Il segreto nel cuore di Fobos: il gigantesco cratere Stickney svela i misteri della luna di Marte

La comprensione dell’origine delle lune marziane, Fobos e Deimos, rappresenta una delle sfide più affascinanti e complesse dell’astrofisica moderna. Nonostante decenni di esplorazioni e immagini ad alta risoluzione inviate dalle sonde spaziali, il satellite più grande di Marte, Fobos, continua a nascondere segreti profondi sotto la sua superficie martoriata. Un nuovo e dettagliato studio scientifico, condotto dai ricercatori dell’Università della Bundeswehr di Monaco e pubblicato sui Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, analizza un’ipotesi rivoluzionaria, l’impatto catastrofico che ha creato il gigantesco cratere Stickney potrebbe aver compresso e denso il materiale interno della luna, alterandone in modo misurabile il campo gravitazionale e la dinamica di rotazione.

Il mistero di Fobos, tra asteroidi catturati e impatti giganti

Per comprendere appieno l’importanza di questa ricerca, è necessario fare un passo indietro e guardare alla natura enigmatica di Fobos. Fobos è un piccolo corpo celeste di forma irregolare, che assomiglia più a una patata cosmica che a una luna sferica come la nostra. La sua superficie è scura, riflette pochissima luce, e la sua densità media è incredibilmente bassa, circa 1,8 grammi per centimetro cubo. Per dare un’idea concreta, la roccia terrestre media ha una densità quasi tripla.

Questo valore di densità così ridotto suggerisce che Fobos non sia un blocco di roccia solido e monolitico, bensì una sorta di accumulo di frammenti poroso, quello che in gergo scientifico viene definito un “mucchio di macerie” (rubble-pile). All’interno di questa struttura spugnosa potrebbero trovarsi ampi vuoti macroscopici o persino ingenti riserve di ghiaccio d’acqua protette dal vuoto spaziale.

Gli astronomi si dividono fondamentalmente tra due scenari evolutivi per spiegare la nascita di Fobos:

• L’ipotesi della cattura asteroidale: Fobos potrebbe essere un antico asteroide primordiale, ricco di carbonio e ghiaccio, proveniente dalla fascia principale o da regioni ancora più esterne del Sistema Solare, attirato e intrappolato dalla gravità di Marte.

• L’ipotesi dell’impatto gigante: Fobos potrebbe essersi formato dall’aggregazione dei detriti scagliati in orbita a seguito di uno scontro imponente tra un proto-pianeta e Marte nelle prime fasi di vita del Sistema Solare.

Ciascuno di questi scenari prevede una composizione interna nettamente differente. Se Fobos è un asteroide catturato, dovrebbe conservare importanti quantità di ghiaccio d’acqua e una porosità elevata. Se invece è nato dai detriti di un impatto su Marte, le altissime temperature sviluppate durante lo scontro avrebbero dovuto far evaporare quasi tutti i materiali volatili, lasciando un corpo composto prevalentemente da rocce silicate anidre.

La ferita di Stickney e l’effetto di compressione interna

L’elemento morfologico più imponente di Fobos è senza dubbio il cratere Stickney, una voragine di circa 10 chilometri di diametro che occupa una porzione enorme della superficie della luna, la quale misura appena 22 chilometri di larghezza media. L’evento che ha generato il cratere Stickney è stato così violento che ha quasi distrutto l’intero satellite.

Gli autori dello studio, basandosi su un’intuizione pionieristica proposta nel 2019 dai ricercatori Le Maistre, Rivoldini e Rosenblatt, hanno ipotizzato che l’energia cinetica tremenda dell’impatto non si sia limitata a scavare la cavità superficiale ed espellere materiale nello spazio. Gran parte dell’energia del proiettile cosmico si è propagata verso l’interno, comprimendo la struttura porosa sottostante e creando una bolla o una lente localizzata di materiale ad alta densità.

Per visualizzare questo fenomeno in termini semplici, possiamo immaginare Fobos come una grande spugna rigida e disidratata. Se colpissimo un punto di questa spugna con un pugno estremamente forte, non solo asporteremmo una parte della superficie, ma schiacceremmo i pori interni proprio sotto la zona dell’impatto, rendendo quel punto specifico molto più denso e compatto rispetto al resto della struttura.

In aggiunta alla semplice compressione meccanica dei vuoti, le pressioni e le temperature estreme generate al momento dell’impatto potrebbero aver trasformato la struttura cristallina dei minerali silicatici presenti, convertendoli in fasi minerali ad alta densità come la coesite o la stishovite, oppure concentrando materiali densi fusi dal calore.

I modelli matematici e le osservazioni geodetiche

Per verificare se e come questa zona compressa sotto il cratere Stickney influenzi il comportamento fisico di Fobos, i ricercatori tedeschi hanno sviluppato simulazioni numeriche avanzate. Utilizzando un approccio basato su elementi di massa discreti chiamati “mascons” (concentrazioni di massa), l’intera luna è stata suddivisa in centinaia di migliaia di piccoli blocchi tridimensionali, a ciascuno dei quali è stata assegnata una densità specifica.

Gli studiosi hanno analizzato quattro tipologie principali di modelli interni per Fobos:

• Modello omogeneo: una struttura di controllo in cui la densità è uniforme in tutto il corpo.

• Modelli con roccia e vuoti: strutture formate esclusivamente da materiale roccioso intercalato da macroporosità (spazi vuoti).

• Modelli con roccia e ghiaccio d’acqua: strutture in cui parte dei vuoti interni è riempita da ghiaccio d’acqua.

• Modelli eterogenei con zona compressa: strutture che includono sotto il cratere Stickney una regione a densità maggiorata, variandone la geometria (da piatta e superficiale a profonda e conica) e la percentuale di volume occupato.

Dalle simulazioni sono stati calcolati tre parametri geodetici fondamentali che le sonde spaziali possono misurare dall’orbita:

1. Il campo gravitazionale: espresso attraverso i coefficienti delle armoniche sferiche, che descrivono come la gravità del corpo varia spostandosi attorno ad esso. In particolare, il coefficiente di grado 2 e ordine 0, indicato come C20, descrive quanto la distribuzione di massa si discosti da una sfera perfetta lungo l’asse di rotazione.

2. I momenti principali d’inerzia: parametri fisici che indicano quanto sia difficile accelerare o fermare la rotazione di un corpo rigido lungo i suoi tre assi spaziali.

3. L’ampiezza di librazione: la leggera oscillazione o “dondolio” che la luna compie attorno al suo asse di rotazione mentre orbita attorno a Marte, causata dalle forze di marea esercitate dal pianeta rosso.

I risultati dello studio, una risposta alle anomalia gravitazionali

I dati ottenuti dalle simulazioni numeriche hanno rivelato un quadro sorprendentemente chiaro ed illuminante. Nei modelli tradizionali a densità omogenea, i calcoli teorici del coefficiente gravitazionale C20 mostrano una discrepanza sistematica rispetto ai valori reali misurati dalle sonde spaziali che hanno sorvolato Fobos negli ultimi anni.

Inserendo nelle simulazioni la presenza della zona compressa e ad alta densità sotto il cratere Stickney, la discrepanza scompare. L’aumento localizzato della densità sposta il valore del coefficiente gravitazionale C20 esattamente verso le stime attuali derivate dalle osservazioni orbitali.

I calcoli indicano che, se questa anomalia gravitazionale di grado 2 fosse interamente causata dalla compressione prodotta dall’impatto, la regione densa e compattata situata al di sotto di Stickney dovrebbe occupare circa il 7 per cento del volume totale di Fobos.

Questa scoperta è straordinariamente importante perché dimostra che non è necessario ipotizzare complesse ed esotiche variazioni di densità su scala globale all’interno della luna per spiegarne il campo gravitazionale, un singolo, imponente evento catastrofico avvenuto sulla superficie è stato in grado di stampare la sua firma indelebile nell’architettura gravitazionale dell’intero corpo celeste.

Considerazioni personali e implicazioni per il futuro dell’esplorazione spaziale

L’analisi di questo studio invita a riflessioni profonde sulla natura dei corpi minori del Sistema Solare e sul modo in cui interpreteamo i dati scientifici forniti dalle missioni spaziali. Spesso tendiamo a considerare i piccoli satelliti asteroidali come oggetti inerti, fossili immutabili sopravvissuti all’alba della formazione planetaria. Tuttavia, la ricerca dimostra quanto un singolo evento d’impatto possa plasmare non soltanto la topografia esteriore di un mondo, ma anche la sua struttura intima, la sua dinamica rotazionale e la sua gravità.

Questo lavoro sottolinea una lezione metodologica fondamentale per la planetologia moderna, la necessità assoluta di superare i modelli semplificati ad alta simmetria. Per decenni si è ipotizzato, per comodità di calcolo, che i piccoli corpi celesti avessero una densità interna uniforme. La realtà che sta emergendo è drammaticamente più complessa ed affascinante, Fobos è un puzzle geologico tridimensionale dove la storia degli impatti superficiali si intreccia con la composizione primordiale.

La verifica definitiva di queste affascinanti predizioni teoriche non rimarrà un esercizio astratto per molto tempo. La missione spaziale giapponese MMX (Martian Moons eXploration), guidata dall’agenzia spaziale JAXA e supportata da partner internazionali come la NASA e l’ESA, si prepara a raggiungere il sistema di Marte. La sonda MMX effettuerà rilievi geodetici e gravitazionali a risoluzione mai vista prima, sorvolando Fobos a bassissima quota e posandosi sulla sua superficie per prelevare campioni di suolo da riportare sulla Terra.

Se le misurazioni di gravità ad alta risoluzione e gli strumenti radar di MMX confermeranno la presenza della lente ad alta densità sotto il cratere Stickney nella misura del 7 per cento del volume globale, avremo finalmente la chiave per decifrare l’intera struttura interna della luna. Rimuovendo matematicamente il “rumore” gravitazionale causato dall’impatto di Stickney, i geofisici potranno finalmente determinare con certezza se il resto di Fobos contenga o meno ghiaccio d’acqua primordiale, risolvendo una volta per tutte il secolare dibattito sulla sua origine, se si tratti di un asteroide carbonaceo catturato dalle profondità dello spazio o del figlio nato da un’immane collisione su Marte.

Traduzione dell’abstract. La disponibilità dello studio completo, in accesso libero o riservato, è verificabile tramite il link al DOI originale.

Abstract

L’origine di Phobos, la più grande delle lune marziane, è una delle questioni più studiate ma ancora irrisolte nell’ambito dell’ambiente marziano. La sua bassa albedo, la sua massa ridotta e la sua configurazione orbitale unica sono difficili da conciliare con un singolo meccanismo di formazione. Sebbene la sua struttura interna rimanga poco definita, le stime attuali suggeriscono un interno poroso con possibile presenza di ghiaccio d’acqua. Nonostante le recenti missioni spaziali abbiano fornito dati essenziali, non hanno permesso di ottenere vincoli precisi sulla sua distribuzione di massa e sulla sua composizione interna. La mappatura dettagliata del campo gravitazionale si rivela un metodo cruciale per affrontare questi interrogativi aperti. Motivato dall’ipotesi che l’impatto di Stickney abbia prodotto una zona localizzata di materiale densificato, proposta per la prima volta da S. Le Maistre, A. Rivoldini e P. Rosenblatt (2019), modelliamo come tale area compressa influenzerebbe le osservabili geodetiche di Phobos. Utilizzando un approccio mascon basato sui voxel, variamo la distribuzione del materiale compresso sotto Stickney (piatto contro profondo), i proxy del materiale d’impatto ad alta densità ipotizzati (coesite contro stishovite) e la sua frazione di volume, attraverso quattro tipi interni e un contenuto variabile di acqua + vuoti. Per ogni realizzazione, calcoliamo i coefficienti gravitazionali fino al grado e all’ordine 10, i momenti principali di inerzia e l’ampiezza di librazione. Nel nostro quadro, una zona compressa sotto Stickney può spostare il coefficiente gravitazionale di grado 2 C₂ o verso la sua stima attuale, spiegando le deviazioni dai modelli a densità omogenea. Se una maggiore densità del sottosuolo sotto Stickney è pienamente responsabile della deviazione di grado 2 dal suo analogo omogeneo, i nostri risultati indicano che questa regione più densa rappresenterebbe il 7% del volume totale di Phobos.

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