Умбриэль / ˈ ʌ m b r i ə l / — спутник Урана, открытый 24 октября 1851 года Уильямом Ласселлом . Он был обнаружен в то же время, что и Ариэль , и назван в честь персонажа стихотворения Александра Поупа 1712 года «Похищение локона» . Умбриэль состоит в основном изо льда с существенной долей камня и может быть разделен на скалистое ядро и ледяную мантию . Поверхность является самой темной среди спутников Урана и, по-видимому, сформировалась в основном в результате ударов. Однако наличие каньонов предполагает ранние эндогенные процессы, и Луна, возможно, подверглась раннему эндогенно-обусловленному обновлению поверхности, которое уничтожило ее старую поверхность.
Умбриэль , покрытый многочисленными ударными кратерами , достигающими 210 км (130 миль) в диаметре, является вторым по количеству кратеров спутником Урана после Оберона . Наиболее заметной особенностью поверхности является кольцо яркого материала на дне кратера Вунда . Эта луна, как и все спутники Урана, вероятно, образовалась из аккреционного диска , окружавшего планету сразу после ее образования. Система Урана изучалась вблизи только один раз — космическим кораблем «Вояджер-2» в январе 1986 года. Он сделал несколько изображений Умбриэля, что позволило нанести на карту около 40% поверхности Луны.
Умбриэль вместе с другим спутником Урана, Ариэлем , был открыт Уильямом Ласселлом 24 октября 1851 года. [10] [11] Хотя Уильям Гершель , первооткрыватель Титании и Оберона , утверждал в конце XVIII века, что он наблюдал четыре дополнительных спутника Урана, [12] его наблюдения не были подтверждены, и эти четыре объекта теперь считаются ложными. [13]
Все спутники Урана названы в честь персонажей, созданных Уильямом Шекспиром или Александром Поупом . Названия всех четырех известных тогда спутников Урана были предложены Джоном Гершелем в 1852 году по просьбе Лассела. [14] Умбриэль — «сумеречный меланхолический дух» в произведении Александра Поупа «Похищение локона» , [15] и название предполагает латинское umbra , что означает тень . Луну также называют Ураном II . [11]
Умбриэль вращается вокруг Урана на расстоянии около 266 000 км (165 000 миль), будучи третьим по удаленности от планеты среди пяти его основных спутников . [e] Орбита Умбриэля имеет небольшой эксцентриситет и очень мало наклонена относительно экватора Урана. [2] Период его обращения составляет около 4,1 земных дней, что совпадает с периодом его вращения . Другими словами, Умбриэль — это синхронный или приливно-зависимый спутник, одна сторона которого всегда направлена в сторону родительской планеты. [6] Орбита Умбриэля полностью лежит внутри магнитосферы Урана . [8] Это важно, потому что задние полушария безвоздушных спутников, вращающихся внутри магнитосферы (таких как Умбриэль), подвергаются воздействию магнитосферной плазмы , которая вращается вместе с планетой. [16] Эта бомбардировка может привести к затемнению задних полушарий, что фактически наблюдается для всех спутников Урана, кроме Оберона (см. ниже). [8] Умбриэль также служит стоком магнитосферных заряженных частиц, что создает выраженный провал в количестве энергичных частиц вблизи орбиты Луны, как это наблюдалось « Вояджером-2» в 1986 году . [17]
Поскольку Уран вращается вокруг Солнца почти на боку, а его спутники вращаются в экваториальной плоскости планеты, они (включая Умбриэль) подвержены экстремальному сезонному циклу. И северный, и южный полюса проводят 42 года в полной темноте и еще 42 года при непрерывном солнечном свете, при этом Солнце восходит близко к зениту над одним из полюсов в каждое солнцестояние . [8] Пролет « Вояджера -2» совпал с летним солнцестоянием южного полушария 1986 года, когда почти всё северное полушарие было неосвещённым. Раз в 42 года, когда на Уране происходит равноденствие и его экваториальная плоскость пересекает Землю, становятся возможными взаимные покрытия спутников Урана. В 2007–2008 гг. наблюдался ряд таких событий, в том числе два покрытия Титании Умбриэлем 15 августа и 8 декабря 2007 г., а также Ариэля Умбриэлем 19 августа 2007 г. [18] [19]
В настоящее время Умбриэль не участвует ни в каком орбитальном резонансе с другими спутниками Урана. Однако в начале своей истории он мог находиться в резонансе 1:3 с Мирандой . Это увеличило бы эксцентриситет орбиты Миранды, способствуя внутреннему нагреву и геологической активности этой луны, в то время как орбита Умбриэля пострадала бы меньше. [20] Из-за меньшего сжатия и меньшего размера Урана по сравнению с его спутниками, его спутники могут легче выйти из резонанса среднего движения, чем спутники Юпитера или Сатурна . После того, как Миранда вышла из этого резонанса (с помощью механизма, который, вероятно, привел к аномально высокому наклонению ее орбиты), ее эксцентриситет должен был затухать, отключив источник тепла. [21] [22]
Умбриэль — третий по величине и четвертый по массе из спутников Урана. Хотя Умбриэль — 13-я по величине луна в Солнечной системе, она лишь 14-я по массе. [f] Плотность Луны составляет 1,39 г/см 3 , [5] что указывает на то, что она в основном состоит из водяного льда с плотным неледяным компонентом, составляющим около 40% ее массы. [24] Последний мог состоять из горных пород и углеродистого материала, включая тяжелые органические соединения, известные как толины . [6] Наличие водяного льда подтверждается инфракрасными спектроскопическими наблюдениями, которые выявили кристаллический водяной лед на поверхности Луны. [8] Полосы поглощения водяного льда сильнее в ведущем полушарии Умбриэля, чем в ведомом полушарии. [8] Причина этой асимметрии неизвестна, но она может быть связана с бомбардировкой заряженными частицами из магнитосферы Урана , которая сильнее в ведомом полушарии (из-за совместного вращения плазмы). [8] Энергичные частицы имеют тенденцию распылять водяной лед, разлагать метан , захваченный льдом, в виде клатратного гидрата и затемнять другие органические вещества, оставляя после себя темный, богатый углеродом остаток . [8]
Помимо воды, единственным другим соединением, обнаруженным на поверхности Умбриэля с помощью инфракрасной спектроскопии, является углекислый газ , который сосредоточен в основном в заднем полушарии. [8] Происхождение углекислого газа не совсем ясно. Он может производиться локально из карбонатов или органических материалов под воздействием энергичных заряженных частиц, поступающих из магнитосферы Урана, или солнечного ультрафиолетового излучения. Эта гипотеза могла бы объяснить асимметрию его распределения, поскольку ведомое полушарие подвержено более интенсивному магнитосферному влиянию, чем ведущее. Другим возможным источником является выделение первичного CO 2 , захваченного водяным льдом внутри Умбриэля. Выход CO 2 из недр может быть результатом прошлой геологической активности на этой луне. [8]
Умбриэль можно разделить на скалистое ядро , окруженное ледяной мантией . [24] Если это так, то радиус ядра (317 км) составляет около 54% радиуса Луны, а его масса — около 40% массы Луны — параметры диктуются составом Луны. Давление в центре Умбриэля составляет около 0,24 ГПа (2,4 кбар ). [24] Современное состояние ледяной мантии неясно, хотя существование подземного океана считается маловероятным. [24]
Поверхность Умбриэля — самая темная из лун Урана, и она отражает вдвое меньше света, чем поверхность Ариэля, родственного спутника такого же размера. [23] У Умбриэля очень низкое альбедо Бонда — всего около 10% по сравнению с 23% у Ариэля. [7] Отражательная способность поверхности Луны снижается с 26% при фазовом угле 0° ( геометрическое альбедо ) до 19% при угле около 1°. Это явление называется всплеском оппозиции . Поверхность Умбриэля имеет слегка голубой цвет [25] , а свежие яркие ударные отложения ( например, в кратере Вунда ) [26] еще более синие. Может быть асимметрия между ведущим и задним полушариями; первый кажется краснее второго. [27] Покраснение поверхностей, вероятно, является результатом космического выветривания в результате бомбардировки заряженными частицами и микрометеоритами на протяжении всего возраста Солнечной системы . [25] Однако цветовая асимметрия Умбриэля, скорее всего, вызвана аккрецией красноватого материала, поступающего из внешних частей системы Урана, возможно, от спутников неправильной формы , что происходит преимущественно в ведущем полушарии. [27] Поверхность Умбриэля относительно однородна — на ней нет сильных изменений ни в альбедо, ни в цвете. [25]
Ученые до сих пор признали на Умбриэле только один класс геологических особенностей — кратеры . [28] На поверхности Умбриэля кратеров гораздо больше и они больше, чем на Ариэле и Титании . Он проявляет наименьшую геологическую активность. [26] Фактически, среди спутников Урана только Оберон имеет больше ударных кратеров, чем Умбриэль. Наблюдаемый диаметр кратеров варьируется от нескольких километров в нижней части до 210 километров для самого большого известного кратера Воколо. [26] [28] Все известные кратеры на Умбриэле имеют центральные пики, [26] но ни один из кратеров не имеет лучей . [6]
Рядом с экватором Умбриэля находится самая заметная особенность поверхности: кратер Вунда, диаметр которого составляет около 131 км. [30] [31] На полу Вунды имеется большое кольцо яркого материала, которое может быть ударным отложением [26] или отложением чистого льда из углекислого газа, который образовался, когда образовавшийся радиолитически углекислый газ мигрировал со всей поверхности. Умбриэля, а затем оказался в ловушке в относительно холодной Вунде. [32] Рядом, вдоль терминатора , находятся кратеры Вувер и Скайнд , у которых нет ярких ободков, но есть яркие центральные вершины. [6] [31] Изучение профилей конечностей Умбриэля выявило возможное очень большое ударное образование диаметром около 400 км и глубиной около 5 км. [33]
Как и другие спутники Урана, поверхность Умбриэля изрезана системой каньонов, простирающихся с северо-востока на юго-запад. [34] Однако они официально не признаны из-за плохого разрешения изображения и в целом невзрачного внешнего вида этой луны, что затрудняет геологическое картирование . [26]
Изрытая кратерами поверхность Умбриэля, вероятно, оставалась стабильной со времен поздней тяжелой бомбардировки . [26] Единственными признаками древней внутренней деятельности являются каньоны и темные полигоны — темные пятна сложной формы размером от десятков до сотен километров в поперечнике. [35] Полигоны были идентифицированы на основе точной фотометрии изображений, полученных с «Вояджера-2» , и распределены более или менее равномерно на поверхности Умбриэля, простираясь с северо-востока на юго-запад. Некоторые полигоны соответствуют впадинам глубиной в несколько километров и, возможно, образовались во время раннего эпизода тектонической активности. [35] В настоящее время нет объяснения, почему Умбриэль такой темный и однородный на вид. Его поверхность может быть покрыта относительно тонким слоем темного материала (так называемого теневого материала ), образовавшегося в результате удара или выброшенного при взрывном извержении вулкана. [h] [27] Альтернативно, кора Умбриэля может полностью состоять из темного материала, что предотвращает образование ярких деталей, таких как кратерные лучи. Однако наличие яркой особенности внутри Вунды, похоже, противоречит этой гипотезе. [6]
Считается, что Умбриэль образовался из аккреционного диска или субтуманности; диск газа и пыли, который либо существовал вокруг Урана в течение некоторого времени после его образования, либо был создан в результате гигантского удара, который, скорее всего, придал Урану такое большое наклонение . [36] Точный состав субнебулы неизвестен; однако более высокая плотность спутников Урана по сравнению со спутниками Сатурна указывает на то, что он мог быть относительно бедным водой. [i] [6] Значительные количества азота и углерода могли присутствовать в форме монооксида углерода (CO) и молекулярного азота (N 2 ) вместо аммиака и метана. [36] Спутники, образовавшиеся в такой субнебуле, содержали бы меньше водяного льда (с CO и N 2 , захваченными в виде клатрата) и больше горных пород, что объясняет более высокую плотность. [6]
Образование Умбриэля, вероятно, продолжалось несколько тысяч лет. [36] Удары, сопровождавшие аккрецию, вызвали нагрев внешнего слоя Луны. [37] Максимальная температура около 180 К была достигнута на глубине около 3 км. [37] После окончания формирования подповерхностный слой остыл, а недра Умбриэля нагрелись из-за распада радиоактивных элементов , присутствующих в его породах. [6] Охлаждающий приповерхностный слой сжался, а внутренний расширился. Это вызвало сильные напряжения растяжения в лунной коре, что могло привести к растрескиванию. [38] Этот процесс, вероятно, длился около 200 миллионов лет, а это означает, что любая эндогенная активность прекратилась миллиарды лет назад. [6]
Первоначальный аккреционный нагрев вместе с продолжающимся распадом радиоактивных элементов мог привести к таянию льда [37] , если бы присутствовал антифриз , такой как аммиак (в форме гидрата аммиака ) или какая-либо соль. [24] Таяние могло привести к отделению льда от горных пород и образованию скалистого ядра, окруженного ледяной мантией. [26] На границе ядра и мантии мог образоваться слой жидкой воды (океана), богатой растворенным аммиаком. Эвтектическая температура этой смеси составляет 176 К. Однако океан, вероятно, уже давно замерз. [24] Среди спутников Урана Умбриэль меньше всего подвергался эндогенным процессам всплывания поверхности, [26] хотя, возможно, как и другие спутники Урана, они пережили очень раннее событие всплытия. [35]
До сих пор единственные изображения Умбриэля крупным планом были получены с зонда " Вояджер-2" , который сфотографировал Луну во время пролета мимо Урана в январе 1986 года. Поскольку ближайшее расстояние между " Вояджером-2" и Умбриэлем составляло 325 000 км (202 000 миль), [ 39] лучшие изображения этой луны имеют пространственное разрешение около 5,2 км. [26] Снимки покрывают около 40% поверхности, но только 20% было сфотографировано с качеством, необходимым для геологического картирования . [26] Во время пролета южное полушарие Умбриэля (как и другие спутники) было направлено к Солнцу, поэтому северное (темное) полушарие не могло быть изучено. [6] Ни один другой космический корабль никогда не посещал Уран или его спутники.
Кратер Умбриэль Скайнд.