Phobos a l'aspect et la forme d'un astéroïde de dimension : 27 x 21.6 x 18.8 km, ce qui correspond à un rayon moyen de 11km. Sa surface est très sombre et présente des cratères de différentes dimensions. Le plus important, Stickney, (diamètre de 10 km) a probablement créé lors de l'impact une redistribution des masses au sein de Phobos. Deimos est légèrement plus petit que Phobos (dimensions de 15 x 12.2 x 11 km), mais son aspect et sa forme évoquent aussi ceux d'un astéroïde.

Les missions Viking et surtout Phobos 2 ont permis de réaliser des mesures du spectre de la lumière solaire réfléchie par la surface de ces deux lunes. Les scientifiques ont trouvé que ces spectres montraient des similitudes avec les spectres des surfaces de certains astéroïdes. Toutefois, ces mesures spectrales ne sont pas assez déterminantes pour donner la composition exacte de la surface de Phobos et Deimos (et par extrapolation celle de leur intérieur). Il n'est donc pas exclu que le matériau constituant ces deux Lunes se rapproche de celui constituant les roches de la surface de Mars.

Les deux lunes de Mars parcourent une trajectoire circulaire dans le plan équatorial de Mars, mais à des distances différentes: Phobos se situe à 5978 km de la surface tandis que Deimos est plus éloignée (20059 km). Dans le système solaire, aucune planète ne possède de satellite naturel aussi proche que Phobos l'est de Mars.

Phobos étant la plus proche, elle fait un tour complet autour de Mars en 7 heures et 39 minutes et Deimos en 30 heures et 18 minutes.

Les trajectoires de Phobos et Deimos dépendent du champ gravitationnel de la planète Mars. Ce champ peut prendre des valeurs différentes en fonction de l'endroit de la surface, et varie au cours du temps. Ces variations temporelles sont observées à différentes échelles. Les plus importantes sont saisonnières car les valeurs du champ gravitationnel dépendent de la proportion du CO2 présente dans l'atmosphère et capturée dans les calottes polaires . Environ un quart de l'atmosphère participe à ce processus saisonnier de sublimation et de condensation du CO2.

On observe aussi dans la trajectoire des lunes martiennes des variations diurnes, semi-diurnes et de longues périodes causées par les marées liées au Soleil : tout comme la Terre, Mars se déforme légèrement en raison de l'attraction gravitationnelle du Soleil. Ces déformations engendrent une légère redistribution des masses à l'intérieur de Mars qui en retour modifie légèrement le champ gravitationnel de la planète. Cette modification du champ gravitationnel se fait ressentir sur la trajectoire des lunes martiennes. Ce phénomène contrôle l'évolution à long terme des orbites des lunes martiennes autour de leur planète Mère, Mars. Ainsi, on prévoit que Phobos se rapproche de Mars à raison d'environ 20 mètres par siècle et qu'elle devrait d'ici environ 40 millions d'années s'écraser sur la surface martienne ou se briser sous l'effet de ces mêmes forces de marées avant même d'atteindre la surface. A contrario, Deimos s'éloigne de Mars à raison de 2 millimètres par an, tout comme la Lune s'éloigne de la Terre à raison de 3.8 centimètres par an.

Phobos (photo de Mars Express)	Deimos (crédit : NASA)

Le but principal de l'étude de Phobos par l'instrument de radio-science à bord de Mars Express consiste à déterminer précisément sa masse et plus tard la répartition des masses à l'intérieur de Phobos.

Les orbiteurs Viking et Phobos 2 ont pu déterminer une première fois la masse de Phobos, en évaluant la déviation de trajectoire subie par les sondes lors de passages à proximité de Phobos. Environ 17 passages proches de Phobos ont été réalisés, avec une distance entre les sondes et Phobos comprise entre 100 et 300 km et durant à peine 5 minutes. Un seul survol proche de Deimos a pu être réalisé à une distance de 30 km seulement. Mars Express est actuellement la seule sonde en orbite autour de Mars capable de réaliser des survols proches de Phobos.

Voici une animation illustrant la déviation de la trajectoire d'une sonde spatiale lors de son passage à proximité d'une lune de Mars.

Depuis les missions Viking ou Phobos 2, la technologie a progressé et les mesures de décalage Doppler fournies par Mars Express sont dix fois plus précises que celles réalisées par les anciennes sondes spatiales. Il est donc possible d'obtenir le meilleur jeu de mesures jamais réalisé pour la détermination de la masse de Phobos par l'interprétation du suivi Doppler de la sonde Mars Express lors d'un passage proche de la lune martienne.

Outre la détermination de la masse de Phobos, la détermination précise de son volume est aussi un objectif de la mission Mars Express. Le calcul du volume de ce corps nécessite de connaître précisément sa forme. La caméra stéréoscopique (HRSC) embarquée sur Mars Express fournira des images 3D de toute la surface de Phobos avec une résolution jamais atteinte auparavant.

L'association des données de radio-science pour la masse et de la caméra stéréoscopique pour le volume permettra de calculer avec précision la densité moyenne de Phobos. Cette densité est aujourd'hui estimée à 1.85 g /cm3 avec une précision de 3.2%, ce qui est bien moins dense que les roches de surface de Mars (estimée entre 2.7 et 3.3 g/cm3). La densité moyenne de Deimos est estimée à 1.65 g/cm3 avec une précision de seulement 17%. Ces faibles densités se rapprochent de celles de certains astéroïdes du système solaire et privilégient l'hypothèse que Phobos et Deimos seraient des astéroïdes capturés par l'attraction gravitationnelle de Mars et ne proviendraient donc pas de Mars.

Cependant, la précision avec laquelle la densité moyenne de Phobos est connue ne permet pas d'identifier précisément de quel endroit du système solaire proviendraient ces astéroïdes. De manière alternative, cette faible densité de Phobos et Deimos peut aussi s'expliquer par la présence d'éléments légers à l'intérieur de ces corps tel que de la glace d'eau ou des espaces de vides entre les blocs de matériau constituant ces corps. Ainsi, Phobos et Deimos à l'instar de certains astéroïdes pourraient être constitués d'un agrégat de matériau et non pas d'un monolithe de roche et de glace mélangées. Les nouvelles données plus précises de Mars Express fourniront de nouveaux éléments pour élucider cette question.

En compilant un maximum d'informations sur Phobos, les scientifiques pourront tenter de déterminer son origine, et quelle a été son évolution. S'il s'avère que Phobos a une certaine parenté avec les astéroïdes (à partir de sa densité, de sa composition minéralogique...), les scientifiques pourront approfondir l'étude des astéroïdes par l'intermédiaire des lunes de Mars.

Indirectement, des informations sur l'intérieur de Mars pourront en parallèle être récoltées étant donné que la trajectoire de Phobos dépend du champ de gravitation de Mars.