Origin of Phobos grooves by martian ejecta flying on low-energy trajectories

One of the many open mysteries in the field of astrodynamics is the origin of the unique terrain patterns, i.e. grooves, scattered across the surface of the martian moon Phobos. Plenty of theories were developed from their discovery but no clear solution has been found, yet. The answer to this problem could reveal insights on the history of the martian system and of Phobos itself. But also discover natural, free of cost, trajectories that could be exploited for exploration missions. The thesis starts with an analysis of the perturbations, in particular near the surface of Phobos, and develops concepts from different theories to find possible impact patterns that resembles that of the grooves. Also an investigation on Phobos' surface properties, like escape velocity, steepness and gravity perceived, is done to improve knowledge of the system. Then, a set of initial points to be propagated is created through an analysis of the stable and unstable invariant manifolds tube of Halo orbits. The grids start as arbitrary guesses and are step by step refined. Samples are then propagated with different dynamical models to map impact locations. Impact velocities, directions and angles are studied as well. Results show that for material coming from the interior of southern Halo orbits (at L1) the impact highly resemble the northern grooves family pattern. Moreover they suggest that many of the families could be produced by material impacting Phobos from the leading side. Lastly, even if the thesis's hypothesis diverge from typical theories like the ones of Murray and Wilson/Head, the results can used to critically review those theories. Also impacts from other types of periodic orbits are investigated.

Uno tra i tanti misteri ancora aperti nel campo dell'astrodinamica è l'origine dei pattern nel terreno, ovvero scanalature, che si estendono su tutta la superficie della luna marziana Phobos. Svariate teorie sono state sviluppate fin dalla loro scoperta ma non è ancora stata trovata una chiara spiegazione della loro formazione e unicità. La risposta a questo problema potrebbe rivelare informazioni sia sulla storia e origine del sistema marziano che su Phobos stesso. Inoltre, potrebbe contribuire alla scoperta di traiettorie ottimizzate sfruttabili per missioni spaziali. La tesi inizia eseguendo un'analisi delle perturbazioni agenti sulla dinamica, in particulare nei dintorni della superficie di Phobos, e sviluppa concetti appartenenti a diverse teorie per trovare possibili pattern di impatto simili alle reali scanalature. Inoltre, un'investigazione delle proprietà sulla superficie di Phobos, come la velocità di fuga, la ripidità del terreno e la gravità percepita, ha permesso di migliorare la conoscenza del sistema ulteriormente. Successivamente, un set di condizioni iniziali da propagare è stato creato attraverso l'analisi di varietà invarianti, stabili e instabili, delle orbite definite Halo. Le griglie sono inizialmente dei tentativi arbitrari che vengono raffinati passo dopo passo sfruttando i risultati ottenuti. I campioni vengono poi propagati con diversi modelli dinamici per mappare i luoghi di impatto. Tra le tante variabili anche le velocità di impatto, le direzioni e angoli vengono studiati. I risultati mostrano che materiali in arrivo dalla zona interna del tubo formato dalla famiglia Sud delle orbite Halo (in L1) generano impatti molto somiglianti con la famiglia di scanalature che attraversa il polo Nord. Inoltre suggeriscono che svariate famiglie potrebbero essere prodotte da materiale che impatta Phobos passando per la parte frontale. Infine, anche se le ipotesi usate in questa tesi divergono dalle tipiche teorie esistenti come quelle di Murray e Wilson/Head, i risultati possono essere usati per analizzare criticamente quest'ultime. Anche gli impatti dovuti ad altri tipi di orbite periodiche sono stati investigati.