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Der rote Planet Mars besitzt zwei kleine Monde: Phobos und Deimos. Der größere der beiden Marstrabanten, Phobos, ist ein äusserst interessanter Körper, der unter günstigen Bedingungen trotz seiner relativ geringen Größe sogar mit Amateurteleskopen visuell beobachtbar ist. Dieser Artikel soll Phobos als geologisch interessanten Körper vorstellen und Amateurastronomen ermutigen, während der Oppositionsperiode zu versuchen, Phobos visuell aufzufinden.
Die Entdeckung von Phobos erfolgte visuell durch Asaph Hall am 66 Zentimeter-Refraktor der Sternwarte Washington. Der Mond konnte sich nur schwach aber deutlich gegen den von Mars (20.000 mal heller als Phobos) erzeugten Lichthof durchsetzen.
Phobos ist kein kugelförmiger Mond wie zum Beispiel der Erdmond, sondern gleicht eher einer kosmischen Kartoffel. Sein mittlerer Durchmesser beträgt ca. 18 * 22 * 27 Kilometer. Solche Körper werden bei Modellierungen durch einen Ellipsoid mit drei Achsen angenähert.
Die mittlere Dichte beträgt 1,9 Gramm pro Kubikzentimeter, die Albedo beträgt 0,07. Diese Daten werden später wichtig werden, wenn die Herkunft von Phobos diskutiert wird. Die scheinbare Helligkeit von Phobos beträgt je nach Opposition 11,3 bis 14,8 Magnituden. Wie auch unser Erdmond hat Phobos eine einfach gebundene Rotation, er zeigt dem Mars also stets die gleiche Seite.
Im Durchschnitt befindet sich Phobos 9378 Kilometer vom Mars entfernt. Die Periapsis beträgt hierbei 9236 km, in der Apoapsis ist Phobos 9520 km vom roten Planeten entfernt. Die Exzentrizität beträgt also 0,0151.
Mit einer Bahnneigung von 1,08° läuft er fast genau in der Äquatorebene des Mars. Dies hat für einen potentiellen Beobachter auf Mars Konsequenzen, wie wir im folgenden Abschnitt sehen werden.
Für einen Umlauf um Mars benötigt er 7,4 Stunden.
Für einen potentiellen Beobachter auf Mars wäre Phobos ein faszinierendes Beobachtungsobjekt. An dieser Stelle werden einige interessante Erscheinungen zusammen getragen.
Aufgrund seiner schnellen Rotation um Mars geht Phobos im Westen auf und im Osten unter. Seine Bewegung läuft also entgegengesetzt der scheinbaren Bewegung der Sterne, die durch die Eigenrotation eines Planeten vorgetäuscht wird. In fünfeinhalb Stunden hätte er das sichtbare Firmament komplett überquert.
Phobos geht von Mars aus gesehen zweimal pro Tag, nämlich im Abstand von 11 Stunden, auf.
Kulminiert Phobos am Marsäquator, erreicht sein scheinbarer Durchmesser etwa ein Viertel Grad, also ca. die Hälfte des scheinbaren Vollmonddurchmessers. Teleskopbeobachter könnten also zahlreiche interessante Strukturen auflösen, auf die weiter unten in diesem Artikel eingegangen wird. Die scheinbare Helligkeit des komplett von der Sonne angestrahlten Phobos beträgt -8,9 Magnituden. Das entspricht etwa einem Zwanzigstel der Vollmondhelligkeit. Zum vergleich: Der Halbmond hat von der Erde aus gesehen eine Helligkeit von ca. -10 Magnituden, der Vollmond ca. -12 Magnituden. Der Halbmond ist also ca. 2,5 mal heller als "Vollphobos".
Phobos erzeugt auch Sonnenfinsternisse. Diese sind aufgrund der geringen Größe des Marsmonds jedoch niemals total, sondern stets ringförmig. In Anbetracht der Größenverhältnisse sollte man jedoch eher von einem Phobostransit als von einer Sonnenfinsternis sprechen.
Aufgrund der Nähe zum Mars und seiner geringen Bahnneigung von nur 1,08° tritt bei nahezu jedem Umlauf von Phobos ein solcher Transit vor der Sonne ein (Zum Vergleich: die Umlaufbahn des Erdmonds ist bekanntlich um 5,1 Grad geneigt.). Sonnenfinsternisse sind auf Mars also astronomischer Alltag.
Das folgende Foto zeigt den Schatten von Phobos auf Mars, aufgenommen von der High Resolution Stereo Camera (HRSC) auf der ESA-Mission Mars Express. Solche Aufnahmen helfen nach wie vor, die Bestimmung der Umlaufbahn von Phobos zu verbessern.
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Die folgende Bildfolge zeigt einen Vorübergang des Phobos vor der Sonne, aufgenommen vom Mars-Rover Opportunity mit einem Spezialfilter vor der Kamera, der unseren Sonnenfiltern ähnelt.
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Ähnlich verhält es sich mit Mondfinsternissen. Sie treten bei nahe zu jedem Orbit um Mars auf, und Phobos ist im Kernschatten auch nicht absolut dunkel. Das folgende Bild zeigt eine totale Phobosfinsternis.
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Nun stellt sich die Frage, was Phobos (und auch Deimos, den zweiten Marsmond) für die Planetenforschung so interessant macht, dass sie immer wieder von den Marsmissionen "im Vorbeigehen" erforscht werden, zumal es sich zumindest von ihren Abmessungen her doch um eher kleine, vermeintlich unbedeutende Gesteinsbrocken handelt.
Aus himmelsmechanischen Gründen erscheint es äusserst unwahrscheinlich, dass sich Phobos und Deimos in der vorliegenden Form aus einer den Mars umgebenden Staubwolke gebildet haben. Bereits nach der Entdeckung und vor der Erforschung des Mars durch Raumsonden wurde über Natur und Herkunft der Marsmonde spekuliert, zumal ihre geringe Größe (selbst in stärksten Teleskopen erscheinen sie absolut punktförmig) für Mondverhältnisse zur damaligen Zeit als völlig untypisch erschien. Wilde, sicherlich nicht ganz ernst gemeinte Spekulationen reichten sogar in die Richtung, die Marsmonde seien hohl und verlassene Raumstationen längst ausgestorbener Zivilisationen auf Mars.
Verständlich, dass die Wissenschaft großes Interesse daran hatte, Phobos aus der Nähe zu erforschen.
Die derzeit plausibelste Erklärung der Herkunft der Marsmonde ist, dass es sich um eingefangene Asteroiden handelt. Für einen eingefangenen Asteroiden spricht auch die bereits eingangs erwähnte geringe Dichte von nur 1,9 Gramm pro Kubikzentimeter. Die mittlere Dichte der Materie im Sonnensystem nimmt von der Sonne aus gesehen nach aussen ab. Daher ist es unwahrscheinlich, dass sich Phobos in der Region der Marsbahn gebildet hat.
Sofern die Einfang-Thorie korrekt ist, hat man mit Phobos die einzigartige Möglichkeit, einen Asteroiden ohne extremen Aufwand gemeinsam mit einer Marsmission zu erforschen. Das Phobos genauer erforscht wird als Deimos liegt in erster Linie daran, dass er sich wesentlich dichter am Mars befindet und somit himmelsmechanisch viel einfacher von einem Mars-Orbiter erreichbar ist.
Tatsächlich erweist sich Phobos als wesentlich interessanter, als man es von einem solch kleinen Gesteinsbrocken erwarten kann:
Das folgende Foto zeigt eine Farbaufnahme des Marsmondes Phobos, aufgenommen von der High Resolution Stereo Camera (HRSC) auf der ESA-Mission Mars Express. Die Auflösung des unskalierten Fotos beträgt ca. sieben Meter pro Pixel bei einem Aufnahmeabstand von weniger als 200 Kilometern. Der Datensatz gilt als der beste, der bisher von Phobos aufgenommen wurde.
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Die auffälligste Struktur ist in der linken Bildhälfte der zehn Kilometer große Impaktkrater Stickney. Er ist bereits auf einigen Opportunity-Aufnahmen von der Marsoberfläche aus zu erkennen. Im Verhältnis zu den Abmessungen von Phobos ist es wohl eine der größten bekannten Impaktstrukturen im Sonnensystem. Wäre der Impaktor auch nur ein wenig grösser gewesen, wäre Phobos höchstwahrscheinlich beim Einschlag zerschmettert worden.
Des Weiteren fällt allgemein eine sehr hohe Kraterdichte auf, die für Kleinkörper typisch ist. Die Oberfläche von Phobos dürfte also extrem alt sein.
Eine weitere wichtige Struktur ist die Ansammlung paralleler linearer Strukturen, die die gesamte auf dem Bild sichtbare Hälfte von Phobos überziehen. Sie überprägen einige große Krater und den Wall von Stickney und sind folglich, relativ betrachtet, jung, auch wenn sie ihrerseits teilweise von Einschlagskratern überprägt sind.
Es gibt zwei Theorien der Entstehung dieses Systems linearer Strukturen:
Die erste Möglichkeit besteht darin, dass es sich um tektonische Dehnungsstrukturen handelt. Die Ursache wäre in diesem Fall die starke Gezeitenwirkung zwischen Mars und Phobos, die dadurch verstärkt wird, dass Phobos kartoffelförmig und keine Kugel ist, so dass die Gezeitenkräfte günstige "Angriffsflächen" haben.
Die einfachere Alternative ist, dass Phobos einen Schwarm kleiner Gesteinsbrocken durchquerte, die bei streifenden Vorbeiflügen Schrammen hinterließen.
Die Ursache für die linearen Strukturen ist noch ungeklärt. In diesem Artikel wurde bewusst die neutrale Bezeichnung "lineare Strukturen" gewählt. In der Planetengeologie ist es üblich, Strukturen, deren Entstehung unklar ist, nach ihrer morphologischen Erscheinung deskriptiv zu bezeichnen, anstatt Nomenklaturen zu verwenden, die ein Verständnis der Entstehung voraussetzen, wie zum Beispiel "Grabenbruch".
Die Phobos-Beobachtung, die das oben dargestellte Farbbild lieferte, brachte eine Aufsehen erregende Erkenntnis mit sich: Phobos befand sich auf dem HRSC-Bildstreifen nicht exakt an der vorausberechneten Position, sondern etwa fünf Kliometer vor dieser.
Als der Bildstreifen ausgewertet war, diskutierten meine damaligen Kollegen in der Arbeitsgruppe am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) zunächst die Möglichkeit einer fehlerhaften Missionsplanung. Diese stellte sich jedoch als korrekt heraus.
Es zeigte sich schließlich, dass der Orbit von Phobos auf der Grundlage der bisherigen Daten nicht hinreichend genau bekannt war, um eine exakte Aufnahmeplanung zu ermöglichen.
Eine Neuberechnung der Bahn von Phobos um Mars, basierend auf den HRSC-Bilddaten, enthüllte eine kleine Sensation: Der Orbit von Phobos ist keineswegs stabil, sondern der Marsmond scheint sich offensichtlich auf einer Spiralbahn auf Mars zu zubewegen. Derzeitige Modelle legen die Vermutung nahe, dass sich Phobos pro Jahr um einige Zentimeter dem Mars nähert. Er wird dann in etwa 50 Millionen Jahren auf Mars abstürzen, sofern er vorher nicht durch die enormen Gezeitenkräfte zerrissen wird.
Zur endgültigen Verifizierung dieser Theorie sind jedoch weitere Beobachtungen erfoderlich.
Während der Oppositionszeit ist es durchaus möglich, Phobos in Amateurteleskopen ab etwa 20 Zentimeter Öffnung zu beobachten. Damit der nur 11,3 bis 14,8 Magnituden schwache Phobos nicht überstrahlt wird, bedarf es eines Tricks:
Man lässt sich zunächst mit einem Planwetariumsprogramm die Zeiten ausgeben, zu denen Phobos die grösste Elongation von Mars aufweist (er entfernt sich von der Erde aus gesehen nur maximal 16 Bogensekunden von Mars). Dann muss man den Mars so positionieren, dass er sich gerade eben ausserhalb des Gesichtsfeldes des Okulars befindet. Dann wird die Umgebung des Mars nicht mehr ganz so stark überstrahlt, und man hat gute Chancen, unter dunklem Himmel Phobos aufzuspüren. Diese Beobachtung ist eine echte Herausforderung für große Amateurteleskope, die auch ein wenig Glück erfordert, da optimale atmosphärische Bedingungen zwingend erforderlich sind.
Es versteht sich von selbst, dass man für solche Zwecke eine Ausrüstung benötigt, die eine absolut punktförmige Abbildung von Sternen bis in die äussersten Bildränder ermöglicht.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Mars auszublenden, indem man in der Brennebene des Teleskops eine Blende anbringt. Diese besteht idealer weise aus einem schmalen Papierstreifen, der zentral durch das Okular in der Brennebene gebaut wird und nur geringfügig breiter ist als das Marsscheibchen im Primärfokus.
Diese Methode sollte man jedoch nur anwenden, wenn man über entsprechende handwerkliche Kenntnisse und Fähigkeiten verfügt.
Ich wünsche Ihnen viel Freude und Erfolg beim Beobachten.
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