Phobos est le plus gros satellite de Mars et constitue l'un des objets les plus singuliers du Système solaire. Découvert le 17 août 1877 par l'astronome américain Asaph Hall, à l'Observatoire naval des États-Unis, il fut nommé d'après Phobos, personnification grecque de la peur et fils d'Arès, l'équivalent grec de Mars. Sa découverte s'inscrit dans le contexte de la recherche des satellites martiens, longtemps restée infructueuse en raison de leur très faible luminosité apparente et de leur proximité angulaire avec Mars.

Phobos est un corps de très petite taille à la forme irrégulière, dont les dimensions principales sont d'environ 26,1 x 22,8 x 18,3 km. Sa masse et sa faible pesanteur en font un objet très différent des grandes lunes telluriques : l'accélération gravitationnelle à sa surface n'est que d'environ 5,7×10^−3 m.s^-2, soit près d'un millième de celle de la Terre. Sa densité moyenne est estimée à environ 1,86 g.cm^-3. Cette valeur, relativement faible pour un corps rocheux, suggère une structure interne fortement poreuse ou une organisation en agrégat de blocs et de matériaux fragmentés, même si la nature exacte de son intérieur demeure discutée.

La dynamique orbitale de Phobos est particulièrement remarquable. Il gravite à une distance moyenne d'environ 9377 km du centre de Mars, soit à moins de 6000 km au-dessus de la surface martienne. Sa période orbitale n'est que de 7 h 39 min, ce qui signifie qu'il accomplit environ trois révolutions autour de Mars au cours d'une journée martienne. Son orbite est presque circulaire et faiblement inclinée par rapport à l'équateur de Mars. Phobos est en rotation synchrone : sa période de rotation est égale à sa période orbitale, de sorte qu'il présente toujours pratiquement la même face à Mars.

Cette proximité produit une situation orbitale exceptionnelle. Phobos tourne autour de Mars plus rapidement que Mars ne tourne sur elle-même. Pour un observateur situé à la surface martienne, le satellite se lève donc à l'ouest et se couche à l'est, contrairement à la plupart des satellites naturels familiers. Dans certaines régions de Mars, notamment à proximité des zones polaires, la courbure de la planète peut même empêcher Phobos d'être visible au-dessus de l'horizon. La faible distance orbitale explique également l'importance des effets de marée exercés par Mars sur le satellite.

L'aspect de Phobos est sombre, fortement cratérisé et très irrégulier. Sa surface présente une réflectance extrêmement faible, de l'ordre de 7 % dans le domaine visible. Les observations photométriques récentes indiquent une surface très poreuse dans sa couche superficielle, avec une porosité estimée à environ 87 % dans les modèles photométriques. Cette caractéristique peut correspondre à un manteau épais de poussière ou à des agrégats fractals constitués de particules faiblement consolidées. Phobos est ainsi moins comparable à une "roche massive"» qu'à un petit corps dont la surface a été profondément remaniée par les impacts et les processus gravitationnels.

La structure géologique la plus spectaculaire de Phobos est le cratère Stickney, d'environ 9 à 10 km de diamètre. Il représente une fraction considérable de la taille du satellite et constitue le résultat d'un impact suffisamment énergétique pour avoir presque fragmenté Phobos. Le cratère porte le nom de Chloe Angeline Stickney Hall, mathématicienne et épouse d'Asaph Hall. Son intérieur est recouvert de régolithe fin et présente des traces de mouvements gravitaires de matériaux sur les pentes. L'existence même de ce cratère constitue un indice important sur la résistance mécanique très limitée du satellite.

Phobos est également parcouru par de longues rainures, parfois larges de plusieurs centaines de mètres et profondes de plusieurs dizaines de mètres. Leur origine a fait l'objet d'un débat majeur en planétologie. Une interprétation classique les reliait directement à l'impact ayant formé Stickney, par fracturation de la croûte et mobilisation du régolithe. D'autres modèles ont proposé une origine liée aux contraintes de marée exercées par Mars, voire à des impacts secondaires et à la réaccumulation de débris. La géométrie globale des rainures ne se réduit donc pas à une simple série de fractures radiales issues de Stickney; leur distribution et leur morphologie témoignent d'une histoire géologique complexe.
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Gros plan sur les rainures près du cratère Stickney.
Crédits : en haut : ESA/DLR/FU Berlin (G. Neukum); en bas :  HiRISE, MRO, LPl (U. Arizona), NASA.

La composition de Phobos constitue précisément l'un des grands problèmes scientifiques associés à ce satellite. Les observations spectrales montrent une surface sombre dont les propriétés ont été rapprochées de celles de certains astéroïdes carbonés de type C et de certaines chondrites carbonées. Toutefois, cette analogie n'est pas suffisante pour conclure à une capture astéroïdale. Les propriétés spectrales, la dynamique orbitale et la structure du système martien ne convergent pas nécessairement vers une même interprétation. Des différences de couleur et de réflectance existent notamment entre des terrains dits "rouges" et "bleus", ce qui pourrait traduire des variations de texture, de granulométrie ou de composition de surface.

L'origine de Phobos reste donc l'une des questions ouvertes les plus importantes de la science planétaire. Deux scénarios principaux sont traditionnellement opposés. Selon l'hypothèse de la capture, Phobos serait un astéroïde formé dans une autre région du Système solaire puis capturé par la gravité martienne. Cette hypothèse est compatible avec son aspect sombre et sa morphologie irrégulière, mais elle rencontre des difficultés dynamiques : une capture gravitationnelle directe nécessite un mécanisme permettant de dissiper suffisamment d'énergie orbitale. Selon l'hypothèse de l'impact géant, Phobos et Deimos se seraient formés à partir de débris générés par une collision majeure affectant Mars, puis organisés en un disque circum-martien avant de s'accréter. Cette solution explique plus naturellement certaines propriétés orbitales, mais elle doit rendre compte de la composition apparemment astéroïdale des satellites.

Des modèles plus récents cherchent à dépasser cette opposition binaire. Une étude publiée en 2024 a notamment proposé un scénario de capture partielle et disruptive : un astéroïde initialement non lié à Mars aurait été fortement perturbé ou fragmenté lors d'un passage rapproché, une partie de ses débris étant ensuite capturée et susceptible d'évoluer vers un disque proto-satellite. Ce mécanisme pourrait combiner certaines caractéristiques de la capture et de la formation à partir d'un disque de débris. Il demeure toutefois une hypothèse théorique et doit être confronté à des mesures directes de la composition et de la structure de Phobos.

L'évolution future de Phobos est, en revanche, beaucoup mieux comprise. Les effets de marée dissipatifs provoquent une diminution progressive de son orbite : le satellite se rapproche de Mars d'environ 1,8 m tous les cent ans. Comme Phobos orbite à l'intérieur de l'orbite synchrone de Mars, le transfert de moment angulaire entraîne cette migration orbitale vers l'intérieur. À terme, dans un délai de l'ordre de plusieurs dizaines de millions d'années, Phobos devrait soit être détruit par les forces de marée avant d'atteindre la surface martienne, soit entrer en collision avec Mars selon l'évolution précise de sa structure et de son orbite. Un scénario de fragmentation en anneau de débris est également envisagé.

Phobos est donc un objet d'une importance scientifique disproportionnée par rapport à sa taille. Il constitue à la fois un laboratoire naturel pour l'étude des petits corps poreux, un cas d'école de dynamique orbitale sous l'effet des marées et une archive potentielle de l'histoire ancienne du système martien. La mission japonaise MMX (Martian Moons eXploration), conduite par la JAXA avec des contributions de la NASA, de l'ESA, du CNES et du DLR, doit étudier Phobos et Deimos et rapporter sur Terre un échantillon de Phobos. La mission est actuellement prévue pour un lancement en 2026 et vise notamment à rapporter plus de 10 g de matériau. Le rover franco-allemand IDEFIX doit également être déployé à la surface de Phobos. L'analyse en laboratoire d'un échantillon martien provenant directement de ce satellite devrait permettre de confronter les hypothèses de capture, d'impact géant et de scénarios hybrides avec des données géochimiques beaucoup plus discriminantes que les seules observations à distance.