色相機(Mars color camera，MCC)載荷對火星衛(wèi)星進行拍照。火星彩色相機工作在可見光波段，能夠拍攝真彩色圖像，共拍攝了4幅火衛(wèi)二背面圖片，這是首次利用探測器對火衛(wèi)二背面成像[35]。圖7為“曼加里安”號對火衛(wèi)二拍攝的照片。

圖7 “曼加里安”號對火衛(wèi)二拍攝的照片F(xiàn)ig.7 The photos taken by MOM

此次成像距離比較遠，分辨率比較低，但大致可以看出火衛(wèi)二背面要比正面光滑，沒有大的撞擊坑。

3.6 其他探測器

由于距離遠、成像分辨率低或探測目的等原因，一些探測器的觀測結果并不能增加對火衛(wèi)二地形地貌的了解。這些探測器獲取的成果主要有：福布斯2(Phobos 2)在經(jīng)過火衛(wèi)二下方時會探測到帶電粒子通量變化及火星磁場擾動，顯示了火衛(wèi)二與太陽風存在相互作用[36]；好奇號、機遇號、勇氣號均拍攝了火衛(wèi)二凌日過程圖片；火星全球勘測者(Mars Global Surveyor)，對火衛(wèi)二表面氣體/土壤塵與太陽風關系進行了觀測和研究[37]；火星探路者(Mars Pathfinder)利用IMP(imager for Mars Pathfinder)設備觀測了火衛(wèi)二，獲得不同波段的反射率數(shù)據(jù)，并首次在900～1 000 nm波段對火衛(wèi)二進行了精細測量[38]。

4 地形地貌研究

科學家利用探測器拍攝的火衛(wèi)二照片進行了深入研究，獲得了火衛(wèi)二表面的形貌特征。同時科研人員也大量分析了表面的光譜及反射率特性，對于風化土壤層的特性及成分進行了研究。

4.1 火衛(wèi)二表面形貌特征研究

Peter Thomas以海盜號拍攝的照片對火衛(wèi)二表面特征進行了研究[39]，將表面分為風化層、撞擊坑、明亮的反射物質(bright albedo markings，簡稱“亮區(qū)”)及塊狀物(blocks)。結果表明：火衛(wèi)二表面小撞擊坑較少，且撞擊坑底部要么平坦，要么呈現(xiàn)碗狀，平坦的坑底有明顯的坑壁。在1個直徑700 m的撞擊坑周圍分布著許多3～20 m的塊狀物，在一些大的撞擊坑周圍塊狀物尺寸可達數(shù)十米，其中最大的可達150～200 m，這些塊狀物成簇出現(xiàn)或松散地排列成300 m長的隊列，最大的塊狀物與平坦的風化層存在明顯界限。表面的塊狀物呈現(xiàn)非常穩(wěn)定的狀態(tài)，并沒有可見的滾動石塊存在。火衛(wèi)二表面的“亮區(qū)”多分布在距撞擊坑10 m以內的范圍內，并形成了整個亮的條帶，大約覆蓋2 km2的區(qū)域，推測這層物質應該很薄。雖然火星衛(wèi)星表面特征都直接或間接地由撞擊產(chǎn)生，但火衛(wèi)二與火衛(wèi)一表面特征并不一致，火衛(wèi)二表面廣泛存在著物質移動(downslope movement)，其內部結構不能通過表面特征呈現(xiàn)。

Peter Thomas利用海盜號拍攝的照片對火衛(wèi)二朝向火星一側表面上直徑大于1 km的撞擊坑密度進行了分析[40]，同時針對局部區(qū)域分析了直徑大于5 m以上的撞擊坑密度，結果表明火衛(wèi)二撞擊坑密度與火衛(wèi)一相似。

Hirata等人[9]結合海盜號和MRO的HiRISE相機圖像，對火衛(wèi)二撞擊坑的分布情況進行了研究，通過評價撞擊坑空間分布的隨機性判斷是否處于飽和狀態(tài)。結果顯示火衛(wèi)二與火衛(wèi)一表面的撞擊坑密度(crater density)及撞擊坑尺寸-頻度分布(crater size-frequency distribution，CSFD)無顯著差異，大約是月球表面撞擊坑密度的一半。火衛(wèi)二表面上直徑30 m的撞擊坑分布呈現(xiàn)隨機性，CSFD曲線的斜率為-1.7，其絕對值比火星、月球的數(shù)值要小，與Eros、Itaokawa等小行星數(shù)值接近。CSFD曲線斜率較小的主要原因是火衛(wèi)二表面尺寸較小的撞擊坑數(shù)量少，這是由于撞擊發(fā)生后會引起星體地震且拋射物會緩慢移動。最終研究認為，火衛(wèi)二是一個布滿撞擊坑的星體，最大的撞擊坑直徑約2.3 km，如果把南極的凹陷也認為是撞擊坑，則最大的撞擊坑直徑為10 km。表面撞擊坑分布呈現(xiàn)隨機特點，因此撞擊坑的年齡既不反映火衛(wèi)二的生成年代也不反映南極撞擊坑的生成年代。圖8為火衛(wèi)二表面撞擊坑分布圖。

圖8 火衛(wèi)二表面撞擊坑分布圖Fig.8 The distribution of craters on Deimos

4.2 火衛(wèi)二表面風化層特性研究

火衛(wèi)二表面比火衛(wèi)一光滑得多，小尺寸的撞擊坑較少，大的撞擊坑也顯示存在被物質填充的狀態(tài)，這顯示火衛(wèi)二表面被某些物質覆蓋了[41]。

M. Noland等人利用水手9號的高分辨率圖片(B-camera)[42]，分析了20°～80°相角下的火衛(wèi)二表面反射率，結果表明火衛(wèi)二表面偏暗、紋理復雜，進一步證明了存在風化層。火衛(wèi)二表面也存在一些反射率偏大的區(qū)域(brighter albedo marking)，要比其他區(qū)域明顯高30%，這可能是造成表面平均反射率比火衛(wèi)一大的原因。同時，Noland進一步對火衛(wèi)二表面的“亮區(qū)”進行研究[43]，得到其紋理與其他區(qū)域無差別的結論，表明火衛(wèi)二朝向火星的一面無大尺寸的裸露堅硬巖石。

從海盜號的觀測中發(fā)現(xiàn)，火衛(wèi)二表面存在物質運動，具體表現(xiàn)為風化層會從撞擊坑周邊的“山脊”向下移動。P. Thmoas等人利用海盜號軌道器圖片研究了火衛(wèi)二表面物質的移動特性[44]，分辨率為1.5 m/像素的圖片顯示出很多撞擊坑被沉積物填充，只有退化的撞擊坑邊緣突出于星體表面，且撞擊坑內部形貌并不對稱，星體表面“亮區(qū)”呈現(xiàn)從“山脊”向下延伸的狀態(tài)。根據(jù)以上特點，推測表面風化層會沿著坡面向低處移動，這也是火衛(wèi)二表面呈現(xiàn)當前特征的重要因素。建立了多個移動機理假設模型，如果火衛(wèi)二形成于4×109年前，則估算出的風化層移動速度為5×10-2cm3/(cm·a)。

1986年，Zharkov等人[13]通過對海盜號拍攝的圖像進行深入研究，發(fā)現(xiàn)火衛(wèi)二沒有火衛(wèi)一上常見的線性凹陷。火衛(wèi)二表面的主要特征是直徑小于50 m的撞擊坑被一層厚厚的灰塵覆蓋著，這層灰塵使得其表面看起來相當光滑。火衛(wèi)二表面的風化層平均厚度為10～50 m，許多撞擊坑被填充到5 m的深度。火衛(wèi)二表面的噴出物比火衛(wèi)一表面的要多，既有細的(整個表面和撞擊坑內的物質)，也有粗的(巨礫和石塊)，這種表面形態(tài)的差異可能是由于火衛(wèi)二更容易限制撞擊坑形成過程中物質的釋放。此外，火衛(wèi)二的表面很可能是由比火衛(wèi)一更弱的束縛材料組成，在撞擊坑形成過程中噴出物質的速度很慢，導致大部分物質再次落回其表面上。火衛(wèi)二表面的顯著特點是亮物質覆蓋的面積相當大，其形成可能是由于微隕石轟擊造成的碎片，因為非常細的粒子具有很強的反照率。這些亮物質沿著撞擊坑壁向下延伸，形成一層10 cm厚的薄層。

Michael Nayak[45]研究了火衛(wèi)二撞擊坑產(chǎn)生的模型及演化過程，研究表明體積比較大的拋射物可以傳遞到火衛(wèi)一表面，但是大部分拋射物又重新積累回火衛(wèi)二，形成1～2 m厚的均勻覆蓋層，這也可部分解釋火衛(wèi)二表面的風化層來源。

P. C. Thomas[46]研究了火衛(wèi)二最大撞擊坑拋射物重新分布模型，對風化層移動速度進行了估算，約10-1cm3/(cm·a)。研究結果表明火衛(wèi)二上的拋射物會因為星體震動等因素重新分布，即表現(xiàn)為風化層緩慢移動。

針對風化層的形成，M. Fries[47]提出了一種星際塵埃積累與撞擊拋射相結合的假說。該假說既可以解釋風化層積累，也可以解釋火衛(wèi)二表面光譜特性與含碳物質相似的現(xiàn)象。

4.3 火衛(wèi)二地形地貌研究小結

截至目前，成像分辨率最高的探測器是海盜號，且圖像數(shù)量多，關于表面特性的信息豐富。對火衛(wèi)二地貌特征的分析主要是基于海盜號圖像開展，輔以少量MRO的圖像，而火星快車拍攝的火衛(wèi)二圖像分辨率較低且覆蓋區(qū)域很少，還不足以基于此開展更深入的研究。因此，科學家們基于海盜號任務和MRO的圖像對火衛(wèi)二地表的研究是目前最充分也是最可信的。簡言之，關于火衛(wèi)二地形地貌，研究者們形成的主要研究成果如下：

1)火衛(wèi)二表面存在撞擊坑、風化層、明亮的反射物質(bright albedo markings)及塊狀物；

2)火衛(wèi)二表面遍布撞擊坑，撞擊坑密度大約是月球撞擊坑密度的一半，最大的撞擊坑直徑2.3 km(不含南極凹陷)，大部分撞擊坑被厚厚的灰塵覆蓋，且這種覆蓋會朝撞擊坑外圍延伸；

3)火衛(wèi)二表面分布著尺寸幾米到上百米不等的塊狀物，最大的塊狀物約150～200 m；

4)火衛(wèi)二表面有較厚的風化層覆蓋，這些風化層主要由細碎物質和灰塵組成，結構松軟，且會沿著坡度移動，最終重新分布。

5 結論

通過調研可以看出，對火衛(wèi)二開展探測，在揭示早期太陽系形成及演化過程、火衛(wèi)二起源及演化、與火星之間物質輸送、火星演化、行星形成物質的分布與轉移、小天體表面演化等方面具有重大的科學意義。

自20世紀70年代以來，美國、前蘇聯(lián)、歐洲、印度等國對火衛(wèi)二陸續(xù)開展了探測，探測手段包括地面射電觀測、空間天文望遠鏡及深空探測器。由于受到觀測條件限制，大部分研究成果是通過深空探測器獲得的，且所有深空探測器的探測主任務均不是圍繞火衛(wèi)二開展，沒有對火衛(wèi)二背面開展過詳細觀測。探測的手段主要是相機成像、光譜分析等遙感手段，且儀器分辨率普遍不高。

對于中國深空探測來說，火衛(wèi)二是一個良好的探測目標。首先，其具有很高的科學價值；其次，當前已經(jīng)開展的探測還停留在低分辨率遙感觀測階段，有很多的科學問題尚待探索。因此，中國可以設計針對火衛(wèi)二的探測任務，具體建議如下：

1)探測任務以火衛(wèi)二為主目標或者主目標之一，可以和火星探測統(tǒng)籌開展，但在任務設計、軌道設計、有效載荷配置等方面需針對火衛(wèi)二的特點；

2)首次火衛(wèi)二探測的任務形式建議為高分辨率全球遙感，大幅提升對火衛(wèi)二的系統(tǒng)性認知，在科學上獲得更豐富的成果，在工程上為后續(xù)任務實施奠定基礎；

3)鑒于火衛(wèi)二具有硬質結構且表面被風化層覆蓋的地形特點，在全球高分辨率遙感任務成功實施后，建議直接開展火衛(wèi)二采樣返回任務，在地面對采集的樣品進行細致研究，實現(xiàn)科學認知的跨越式提升。

綜上，通過開展火衛(wèi)二探測任務，可以獲得難以估計的科學數(shù)據(jù)，提升中國地外天體探測的科學水平，同時，也可以為小天體探測等深空探測任務提供豐富的技術積累與工程經(jīng)驗，具有很強的科學和工程意義。