Ариэль — четвёртый по величине спутник Урана . Ариэль вращается в экваториальной плоскости Урана , которая почти перпендикулярна орбите Урана, поэтому у спутника выраженный сезонный цикл.
Он был открыт 24 октября 1851 года [11] Уильямом Ласселом и назван в честь персонажа из двух разных произведений литературы. По состоянию на 2019 год большая часть подробных знаний об Ариэле получена из единственного пролета Урана, выполненного космическим зондом Voyager 2 в 1986 году, которому удалось сфотографировать около 35% поверхности луны. В настоящее время нет активных планов вернуться для более детального изучения луны, хотя были предложены различные концепции, такие как Uranus Orbiter и Probe .
После Миранды , Ариэль является вторым по близости из пяти основных круглых спутников Урана . Среди 20 известных сферических лун Солнечной системы он является самым маленьким (по диаметру он занимает 14-е место), и считается, что он состоит примерно из равных частей льда и каменистого материала. Его масса примерно равна по величине гидросфере Земли .
Как и все луны Урана, Ариэль, вероятно, образовался из аккреционного диска , который окружал планету вскоре после ее образования, и, как и другие крупные луны, он, вероятно, дифференцирован , с внутренним ядром из камня, окруженным мантией из льда. Ариэль имеет сложную поверхность, состоящую из обширной кратерированной местности, прорезанной системой уступов , каньонов и хребтов . Поверхность демонстрирует признаки более поздней геологической активности, чем другие луны Урана, скорее всего, из-за приливного нагрева .
Открыт 24 октября 1851 года Уильямом Ласселом и назван в честь небесного духа из поэмы Александра Поупа 1712 года «Похищение локона» и пьесы Шекспира « Буря» .
И Ариэль, и немного более крупный спутник Урана Умбриэль были открыты Уильямом Ласселом 24 октября 1851 года. [12] [13] Хотя Уильям Гершель , открывший два крупнейших спутника Урана Титанию и Оберон в 1787 году, утверждал, что наблюдал четыре дополнительных спутника, [14] это никогда не было подтверждено, и эти четыре объекта теперь считаются ложными. [15] [16] [17]
Все луны Урана названы в честь персонажей из произведений Уильяма Шекспира или «Похищение локона» Александра Поупа . Имена всех четырех известных тогда спутников Урана были предложены Джоном Гершелем в 1852 году по просьбе Лассела, [18] хотя неизвестно, придумал ли Гершель названия или это сделал Лассел, а затем запросил разрешение Гершеля. [19] Ариэль назван в честь главной сильфиды в «Похищении локона» . [20] Это также имя духа, который служит Просперо в «Буре» Шекспира . [21] Луна также обозначена как Уран I. [13]
Среди пяти основных лун Урана Ариэль является второй по близости к планете, вращаясь на расстоянии около 190 000 км. [f] Его орбита имеет небольшой эксцентриситет и очень мало наклонена относительно экватора Урана. [3] Его орбитальный период составляет около 2,5 земных суток, что совпадает с его периодом вращения . Это означает, что одна сторона луны всегда обращена к планете; состояние, известное как приливной замок . [22] Орбита Ариэля полностью лежит внутри магнитосферы Урана . [8] Задние полушария (те, которые обращены в сторону от своих направлений орбиты) безвоздушных спутников, вращающихся внутри магнитосферы, таких как Ариэль, подвергаются воздействию магнитосферной плазмы, вращающейся вместе с планетой. [23] Эта бомбардировка может привести к потемнению задних полушарий, наблюдаемому для всех лун Урана, за исключением Оберона (см. ниже). [8] Ариэль также захватывает магнитосферные заряженные частицы, создавая выраженный спад в количестве энергичных частиц вблизи орбиты луны, наблюдаемый Вояджером-2 в 1986 году. [24]
Поскольку Ариэль, как и Уран, вращается вокруг Солнца почти на боку относительно своего вращения, его северное и южное полушария обращены либо прямо к Солнцу, либо прямо от него в солнцестояния . Это означает, что он подвержен экстремальному сезонному циклу; так же, как полюса Земли видят постоянную ночь или день вокруг солнцестояний, полюса Ариэля видят постоянную ночь или день в течение половины уранианского года (42 земных года), при этом Солнце восходит близко к зениту над одним из полюсов в каждое солнцестояние. [8] Пролет Вояджера -2 совпал с летним солнцестоянием 1986 года, когда почти все северное полушарие было темным. Раз в 42 года, когда у Урана равноденствие и его экваториальная плоскость пересекает Землю, становятся возможными взаимные покрытия лун Урана. Ряд таких событий произошел в 2007–2008 годах, включая покрытие Ариэля Умбриэлем 19 августа 2007 года. [25]
В настоящее время Ариэль не участвует ни в каком орбитальном резонансе с другими спутниками Урана. Однако в прошлом он мог находиться в резонансе 5:3 с Мирандой , что могло быть частично ответственно за нагрев этой луны (хотя максимальный нагрев, приписываемый бывшему резонансу 1:3 Умбриэля с Мирандой, вероятно, был примерно в три раза больше). [26] Ариэль мог когда-то быть запертым в резонансе 4:1 с Титанией, из которого он позже вырвался. [27] Избежать резонанса среднего движения гораздо проще для лун Урана, чем для лун Юпитера или Сатурна , из-за меньшей степени сплющенности Урана . [27] Этот резонанс, который, вероятно, произошел около 3,8 миллиарда лет назад, увеличил бы эксцентриситет орбиты Ариэля , что привело бы к приливному трению из-за изменяющихся во времени приливных сил со стороны Урана. Это могло бы вызвать нагревание внутренней части Луны на целых 20 К. [27]
Ариэль является четвертым по величине из спутников Урана по размеру и массе . Это также 14-й по величине спутник в Солнечной системе . Плотность спутника составляет 1,52 г/см3 , что указывает на то, что он состоит примерно из равных частей водяного льда и плотного неледяного компонента. [28] Последний может состоять из скальных и углеродистых материалов, включая тяжелые органические соединения, известные как толины . [22] Наличие водяного льда подтверждается инфракрасными спектроскопическими наблюдениями, которые выявили кристаллический водяной лед на поверхности спутника, который является пористым и, таким образом, передает мало солнечного тепла слоям ниже. [8] [29] Полосы поглощения водяного льда сильнее на ведущем полушарии Ариэля, чем на его ведомом полушарии. [8] Причина этой асимметрии неизвестна, но она может быть связана с бомбардировкой заряженными частицами из магнитосферы Урана , которая сильнее на заднем полушарии (из-за совместного вращения плазмы). [8] Энергичные частицы имеют тенденцию распылять водяной лед, разлагать метан, заключенный во льду в виде клатратного гидрата , и затемнять другие органические вещества, оставляя темный, богатый углеродом остаток . [8]
Кроме воды, на поверхности Ариэля с помощью инфракрасной спектроскопии были обнаружены два других соединения . Первое — это углекислый газ (CO 2 ), который в основном сконцентрирован в его заднем полушарии. Ариэль демонстрирует самые сильные спектроскопические доказательства наличия CO 2 среди всех спутников Урана [8] и был первым спутником Урана, на котором было обнаружено это соединение. [8] Происхождение углекислого газа не совсем ясно. Он может быть произведен локально из карбонатов или органических материалов под воздействием энергичных заряженных частиц, исходящих из магнитосферы Урана или солнечного ультрафиолетового излучения. Эта гипотеза объяснила бы асимметрию в его распределении, поскольку заднее полушарие подвержено более интенсивному магнитосферному влиянию, чем ведущее полушарие. Другим возможным источником является выделение первичного CO 2 , захваченного водяным льдом в недрах Ариэля. Утечка CO 2 из недр может быть связана с прошлой геологической активностью на этом спутнике. [8]
Второе соединение, идентифицированное по его характеристике на длине волны 2,2 мкм на Ариэле, — это аммиак , который распределен более или менее однородно по поверхности. Присутствие аммиака может указывать на то, что Ариэль был геологически активен в недавнем прошлом. [30]
Учитывая его размер, состав камня/льда и возможное присутствие соли или аммиака в растворе для понижения точки замерзания воды, внутренняя часть Ариэля может быть дифференцирована на скалистое ядро , окруженное ледяной мантией . [28] Если это так, радиус ядра (372 км) составляет около 64% радиуса луны, а его масса составляет около 56% массы луны — параметры диктуются составом луны. Давление в центре Ариэля составляет около 0,3 ГПа (3 кбар ). [28] Текущее состояние ледяной мантии неясно. Существование подповерхностного океана в настоящее время считается возможным, [31] хотя исследование 2006 года предполагает, что одного радиогенного нагрева было бы недостаточно, чтобы допустить его. [28] Другие научные исследования пришли к выводу, что активный подводный океан возможен для 4 крупнейших лун Урана. [32] [33] [34]
Ариэль — самый отражающий из спутников Урана. [7] Его поверхность показывает оппозиционный всплеск : отражательная способность уменьшается с 53% при фазовом угле 0° ( геометрическое альбедо ) до 35% при угле около 1°. Альбедо Бонда Ариэля составляет около 23% — самое высокое среди спутников Урана. [7] Поверхность Ариэля в целом имеет нейтральный цвет. [35] Может быть асимметрия между ведущим и ведомым полушариями; [36] последнее кажется краснее первого на 2%. [g] Поверхность Ариэля в целом не демонстрирует никакой корреляции между альбедо и геологией с одной стороны и цветом с другой. Например, каньоны имеют тот же цвет, что и кратерированная местность. Однако яркие ударные отложения вокруг некоторых свежих кратеров немного более голубые по цвету. [35] [36] Также есть несколько слегка голубых пятен, которые не соответствуют ни одной известной особенности поверхности. [36]
Наблюдаемую поверхность Ариэля можно разделить на три типа рельефа: кратерированный рельеф, хребтовый рельеф и равнины. [37] Основными особенностями поверхности являются ударные кратеры , каньоны , сбросовые уступы , хребты и впадины . [38]
Кратерная местность, холмистая поверхность, покрытая многочисленными ударными кратерами и сосредоточенная на южном полюсе Ариэля, является старейшей и наиболее географически обширной геологической единицей Луны . [37] Она пересекается сетью уступов, каньонов (грабенов) и узких хребтов, в основном встречающихся в средних южных широтах Ариэля. [37] Каньоны, известные как каньоны , [39], вероятно, представляют собой грабены , образованные растяжением , которое возникло в результате глобальных растягивающих напряжений, вызванных замерзанием воды (или водного аммиака) в недрах Луны (см. ниже). [22] [37] Они имеют ширину 15–50 км и простираются в основном в восточном или северо-восточном направлении. [37] Дно многих каньонов выпуклое; поднимается на 1–2 км. [39] Иногда дно отделено от стен каньонов канавками (желобами) шириной около 1 км. [39] Самые широкие грабены имеют канавки, проходящие вдоль гребней их выпуклых днов, которые называются долинами . [22] Самый длинный каньон — Качина Чазма , длиной более 620 км (эта особенность простирается до полушария Ариэля, которое Вояджер-2 не видел освещенным). [38] [40]
Второй основной тип рельефа — хребтовый рельеф — включает полосы хребтов и впадин протяженностью в сотни километров. Он ограничивает кратерированную местность и разрезает ее на многоугольники. Внутри каждой полосы, которая может быть шириной от 25 до 70 км, находятся отдельные хребты и впадины длиной до 200 км и на расстоянии от 10 до 35 км друг от друга. Полосы хребтового рельефа часто образуют продолжения каньонов, что позволяет предположить, что они могут быть измененной формой грабена или результатом другой реакции земной коры на те же самые растягивающие напряжения, такие как хрупкое разрушение. [37]
Самая молодая местность, наблюдаемая на Ариэле, — это равнины: относительно низменные гладкие области, которые, судя по их различным уровням кратерирования , должны были формироваться в течение длительного периода времени . [37] Равнины находятся на дне каньонов и в нескольких нерегулярных углублениях в середине кратерированного рельефа. [22] В последнем случае они отделены от кратерированного рельефа резкими границами, которые в некоторых случаях имеют дольчатый рисунок. [37] Наиболее вероятным происхождением равнин являются вулканические процессы; их линейная геометрия жерла, напоминающая земные щитовые вулканы , и отчетливые топографические границы предполагают, что извергаемая жидкость была очень вязкой, возможно, переохлажденным раствором воды/аммиака, с возможностью вулканизма твердого льда. [39] Толщина этих гипотетических потоков криолавы оценивается в 1–3 км. [39] Следовательно, каньоны должны были образоваться в то время, когда на Ариэле все еще происходило эндогенное обновление поверхности. [37] Некоторым из этих областей, по-видимому, менее 100 миллионов лет, что позволяет предположить, что Ариэль все еще может быть геологически активным, несмотря на его относительно небольшой размер и отсутствие приливного нагрева. [41]
Ариэль, по-видимому, довольно равномерно кратерирован по сравнению с другими лунами Урана; [22] относительное малое количество крупных кратеров [h] предполагает, что его поверхность не датируется образованием Солнечной системы, что означает, что Ариэль, должно быть, был полностью обновлен в какой-то момент своей истории. [37] Считается, что прошлая геологическая активность Ариэля была вызвана приливным нагревом в то время, когда его орбита была более эксцентричной, чем сейчас. [27] Самый большой кратер, наблюдаемый на Ариэле, Янгур , имеет всего 78 км в поперечнике, [38] и демонстрирует признаки последующей деформации. Все крупные кратеры на Ариэле имеют плоские дна и центральные пики, и лишь немногие из кратеров окружены яркими выбросами. Многие кратеры имеют полигональную форму, что указывает на то, что на их внешний вид повлияла ранее существовавшая структура земной коры. На кратерированных равнинах есть несколько крупных (около 100 км в диаметре) светлых пятен, которые могут быть деградировавшими ударными кратерами. Если это так, то они были бы похожи на палимпсесты на спутнике Юпитера Ганимеде . [ 37] Было высказано предположение, что круглая депрессия диаметром 245 км, расположенная в точке с координатами 10° ю.ш. и 30° в.д., является крупной, сильно деградировавшей ударной структурой. [43]
Считается, что Ариэль образовался из аккреционного диска или субтуманности; диска из газа и пыли, который либо существовал вокруг Урана в течение некоторого времени после его образования, либо был создан гигантским ударом, который, скорее всего, придал Урану его большой наклон . [44] Точный состав субтуманности неизвестен; однако более высокая плотность лун Урана по сравнению со лунами Сатурна указывает на то, что она могла быть относительно бедна водой. [i] [22] Значительные количества углерода и азота могли присутствовать в форме оксида углерода (CO) и молекулярного азота (N 2 ), вместо метана и аммиака . [44] Луны, которые образовались в такой субтуманности, содержали бы меньше водяного льда (с CO и N 2, захваченными в виде клатрата) и больше камня, что объясняет более высокую плотность. [22]
Процесс аккреции, вероятно, продолжался несколько тысяч лет, прежде чем луна полностью сформировалась. [44] Модели предполагают, что удары, сопровождающие аккрецию, вызвали нагревание внешнего слоя Ариэля, достигнув максимальной температуры около 195 К на глубине около 31 км. [45] После окончания формирования подповерхностный слой остыл, в то время как внутренняя часть Ариэля нагрелась из-за распада радиоактивных элементов, присутствующих в его породах. [22] Остывающий приповерхностный слой сжался, в то время как внутренняя часть расширилась. Это вызвало сильные растягивающие напряжения в коре луны, достигающие оценок в 30 МПа , что могло привести к растрескиванию. [46] Некоторые современные уступы и каньоны могут быть результатом этого процесса, [37] который длился около 200 миллионов лет. [46]
Первоначальный аккреционный нагрев вместе с продолжающимся распадом радиоактивных элементов и вероятным приливным нагревом могли привести к таянию льда, если присутствовал антифриз , такой как аммиак (в форме гидрата аммиака ) или какая-то соль . [45] Таяние могло привести к отделению льда от горных пород и образованию каменистого ядра, окруженного ледяной мантией. [28] На границе ядра и мантии мог образоваться слой жидкой воды (океана), богатый растворенным аммиаком. Эвтектическая температура этой смеси составляет 176 К. [28] Однако океан, вероятно, замерз давно. Замерзание воды, вероятно, привело к расширению внутренних частей, что могло быть причиной образования каньонов и уничтожения древней поверхности. [37] Жидкости из океана могли извергаться на поверхность, затапливая дно каньонов в процессе, известном как криовулканизм . [45] Более поздний анализ пришел к выводу, что активный океан вероятен для 4 крупнейших лун Урана, в частности, включая Ариэль. [33]
Тепловое моделирование спутника Сатурна Дионы , который похож на Ариэль по размеру, плотности и температуре поверхности, предполагает, что твердотельная конвекция могла существовать в недрах Ариэля в течение миллиардов лет, и что температуры, превышающие 173 К (температура плавления водного аммиака), могли сохраняться вблизи его поверхности в течение нескольких сотен миллионов лет после образования и около миллиарда лет ближе к ядру. [37]
Видимая величина Ариэля составляет 14,8; [10] подобна величине Плутона вблизи перигелия . Однако, в то время как Плутон можно увидеть в телескоп с апертурой 30 см , [47] Ариэль, из-за своей близости к яркости Урана, часто не виден в телескопы с апертурой 40 см. [48]
Единственные изображения Ариэля крупным планом были получены зондом Voyager 2 , который сфотографировал луну во время пролета мимо Урана в январе 1986 года. Ближайшее сближение Voyager 2 с Ариэлем составило 127 000 км (79 000 миль) — значительно меньше расстояний до всех других лун Урана, за исключением Миранды. [49] Лучшие изображения Ариэля имеют пространственное разрешение около 2 км. [37] Они покрывают около 40% поверхности, но только 35% были сфотографированы с качеством, необходимым для геологического картирования и подсчета кратеров. [37] Во время пролета южное полушарие Ариэля (как и у других лун) было направлено к Солнцу, поэтому северное (темное) полушарие не могло быть изучено. [22] Никакой другой космический аппарат никогда не посещал систему Урана. [50] Возможность отправки космического корабля «Кассини» к Урану оценивалась на этапе планирования продления миссии. [51] Чтобы добраться до системы Урана после отлета от Сатурна, потребовалось бы около двадцати лет, и эти планы были отменены в пользу того, чтобы остаться на Сатурне и в конечном итоге уничтожить космический корабль в атмосфере Сатурна. [51]
26 июля 2006 года космический телескоп Хаббл запечатлел редкий транзит Ариэля по Урану, который отбрасывал тень, видимую на вершинах облаков Урана. Такие события редки и происходят только около равноденствий , поскольку плоскость орбиты Луны вокруг Урана наклонена на 98° к плоскости орбиты Урана вокруг Солнца. [52] Другой транзит в 2008 году был зарегистрирован Европейской южной обсерваторией . [53]