Phobos est un corps très irrégulier, de dimensions 27×21,6×18,8 km, bien trop petit pour pouvoir prendre une forme sphérique ; il s'agit d'ailleurs de l'un des plus petits satellites naturels du système solaire. Du simple fait de sa forme, la gravité à sa surface varie d'environ 210 % suivant l'endroit où elle est mesurée.

Phobos est un corps sombre qui semble composé de chondrite carbonée, une composition similaire à celle des astéroïdes de type C dans la ceinture d'astéroïdes externe. Cependant, la masse volumique de Phobos est trop faible pour qu'il soit intégralement composé de roche et il possède une porosité significative. Il a été suggéré que Phobos pourrait contenir un réservoir de glace substantiel, mais des observations spectrales ont écarté cette hypothèse.

La sonde soviétique Phobos 2 détecta que des gaz s'échappaient de Phobos en quantité faible mais régulière. Malheureusement la sonde tomba en panne avant d'avoir pu déterminer la nature de ce gaz. Des images provenant de Mars Global Surveyor montrent que Phobos est recouvert d'une couche de régolithe d'au moins 100 m d'épaisseur ; on pense qu'il provient d'impacts avec d'autres corps, mais on ignore comment il a pu adhérer à un objet ne possédant quasiment pas de gravité.

Au cours de l'été 2008, la sonde Mars Express a permis de préciser quelques caractéristiques de Phobos, dont la masse et la densité.

De nombreux cratères sont présents à la surface de Phobos. Le plus grand de ces cratères est nommé « Stickney », du nom de jeune fille de l'épouse d'Asaph Hall. Comme le cratère Herschell sur Mimas, mais à une échelle plus petite, l'impact qui a créé le cratère Stickney a très probablement quasiment détruit Phobos.

Des sillons s'étendent à la surface de Phobos, mesurant typiquement moins de 30 m de profondeur, 100 à 200 m de largeur et jusqu'à 20 km de long. Initialement, on supposait qu'ils résultaient de l'impact ayant formé le cratère Stickney, mais des analyses de données provenant de Mars Express ont révélé une origine indépendante : il s'agit de dépôts de matériaux déplacés par des impacts provenant de la surface de Mars.

La météorite de Kaidun a été présentée comme originaire de Phobos, mais la compositon détaillée de la lune n'étant pas connue, ceci est difficile à vérifier.

Les caractéristiques géologiques de Phobos sont nommées d'après les astronomes qui ont étudié le satellite, ainsi que des personnages et des lieux des Voyages de Gulliver de Jonathan Swift. Plusieurs cratères ont été nommés, ainsi qu'une dorsale, Kepler Dorsum, d'après l'astronome Johannes Kepler.

Phobos se déplace sur une orbite relativement circulaire (0,0151 d'excentricité) et faiblement inclinée (1,093° par rapport à l'Équateur de Mars). Avec un demi-grand axe de 9 377 km, Phobos orbite à seulement 6 000 km au-dessus du sol martien (le rayon de Mars mesure environ 3 400 km). Il est donc plus proche de la planète que tout autre satellite naturel du système solaire. Par comparaison, la Lune orbite à 384 000 km de la Terre.

Phobos orbite en-dessous de l'orbite synchrone, c'est-à-dire qu'il réalise une révolution autour de Mars en moins de temps qu'il n'en faut pour que Mars ne tourne sur elle-même : sa période orbitale n'est que de 7 h 39 min, tandis que le jour martien est de l'ordre de 24 h 36 min. Pour un observateur martien, Phobos se lève à l'ouest, traverse le ciel rapidement (en 4 h 15 min ou moins) et se couche à l'est, à peu-près deux fois par jour, à 11 h 6 min d'intervalle. Son orbite est si basse qu'il ne peut pas être aperçu depuis les régions polaires (à partir de 70,4° de latitude) et reste à ces endroits en-dessous de l'horizon.

La taille apparente de Phobos depuis Mars varie suivant la latitude et la position du satellite dans le ciel. Pour un observateur situé à l'équateur, Phobos possède un diamètre angulaire de 0,14° au lever et de 0,20° au zénith, une augmentation de 45%. À titre de comparaison, le Soleil a un diamètre apparent de 0,35° dans le ciel martien ; la Lune vue de la Terre mesure environ 0,5°. Un observateur martien situé à des latitudes plus élevées percevrait Phobos plus petit parce qu'il en serait significativement plus éloigné.

Vu de Phobos, Mars apparaîtrait 6 400 fois plus grand et 2 500 fois plus brillant que la pleine Lune vue de la Terre, remplissant un quart d'un hémisphère céleste.

Les phases de Phobos peuvent être perçues depuis Mars ; sa période synodique est seulement 13 secondes plus longue que sa période sidérale.

Transits

Pour un observateur martien, Phobos transite régulièrement devant le Soleil. Il n'est pas assez grand pour couvrir le disque solaire dans son intégralité et ne peut donc pas créer d'éclipse totale. Plusieurs de ces transits ont été photographiés par le rover Opportunity. Pendant ces transits, l'ombre de Phobos est visible à la surface de Mars et a été photographiée par plusieurs sondes spatiales.

La fin de Phobos

L'orbite basse de Phobos signifie qu'il sera un jour détruit : les forces de marée abaissent progressivement son orbite, au rythme actuel de 1,8 m par siècle. Dans 30 à 80 millions d'années, il devrait s'écraser à la surface de Mars ou plus probablement se briser et former un anneau planétaire. En prenant compte de sa forme irrégulière et en considérant qu'il s'agit d'un amas de roches (plus spécifiquement un objet de Mohr-Coulomb), il a été calculé que Phobos est stable par rapport aux forces de marées, mais qu'il devrait dépasser la limite de Roche lorsque son rayon orbital descendra en-dessous de 7 100 km et sera probablement détruit peu après.

Découverte de Phobos

Phobos fut découvert le 18 août 1877 par l'astronome américain Asaph Hall à l'observatoire naval de Washington, vers 09:14 GMT, soit vers 16:06 le 17 août 1877 à l'heure moyenne de Washington. Hall avait également découvert Deimos, l'autre satellite de Mars, quelques jours avant.

Phobos « creux »

Dans les années 1950 et 1960, l'orbite inhabituelle de Phobos et sa faible densité ont conduit à spéculer qu'il pourrait s'agir d'un objet artificiel creux.

Vers 1958, l'astrophysicien russe Iosef Shklovski, étudiant l'accélération du mouvement orbital de Phobos, suggéra que le satellite était formé d'une mince couche de métal. Shklovsky basa ses analyses sur des estimations de la densité de la haute atmosphère martienne et en déduisit que pour prendre en compte un léger freinage, Phobos devait être très léger ; un calcul conduisit à le modéliser par une sphère d'acier creuse de 16 km de diamètre et de moins de 6 cm d'épaisseur.

En février 1960, dans une lettre au journal Astronautics, Fred Singer, conseiller scientifique du président des États-Unis Eisenhower, soutint la théorie de Shklovsky, allant jusqu'à affirmer que « le but est probablement de balayer les rayonnements dans l'atmosphère martienne, afin que les Martiens puissent exploiter les alentours de leur planète ».

Par la suite, l'existence de l'accélération ayant conduit à ces assertions fut mise en doute, et le problème avait disparu en 1969. Les études antérieures surestimaient la perte d'altitude de Phobos en utilisant des valeurs de 5 cm/an qui furent par la suite révisées à 1,8 cm/an. Les perturbations de l'accélération du satellite sont désormais attribuées à des effets de marée qui n'étaient pas pris en compte alors. La masse volumique de Phobos est actuellement évaluée à 1 900 kg/m³, ce qui ne correspond pas à une coquille creuse. En outre, les images obtenues par les sondes spatiales depuis les années 1970 indiquent clairement que Phobos est un objet d'origine naturelle.

Exploration de Phobos

L'orbite basse de Phobos signifie qu'il sera un jour détruit : les forces de marée abaissent progressivement son orbite, au rythme actuel de 1,8 m par siècle. Dans 30 à 80 millions d'années, il devrait s'écraser à la surface de Mars ou plus probablement se briser et former un anneau planétaire. En prenant compte de sa forme irrégulière et en considérant qu'il s'agit d'un amas de roches (plus spécifiquement un objet de Mohr-Coulomb), il a été calculé que Phobos est stable par rapport aux forces de marées, mais qu'il devrait dépasser la limite de Roche lorsque son rayon orbital descendra en-dessous de 7 100 km et sera probablement détruit peu après.