火衛一，又稱為「福波斯」（英語：Phobos；希臘語：Φόβος；系統名稱：Mars I），是火星的兩顆自然衛星中，距離火星較近且較大的一顆，平均半徑為11.1公里，是另一顆衛星火衛二的1.8倍。火衛一的名字是福波斯（意思是害怕），是希臘神話中的戰神阿瑞斯（在羅馬神話中名叫瑪爾斯）之子。
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| 發現 | |
|---|---|
| 發現者 | 阿薩夫·霍爾 |
| 發現日期 | 1877年8月18日 |
| 軌道參數 | |
| 曆元 J2000 | |
| 近心點 | 9235.6公里 |
| 遠心點 | 9518.8公里 |
| 半長軸 | 9377.2公里[1] |
| 離心率 | 0.0151 |
| 軌道週期 | 0.31891023 d （7小時39.2分鐘） |
| 平均軌道速度 | 2.138公里 |
| 軌道傾角 | 1.093°（對火星的赤道） 0.046°（對當地的拉普拉斯面） 26.04°（對黃道） |
| 隸屬天體 | 火星 |
| 物理特徵 | |
| 大小 | 26.8 × 22.4 × 18.4公里[2] |
| 平均半徑 | 11.1公里[3] (地球的0.0021 ) |
| 表面積 | 6100平方公里 （地球的1.19×10-5倍） |
| 體積 | 5680立方公里[4] （地球的5.0×10-9倍） |
| 質量 | 1.072×1016kg[5] （地球的1.8×10-9倍） |
| 平均密度 | 1.876 g/cm3[6] |
| 表面重力 | 0.0084–0.0019m/s2 （8.4–1.9 mm/s2） （860–190 µg） |
| 11.3m/s（40 km/h）[5] | |
| 自轉週期 | 同步 |
| 赤道自轉速度 | 11.0千米/小時（在半徑最大處） |
| 轉軸傾角 | 0° |
| 反照率 | 0.071[3] |
| 溫度 | ~233K |
| 視星等 | 11.3[7] |
火衛一是一個形狀不規則的小天體。圍繞火星運動，軌道距火星中心約9400公里，也就是距離火星表面6000公里。火衛一到其母星的距離，比其他已知行星的衛星都要近。火衛一是太陽系中反射率最低的天體之一。火衛一上有一個巨大的撞擊坑，叫斯蒂克尼撞擊坑。由於軌道離火星很近，火衛一的轉動快於火星的自轉。因此，從火星表面看，火衛一從西邊升起，在4小時15分鐘或更短的時間內划過天空，在東邊下山。由於軌道周期短以及潮汐力的作用，火衛一的軌道半徑會逐漸變小，最終它將撞到火星表面，或者破碎形成火星環。
發現
火星的2顆衛星均是在1877年發現的。火衛一是由天文學家阿薩夫·霍爾在1877年8月18日格林威治標準時間09:14，於華盛頓特區的美國海軍天文台發現的。（如果採用當代的數據，按1925年前的天文慣例，一天從中午起算，是在華盛頓標準時間8月17日16:06發現的）[8][9][10]。霍爾在1877年8月12日07:48（UTC）還發現了火星的另外一個衛星，火衛二。衛星的名字是由伊頓公學的科學教員亨利·馬丹（1838-1901）提議的，來自《伊利亞特》第15卷，書中描述了阿瑞斯召見得摩斯（Deimos，意為恐懼）和福波斯（Phobos，意為害怕）[11][12]。
物理特徵
火衛一是太陽系內反射率最低的天體。它的光譜上和D-型小行星接近[13]，從表面上看，它的成分類似於碳質球粒物質[14]。火衛一的密度非常低，不可能是實心的岩石。而具有相當多的空隙[15][16][17]。這些結果讓人想到，火衛一可能是一個大的冰庫。光譜觀測表明，表面土壤缺水[18][19]，但這並不排除風化層以下有冰[20][21]。
很早就有人預測，火衛一和火衛二會產生稀薄的塵埃環，但到目前為止尚未發現[22]。最近火星全球勘察者的圖像說明，火衛一上覆蓋着一層厚度大於100米的細顆粒土壤，按照假說，這是由其他天體撞擊形成的，但不知這些物質是如何附着在幾乎沒有重力的天體表面的[23]。
火衛一外形不規則，其尺寸是27×22×18km[2]。
火衛一上佈滿了撞擊坑[24]，儘管火衛一很小，位於赤道附近的一個撞擊坑中心還有一個山峰[25]。火衛一最突出的表面特徵是斯蒂克尼撞擊坑，這是用阿薩夫·霍爾妻子的名字，安傑琳·斯蒂克尼·霍爾命名的。斯蒂克尼是她的閨名。正如土衛一的撞擊坑赫歇爾撞擊坑，形成斯蒂克尼的撞擊可能幾乎把火衛一撞得粉碎[26]。火衛一形狀古怪的表面上有很多的溝槽和條紋。溝槽典型的深度在30米以下，寬100到200米，長達20千米。最初認為，這都是由形成斯蒂克尼的同一次撞擊造成的。然而，火星特快車的結果表明，這些溝槽並非在斯蒂克尼的徑向。而是集中在火衛一軌道迎風面的頂端（離斯蒂克尼不遠）。研究人員懷疑，這是由撞擊火星濺射出來的物質鑿出來的。這樣，這些溝槽實際就是一串撞擊坑。這些溝槽在靠近背風面時就逐漸消失了。根據其不同的年代，這些溝槽可以分為12組，代表至少12次火星撞擊事件[27]。在灶神星上也有這樣的溝槽，但科學家們目前並不認為這些溝槽具有相同的成因[28]。
火衛一上的撞擊坑，以格列佛遊記的人物和研究火衛一的著名天文學家命名。
| 名稱 | 坐標 | 名字來源 |
|---|---|---|
| 克拉斯垂爾撞擊坑 | 60°N 91°W | 克拉斯垂爾，格列佛遊記的人物。 |
| 德亞瑞司特撞擊坑 | 39°S 179°W | 羅雷爾·路德威·德亞瑞司特，德國天文學家。 |
| 德隆洛撞擊坑 | 36.5°N 92°W | 德隆洛，格列佛遊記的人物。 |
| 佛林奈撞擊坑 | 60°N 350°W | 佛林奈，格列佛遊記的人物。 |
| 格力錐格撞擊坑 | 81°N 195°W | 格力錐格，格列佛遊記的人物。 |
| 格列佛撞擊坑 | 62°N 163°W | 格列佛，格列佛遊記的主角。 |
| 霍爾撞擊坑 | 80°S 210°W | 阿薩夫·霍爾，美國天文學家，火衛一的發現者。 |
| 林托克撞擊坑 | 11°S 54°W | 林托克，格列佛遊記的人物。 |
| 奧匹克撞擊坑 | 7°S 297°W | 恩斯特·奧匹克，愛沙尼亞天文學家。 |
| 瑞顓沙撞擊坑 | 41°N 39°W | 瑞顓沙，格列佛遊記的人物。 |
| 洛希撞擊坑 | 53°N 183°W | 愛德華·洛希，法國天文學家。 |
| 夏普利斯撞擊坑 | 27.5°S 154°W | 畢文·夏普利斯，美國天文學家。 |
| 史克洛夫斯基撞擊坑 | 24°N 248°W | 約瑟夫·史克洛夫斯基，蘇聯天文學家。 |
| 斯開瑞士撞擊坑 | 52.5°N 320°W | 斯開瑞士，格列佛遊記的人物。 |
| 斯蒂克尼撞擊坑 | 1°N 49°W | 莉娜·斯蒂克尼，阿薩夫·霍爾的妻子。 |
| 陶德撞擊坑 | 9°S 153°W | 大衛·畢克·陶德，美國天文學家。 |
| 溫德爾撞擊坑 | 1°S 132°W | 奧利弗·溫德爾，美國天文學家。 |
火衛一上的區(地形特徵與周圍環境明顯不同)，以格列佛遊記的地名命名。
| 名稱 | 名字來源 |
|---|---|
| 拉普塔區 | 拉普塔，漂浮在空中的島國。 |
火衛一上的平原，以格列佛遊記的地名命名。
火衛一上的皺脊，以著名天文學家命名。
軌道特性
火衛一與其母星超乎尋常的近，由此產生了一些很奇特的效果。火衛一的軌道低於火星的同步軌道，結果就是它的運動快於火星的自轉。因此，每個火星日，火衛一差不多有2次（每11小時6分）從西邊升起，飛快地划過天空（4小時14分或更短），在東邊落下。由於火衛一的軌道低且在赤道面內，在火星上，緯度高於70.4°的地方，火衛一就位於地平線以下了。由於軌道很低，從火星上看，火衛一的角直徑隨其在天空的位置而變化。在地平線上，火衛一是0.14°，在天頂是0.20°，寬度是從地球上看到的滿月的1/3。作為對比，在火星天空，太陽的視角是0.35°。從火星上觀測，火衛一的星相是0.3191天（火衛一的朔望周期），只比火衛一的恆星周期長13秒。
從火衛一上看，火星比從地球上看到滿月大6400倍，亮2500倍，佔半個天球寬度的1/4。火星－火衛一的拉格朗日L1點位於斯蒂克尼撞擊坑上方2.5km，離火衛一表面的距離近得不可思議。
火星表面上的觀測者會看到火衛一定期凌日。機遇號火星車拍到了幾次這樣的凌日。凌日期間，火衛一的影子會投射到火星表面上，這被好幾個火星探測器拍攝到了。火衛一不夠大，不能覆蓋整個日盤，因此不可能引起日全食。
火衛一的周期短於一個火星日，由於潮汐減速，火衛一的半徑正以每個世紀20米（每年20厘米）的速度逐漸減小。估計在一千一百萬年後，它將撞上火星表面，或者很有可能成為火星環[31]。假定火衛一的形狀不規則，是一堆石頭（特別的摩爾－庫倫體），計算表明，目前火衛一對於潮汐力還是穩定的。但如果軌道半徑下降略大於2000千米，即下降到7100千米左右，估計火衛一就將越過剛體洛希極限。更新的計算說明，破碎的時間大約為距今760萬年的未來[32]。在這個距離上，火衛一可能將破碎形成一個環系統，這個環將繼續緩慢地向着火星迴旋運動。[33]
起源
火星衛星的起源目前仍有爭議[34]。火衛一和火衛二和碳質小行星（C型小行星）有很多共同之處，其光譜、反照率以及密度與C型或者D型小行星很相似，因此有一種假設是2個衛星都是被捕獲的主帶小行星[35][36]。2個衛星的軌道很圓，幾乎就在火星的赤道面內。因此，就需要一種機制，把初始偏心率高且傾斜的軌道調整為赤道面內的圓軌道。這種機制很可能就是大氣阻力加上潮汐力[37]，但對於火衛二，還不清楚是否有足夠的時間來完成這種軌道調整[34]。捕獲還需要能量的耗散。對於目前的火星，要通過大氣阻尼來捕獲火衛一大小的天體，大氣太稀薄了[34]。傑弗里·蘭迪斯指出，如果是雙小行星，是可能被捕獲的，並在潮汐力作用下彼此分開[36]。
火衛一可能是太陽系的第二代天體，是在火星形成後才合成的，而不是從形成火星的星雲中與火星同時誕生的。[38]
另外一個假設是，火星周圍曾經有很多火衛一、火衛二大小的天體，可能是火星與大的星子撞擊濺射出來的[39]。火衛一內部多孔（根據其密度1.88g/cm3，估算空洞占火衛一體積的25%-35%），這與其來自小行星的假設不相符[6]。對火衛一的熱紅外觀測表明，其成分主要是層狀矽酸鹽，眾所周知，這是火星表面上的物質。火衛一的光譜不同於各種球粒隕石，再次說明它並非源自小行星[40]。兩方面的發現都說明，火星被撞擊後，濺射出來的物質在火星軌道上重新吸積，形成了火衛一[41]。這與月球的主流起源理論類似。
斯科洛夫斯基「火衛一空心」假說
1950年代末至1960年代，火衛一特殊的軌道特性讓人們想到，火衛一可能是空心的。
1958年前後，在研究火衛一的長期加速時,俄羅斯天文學家艾歐斯·塞姆洛維奇·.斯科洛夫斯基提出，火衛一是「薄層金屬」結構。這個假說甚至讓有些人猜想火衛一是人造的[42]。斯科洛夫斯基根據對火星高層大氣密度的估計，推斷如果大氣的微弱剎車效應能使火衛一長期加速，火衛一必須非常輕——計算出一個外徑16km（9.9英里）但厚度不到6cm的空心鐵球[42][43]。1960年，當時美國總統艾森豪威爾的科學顧問弗雷德·辛格在致航天雜誌的信中談到斯科洛夫斯基的理論：[44]
| “ | 如果根據天文觀測，衛星真的是在沿螺旋線向內運動，對此假說就沒有什麼異議了，那麼火衛一是空心的，且來自火星。這個「如果」取決於天文學觀測。觀測也可能有誤，因為觀測結果來自間隔數十載、由不同的觀測者用不同的儀器得到的幾組不相關的測量數據。儀器誤差可能對結果會有影響。 | ” |
此後，人們發現辛格預計的系統誤差確實存在，因此對假說產生了異議[45]。1969年，有了精確的軌道測量，說明並不存在這種不一致性[46]。但辛格的異議也不無道理，因為早期的研究過高估計了高度的減小速度（5cm/年），後來修正後，為1.8cm/年[47]。現在認為，長期加速的原因是潮汐作用[45]，而早期的研究並沒有考慮這個因素。目前，已經有飛船對火衛一的密度直接進行了測量，為1.887g/cm3[4]。目前的觀測認為，火衛一是一個石頭堆。此外，七十年代早期維京號探測器獲得的圖像明確顯示，火衛一是個天然的天體，不是人造的。
然而，根據火星快車的測繪計算得到的體積確實說明衛星內部存在空洞。火衛一並非一塊實心的岩石，而是一個多孔的物體[48]。火衛一的孔隙率的計算值是30%+/-5%. 顆粒和石塊間的空隙大多較小（mm到約1m）[6]。
探測
已經有幾個飛船給火衛一拍攝了近照。這些飛船的本身的任務是對火星成像，最早是1971年水手9號，此後是1977年維京1號，1998年、2003年火星全球勘察者，2004年，2008年和2010年火星快車[49]，2007年和2008年火星偵查軌道器。2005年8月25日，勇氣號火星車由於風吹散了太陽電池板上的塵土，獲得了額外的能量，從火星表面拍攝了幾張曝光時間較短的夜晚天空照片[50]，照片上可以清楚看到火衛一和火衛二。專門的火衛一探測器是1988年發射的蘇聯的福布斯1號和福布斯2號。前者在奔火途中就失蹤了，後者（包括着陸器）返回了一些數據和圖像，但在開始衛星表面詳查後不久就失效了。其他的火星任務採集了更多的數據，但下一個專門的任務是2011年發射的採樣返回任務。
俄羅斯太空局在2011年11月發射了名為「福布斯-土壤」的火衛一土壤採樣任務，返回艙中還包括一個行星學會的生命科學實驗——生命星際飛行試驗（LIFE）[51]。參加此次任務的還有中國國家航天局計劃送進火星軌道的探測飛船螢火一號，以及科研用的土壤研磨和篩分設備[52][53][54]。然而，在到達地球軌道後，福布斯-土壤探測器未能接續點火向火星前進；在一連串嘗試失敗後，最終在2012年1月15日墜毀於地球上。
據報導，2007年歐洲航空國防航天公司（今空中巴士公司）旗下的阿斯特里姆公司規劃了一個到火衛一的技術演示任務。阿斯特里姆公司目前參與歐洲太空總署的一個火星採樣返回任務，這個任務是曙光女神計劃的一部分。將一個航天器送往重力場很小的火衛一，是測試驗證最終到火星採樣返回任務的好途徑。這個任務規劃於2016年啟動，將持續3年。公司機將使用一個離子推進的「母船」，釋放一個着陸器到火衛一表面。着陸器將進行一些測試和實驗，把樣品採集到一個艙內，然後返回到母船上，返回地球，樣品將被投擲到地面，等待回收[55]。
2007年，加拿大太空總署資助了Optech公司和火星研究所的一項研究，這是到火衛一的無人探測任務，名叫PRIME（Phobos Reconnaissance and International Mars Exploration，火衛一偵查和國際火星探測）。建議PRIME飛船的着陸地點為火衛一的獨石，這是斯蒂克尼坑附近的一個明亮的物體，投射下了明顯的影子[56][57][58]。2009年7月22日，C-Span採訪航天員巴茲·奧爾德林時，他提到這個獨石說，「我們應該大膽去往人類沒有去過的地方。飛躍彗星，訪問小行星，訪問火星的衛星。這個土豆形狀的天體每7個小時繞火星一圈，上面的獨石是一個很特別的結構。人們發現後就提問：是誰把這個東西放在那裏的？是宇宙放的，如果你願意，也可以說是上帝放的……[59][60]」PRIME任務將包括一個着陸器和一個軌道器[62]，分別將攜帶4個儀器，用於研究火衛一的各種地質特徵[61]。到2009年4月20日，PRIME還沒有明確的發射計劃。
2008年，NASA格林研究中心開始研究使用電推進的火衛一火衛二採樣返回任務。該項研究形成了Hall任務概念，一個新的前沿級任務，目前仍在進一步的研究中。[62]
已經有人提出，火衛一是載人登陸火星任務的早期目標。[63]由人類在火衛一上對火星上的機械人進行遙操作，可以保證沒有顯著的時間延遲。行星保護主義者所擔心的火星早期探索所涉及的問題，通過這種方法也可以得到解決[64]。同樣，火衛一也是載人登火星任務的目標，因為在火衛一上登陸比在火星表面登陸要容易和便宜很多。奔向火星的着陸器需要在沒有任何輔助設備的情況下，能夠進入大氣，隨後返回到軌道上（這種能力載人航天器還從來沒有嘗試過），否則就需要在當地建設輔助設備（一個殖民或支撐任務）。而火衛一的着陸器，只需要根據月球着陸器和小行星着陸器來進行設計[64]。人類對火衛一的探測，可以成為人類探火星的催化劑，這本身就是激動人心而且從科學上有價值的[65]。
參見
參考資料
外部連結
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