De konstiga formerna och färgerna på de små marsmånarna Phobos och Deimos har inspirerat till en långvarig debatt om deras ursprung.

Månarnas mörka ansikten liknar de primitiva asteroiderna i det yttre solsystemet, vilket tyder på att månarna kan vara asteroider som fångats för länge sedan i Mars gravitationskraft. Men formerna och vinklarna på månarnas banor passar inte in i detta fångstscenario.

En ny titt på 20-åriga data från Mars Global Surveyor-uppdraget ger stöd åt idén som Mars-månarna bildade efter en stor inverkan på planeten kastade mycket sten i omloppsbana, enligt en ny studie i Journal of Geophysical Research:Planets, en publikation av American Geophysical Union.

Datauppsättningen innehöll oavslutade ledtrådar till sakerna som Phobos är gjord av, som kan vara mer lik skorpan på den röda planeten än vad den verkar, enligt studiens författare.

"Det roliga för mig har varit att titta på några av idéerna där ute med hjälp av en gammal datauppsättning som har varit underutnyttjad, sa Tim Glotch, en geovetare vid Stony Brook University i New York och huvudförfattare till den nya studien.

Marc Fries, en planetforskare och curator för kosmiskt stoft vid NASA:s Johnson Space Center, som inte var involverad i den nya studien, sa oförmågan att förklara uppkomsten av två månar runt en angränsande planet är en påfallande brist i forskarnas förståelse av månbildning. Att rensa upp det kommer att hjälpa till med tolkningar av hur andra månar och planeter bildades i vårt solsystem och utanför. Den nya studien avslöjar inte mysteriet, men det är ett steg i rätt riktning, han sa.

"Frågan om Phobos och Deimos ursprung är en rolig sorts mysterium, eftersom vi har två konkurrerande hypoteser som inte båda kan vara sanna, " sa Fries. "Jag skulle inte anse att detta är en slutgiltig lösning på mysteriet med månarnas ursprung, men det kommer att hjälpa till att hålla diskussionen framåt."

Mörka föremål

Debatten om ursprunget till Mars månar har splittrat forskare i årtionden, sedan planetvetenskapens tidiga dagar. I synligt ljus, Phobos och Deimos ser mycket mörkare ut än Mars, låna tyngd åt adoptionshypotesen.

Forskare studerar mineralsammansättningen av föremål genom att bryta ljuset de reflekterar till komponentfärger med en spektrofotometer, skapa distinkta visuella "fingeravtryck". Genom att jämföra de spektrala fingeravtrycken från planetytor med ett bibliotek av spektra för kända material, de kan härleda sammansättningen av dessa avlägsna objekt. Det mesta av forskningen om asteroiders sammansättning har undersökt deras spektra i synligt ljus och i nära-infrarött ljus, vilket är strax bortom mänskligt syn på den röda sidan av det synliga spektrumet.

I synligt och nära infrarött ljus, Phobos och D-klass asteroider ser ungefär likadana ut - det vill säga, båda deras spektra är nästan särdragslösa eftersom de är så mörka. Asteroider av klass D är nästan svarta som kol eftersom som kol, de innehåller kol. Denna mörka aspekt av Phobos ledde till hypotesen att månen är en fången asteroid som flög lite för nära Mars.

Men forskare som tittade på banorna för Mars månar hävdade att de inte kunde ha fångats. Dessa forskare tror att månarna måste ha bildats samtidigt som Mars, eller berodde på en massiv påverkan på planeten under dess bildande årtusenden.

"Om du pratar med människor som är riktigt bra på omloppsdynamik och att ta reda på varför vissa kroppar kretsar som de gör, de säger att, med tanke på lutningen och detaljerna i Phobos bana, det är nästan omöjligt att det fångades. Så du har spektroskopisterna som säger en sak och dynamikerna säger något annat, " sa Glotch.

Värme fingeravtryck

Glotch bestämde sig för att se på problemet i ett annat ljus:det mellaninfraröda, som ligger i samma intervall som kroppstemperaturen. Han tittade på Phobos värmesignatur som fångades 1998 av ett instrument som han beskriver som en snygg termometer som bärs på Mars Global Surveyor. Robotfarkosten tillbringade större delen av sin livstid med att titta ner på Mars, men tog en snabb titt på Phobos när den passerade nära månen innan den satte sig i en närmare bana runt planeten.

Värmeenergi, som synligt ljus, kan delas upp i ett spektrum av "färger". Även föremål som ser svarta ut i synligt ljus kan lysa i ett distinkt infrarött spektrum. Även om Phobos är väldigt kall, dess värmespektrum har en märkbar signatur.

Glotch och hans studenter jämförde de mitten av infraröda spektra av Phobos som glimtade av Mars Global Explorer med prover av en meteorit som föll till jorden nära Tagish Lake, British Columbia, som vissa forskare har föreslagit är ett fragment av en asteroid av D-klass, och andra bergarter. I labbet, de utsatte sina prover för Phobos-liknande förhållanden av kallt vakuum, värma dem uppifrån och under för att simulera de extrema temperaturförändringarna från de soliga till de skuggiga sidorna av luftlösa föremål i rymden.

"Vi hittade, vid dessa våglängdsområden, Tagish Lake-meteoriten ser inte ut som Phobos, och faktiskt det som matchar Phobos närmast, eller åtminstone en av funktionerna i spektrumet, är mald basalt, som är en vanlig vulkanisk sten, och det är vad det mesta av Marsskorpan är gjord av, " sade Glotch. "Det får oss att tro att Phobos kanske kan vara en rest av en påverkan som inträffade tidigt i Mars historia."

Planetskorpan inbakad?

Den nya studien hävdar inte att Phobos är gjord helt av material från Mars, men de nya resultaten överensstämmer med att månen innehåller en del av planetens skorpa, kanske som en sammanslagning av skräp från planeten och resterna av det angripande föremålet.

Pommes frites, vetenskapsmannen som inte var involverad i den nya studien, sa att Tagish Lake-meteoriten är ovanlig, och kanske inte det bästa exemplet på en asteroid av D-klass som är tillgänglig för en övertygande jämförelse med Phobos. Fries tillade att den nya studien sannolikt inte skulle kunna ge ett definitivt svar eftersom Phobos är föremål för rymdvittring, vilket påverkar sitt reflektansspektrum och är svårt att replikera i labbet.

Men Fries sa att han tyckte att det var intressant att en blandning av basalt och kolrikt material gjorde en passande match för Phobos. En annan möjlighet är att kolrikt rymddamm i närheten av Mars har samlats på månarna i nära omloppsbana, gör deras ytor mörkare, han sa.

Forskare kan få sitt svar på Phobos ursprung inom de närmaste åren, om rymdfarkosten Martian Moon eXploration och asteroidutforskarna OSIRIS-Rex och Hayabusa2 slutför sina uppdrag för att samla in prover och returnera dem till jorden för analys. Hyabusa2 landade två minirobotar på asteroiden känd som Ryugu den 21 september.

"Det riktigt coola är att detta är en testbar hypotes, eftersom japanerna utvecklar ett uppdrag som heter MMX som ska gå till Phobos, samla ett prov och ta tillbaka det till jorden för att vi ska kunna analysera, " sa Glotch.