Tranzyt Fobosa przed tarczą słoneczną

Opracowanie: dr Grzegorz Duniec, CMM IMGW-PIB

W czwartek 8 lutego 2024 roku na Marsie łazik Perseverance zaobserwował tranzyt Fobosa przed tarczą słoneczną, czyli zaćmienie Słońca.

Źródło: https://www.pulskosmosu.pl/2024/02/zacmienie-slonca-na-marsie-2024/

Kilka informacji o Fobosie i Deimosie

Mars, w przeciwieństwie do Ziemi, posiada dwa naturalne księżyce Fobos (z gr. Strach) oraz Deimos (z gr. Trwoga). Fobos obiega Marsa po orbicie eliptycznej o mimośrodzie 0,0151 w średniej odległości 9375 km od planety w czasie 7^h39^m. Orbita Fobosa nachylona jest pod kątem 26,04° względem ekliptyki [1]. Deimos obiega Marsa w odległości 23458 km od planety po orbicie prawie kołowej, której mimośród wynosi 0,0003 [3]. Orbita jest nachylona do płaszczyzny ekliptyki pod kątem 27,58° [2]. Czas jednego pełnego obiegu Deimosa wokół Marsa wynosi 1^d06^h18^m. Oba satelity obiegają planetę prawie w płaszczyźnie równika planety. Orbita Fobosa nachylona jest pod kątem 1,093° względem płaszczyzny równika planety, zaś orbita Deimosa nachylona jest pod kątem 0,93° do płaszczyzny równika Marsa [3]. Ze względu na niewielką odległość księżyców od planety oraz ze względu na to, że orbity leżą praktycznie w płaszczyźnie równika planety księżyce nie mogą być obserwowane z każdego miejsca na planecie. Fobos jest widoczny maksymalnie do 70,4° szerokości areograficznej [1], zaś Deimos, z racji, że znajduje się dalej, może być obserwowany do 82,7° szerokości areograficznej [2].

Księżyce Marsa są nieregularnymi bryłami o rozmiarach 27km x 21,4km x 19,2 km w wypadku Fobosa i 15km x 12,2km x 11km w wypadku Deimosa [3]. Ze współczesnych oszacowań wynika, że powierzchnia Fobosa jest niewielka i wynosi 1548,3 km², zaś jego objętość to 5729 km³. Masa najbliższego satelity Marsa, czyli Fobosa to zaledwie 1,072*10¹⁶kg [1]. Natomiast powierzchnia Deimosa wynosi 483,05 km², a objętość satelity wynosi 998 km³. Masa Deimosa jest jeszcze mniejsza i wynosi 1,476*10¹⁵kg [2]. Czas obrotu obu satelitów wokół własnych osi jest równy ich obiegowi wokół Marsa. Podobnie jak ziemski Księżyc, który zawsze zwrócony jest ku Ziemi tę samą stroną tak i Fobos i Deimos jest zawsze zwrócony tę samą stronę ku Marsowi [9]. Przypuszcza się, że w przeszłości oba satelity mogły obracać się szybciej wykonując pełnego obrotu wokół własnej osi w czasie krótszym od czasu obrotu Marsa wokół własnej osi. Osie obrotu były prawdopodobnie prostopadłe do płaszczyzny ich orbit. Niestety, ale siły pływowe Marsa wyhamowały ruch obroty obu satelitów i w chwili obecnej ich obrót jest zsynchronizowany [9]. Z powyższych danych wynika, że oba naturalne satelity na marsjańskim niebie nie osiągają imponujących rozmiarów. Patrząc na fotografie Fobosa i Deimosa zauważyć można, że ich powierzchnie usiane są kraterami. Jak donosi literatura astronomiczna oba satelity przypominają meteoryty z grupy chondrytów węglistych [5].

Ryc. 1. Fobos widziany z różnych stron. Źródło: https://mars.nasa.gov/layout/embed/model/?s=102&rotate=true

Ryc. 2. Deimos z różnych stron. Źródło: https://mars.nasa.gov/gltf_embed/24879/

Fobos obserwowany na równiku w zenicie, który ponadto znajduje się w pobliżu perycentrum, osiąga rozmiary kątowe 11,6’ [4]. Księżyc wówczas wizualnie stanowi około 1/3 rozmiarów naszego naturalnego satelity. Księżyc w pobliżu horyzontu, znajduje się dalej od obserwatora zatem jego rozmiary kątowe są mniejsze i wynoszą około 8’, czyli są około 1,57 razy mniejsze od rozmiarów w zenicie [4].

Ryc. 3. Zmiany odległości Fobosa od obserwatora podczas jego ruchu na sferze niebieckiej. Źródło: Stanisław R. Brzostkiewicz, Czerwona planeta, Nasza Księgarnia, 1976.

Fobos ze względu na swój krótki czas obiegu wokół Marsa, porusza się z prędkością kątową większą od prędkości kątowej Marsa obracającego wokół własnej osi co powoduje, że wschodzi na zachodzie i zachodzi na wschodzie. Podczas przebywania nad horyzontem, który trwa około 4 godzin i 15 minut [1], można zaobserwować ponad połowę jego faz. Podczas pełni jego jasność stanowi w przybliżeniu blask ziemskiego Księżyca znajdującego się w pierwszej kwadrze, czyli około -8^m,8 [4]. Jego mniejsza jasność wynika po pierwsze z tego, że jego rozmiary są mniejsze oraz z tego, że albedo jego powierzchni wynosi zaledwie 0,071[1].

Deimos jest jeszcze mniejszym ciałem niebieskim, ale porusza się po orbicie większych rozmiarów, dalej od Fobosa. Zatem Deimos porusza się na orbicie wolniej niż obrót Marsa wokół własnej osi, a więc Deimos wschodzi na wschodzie i zachodzi na zachodzie, a nad horyzontem przebywa do 2,7 godzin [2,5]. Czas jaki upływa między dwoma jego wschodami lub zachodami wynosi około 132 godziny [4]. Rozmiary kątowe Deimosa znajdującego najbliżej obserwatora wynoszą około 3’. Takie rozmiary powodują, że jest trudno odróżnialny od zwykłych gwiazd. Jego maksymalna jasność osiągana podczas pełni wartość około -4^m,8 i jest porównywalna do jasności Wenus na ziemskim niebie [2,4]. Albedo jego powierzchni jest nieco mniejsze od Fobosa i wynosi 0,068 [2].

Zaćmienie księżyców Marsa oraz tranzyt księżyców przed tarczą słoneczną (zaćmienie Słońca)

Aby doszło zaćmienia księżyców Marsa oraz tranzytu Fobosa lub Deimosa przed tarczą słoneczną potocznie nazywanych zaćmieniem Słońca, Fobos i Deimos musi znajdować się blisko swoich węzłów orbitalnych. Mechanizm zaćmień, czy to księżycowych, czy to słonecznych jest identyczny jak na ziemi. Na Marsie można zatem obserwować obrączkowe oraz częściowe zaćmienie Słońca. Natomiast co do zaćmień księżycowych to wyróżnić tutaj należy zaćmienie całkowite, częściowe oraz półcieniowe. Zaćmienia księżycowe oraz zaćmienia słoneczne na Marsie zachodzą wtedy, kiedy Marsie występują pora równonocy. Przy takim położeniu planety na orbicie na planecie rozpoczyna się okres zaćmień. W ciągu roku marsjańskiego, który trwa 669 dni marsjańskich (687 dni ziemskich) dochodzi do około 1700 zaćmień Fobosa w ciągu 206 dni oraz około 170 zaćmień Deimosa w ciągu 69 dni. Zatem każdej doby marsjańskiej można obserwować po 3 zaćmienia [6]. Na równiku planety możliwy jest także tranzyt na tle tarczy słonecznej obu księżyców, ale tylko podczas równonocy.

Ryc. 4. Podwójne zaćmienie Słońca w wyniku tranzytu dwóch jego księżyców. Źródło: Stanisław R. Brzostkiewicz, Czerwona planeta, Nasza Księgarnia, 1976.

Podczas tranzytu Fobosa przed tarczą słoneczną na powierzchni planety przemieszcza się z dużą prędkością owalna plama cienia będąca przecięciem nieregularnego stożka cienia Fobosa z powierzchnią Marsa. Kiedy obserwator znalazłby się w środku tej „plamy” cienia mógłby zaobserwować zaćmienie obrączkowe, które niestety nie będzie tak efektowana jak zaćmienie obrączkowe na Ziemi.

Ryc. 5. Cień Fobosa przesuwający się po powierzchni Marsa. Źródło: Stanisław R. Brzostkiewicz, Czerwona planeta, Nasza Księgarnia, 1976.

Każdemu zaćmieniu księżyca towarzyszy zaćmienie Słońca. Zaćmienie słoneczne na Marsie nie trwa zbyt długo. Zaćmienie Słońca wywołane przez Fobosa trwa jedynie maksymalnie 40 sekund zaś tranzyt Deimosa na tle tarczy słonecznej trwa nieco dłużej i wynosi maksymalnie 2 minuty [4,6]. Zaćmienie księżyca trwa nieco dłużej. Czas zanurzenia Fobosa w stożek cienia marsjańskiego trwa około 8 sekund [6]. Zaćmienie częściowe trwa niezwykle krótko, że względu na małe jego rozmiary i szybki ruch satelity. W samym stożku cienia marsjańskiego Fobos pozostaje do około godziny. Czas zanurzenia Deimosa w stożku cienia Marsa trwa do maksymalnie 4 godzin [4,6]. W trakcie okresu równonocy na tle tarczy słonecznej można obserwować zakrycia jednego księżyca przez drugi [6]. Zaćmienia zachodzące na Marsie nie są tak efektywne jak ziemskie. Podczas zaćmienia Fobosa czas trwania zaćmienia częściowego jest niezwykle krótki, dominują zaćmienia całkowite.

Ryc. 6. Tranzyt Fobosa przed tarczą słoneczną, 2 IV 2022 roku. Źródło: https://www.urania.edu.pl/wiadomosci/spektakularne-zacmienie-slonca-na-marsie.

Obecnie kończy się okres zaćmień księżyców Marsa oraz tranzytów satelitów na tle tarczy słonecznej. Ostatnia równonoc na Marsie wystąpiła 12 stycznia 2024 roku. Następna równonoc na Marsie (wiosenna na północnej i jesienna na południowej) będzie miała miejsce 12 listopada 2024 roku. Nieco wcześniej rozpocznie okres występowania zaćmień księżycowych i tranzytów przed tarczą słoneczną na marsjańskim niebie [10].

Los Fobosa

Analizując orbitę ziemskiego Księżyca wiadomo, że nasz naturalny satelita oddala się od Ziemi. A jaki los czeka Fobosa. Z mechaniki nieba wynika, że w wyniku oddziaływania sił przypływowych okres obiegu Fobosu skraca się 0,000001 sekundy podczas każdego obiegu [7]. Zatem odległość satelity od Marsa zmniejsza się i to w tempie 1,8 metra na każde stulecie. Po upływie około 50 milionów lat Fobos przekroczy granicę Roche’a [1]. Jego dalsze losy będą zależna od jego wewnętrznej budowy. Jeśli okaże się obiektem twardym i zwartym wówczas spadnie na powierzchnię Marsa. W wypadku Fobosa mniej zwartego i bardziej kruchego, po przekroczeniu granicy Roche’a, siły przyciągania grawitacyjnego planety spowodują jego rozerwanie i utworzy się pierścień wokół planety [7,8].

Literatura

1. https://pl.wikipedia.org/wiki/Fobos_(ksi%C4%99%C5%BCyc)
2. https://pl.wikipedia.org/wiki/Deimos_(ksi%C4%99%C5%BCyc)
3. Tomasz Ściężor, Almanach Astronomiczny na rok 2024, PTA, 2023.
4. Stanisław R. Brzostkiewicz, Czerwona planeta, Nasza Księgarnia, 1976.
5. Hannau Karttunen, Pekka Kroger, Heikki OJa, Markku Poutanwen, Karl Johan Donner, Astronomia ogólna, PWN, 2020.
6. Astronomia popularna pod red. Stefana Piotrowskiego, Wiedza Powszechna, Warszawa, 1990.
7. W. G. Demin, Układ Słoneczny, biblioteka problemów, tom174, PWN, 1972.
8. John Chambers, Jacqueline Mitton, Od pyłu do życia – Pochodzenie i ewolucja Układu Słonecznego, PWN, 2018.
9. Stanisław R. Brzostkiewicz, W kręgu astronomii, Nasza Księgarnia, Warszawa, 1988.
10. Jean Meeus, Astronomical Tables of the Sun, Moon and Planets, third edition, Willman-Bell. Inc, 2015.

 

 

— UDOSTĘPNIJ —