Умбриэль ( / ˈ ʌ m b r i ə l / ) — третий по величине спутник Урана . Он был открыт 24 октября 1851 года Уильямом Ласселом одновременно с соседним спутником Ариэлем . Он был назван в честь персонажа поэмы Александра Поупа 1712 года «Похищение локона» . Умбриэль состоит в основном изо льда со значительной долей камня и может быть дифференцирован на каменистое ядро и ледяную мантию . Поверхность является самой темной среди спутников Урана и, по-видимому, была сформирована в основном ударами, но наличие каньонов предполагает ранние внутренние процессы, и спутник мог подвергнуться раннему эндогенно-обусловленному событию обновления поверхности, которое стёрло его старую поверхность.
Покрытый многочисленными ударными кратерами , достигающими 210 км (130 миль) в диаметре, Умбриэль 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 обычные луны Урана, вероятно, образовалась из аккреционного диска , окружавшего планету сразу после ее формирования. Умбриэль был изучен вблизи только один раз космическим аппаратом Voyager 2 в январе 1986 года. Он сделал несколько снимков Умбриэля, что позволило составить карту около 40% поверхности луны.
Умбриэль, вместе с другим спутником Урана, Ариэлем , был открыт Уильямом Ласселом 24 октября 1851 года. [10] [11] [12] Хотя Уильям Гершель , первооткрыватель Титании и Оберона , утверждал в конце 18 века, что он наблюдал четыре дополнительных спутника Урана, [13] его наблюдения не были подтверждены, и эти четыре объекта теперь считаются ложными. [14]
Все луны Урана названы в честь персонажей, созданных Уильямом Шекспиром или Александром Поупом . Имена всех четырех известных тогда спутников Урана были предложены Джоном Гершелем (сыном Уильяма) в 1852 году по просьбе Лассела, [15] хотя неизвестно, придумал ли Гершель названия или это сделал Лассел, а затем запросил разрешение Гершеля. [16] Умбриэль — «сумеречный меланхоличный дух» в произведении Александра Поупа «Похищение локона» , [17] а название предполагает латинское umbra , что означает « тень » . Луна также обозначена как Уран II . [12]
Умбриэль вращается вокруг Урана на расстоянии около 266 000 км (165 000 миль), являясь третьим по удаленности от планеты среди пяти ее основных спутников . [e] Орбита Умбриэля имеет небольшой эксцентриситет и очень мало наклонена относительно экватора Урана. [2] Его орбитальный период составляет около 4,1 земных суток, что совпадает с его периодом вращения , что делает его синхронным или приливно-захваченным спутником, одна сторона которого всегда направлена в сторону его родительской планеты. [6] Орбита Умбриэля полностью лежит внутри магнитосферы Урана . [8] Это важно, потому что задние полушария безвоздушных спутников, вращающихся внутри магнитосферы (например, Умбриэль), подвергаются воздействию магнитосферной плазмы , которая вращается вместе с планетой. [18] Эта бомбардировка может привести к потемнению задних полушарий, что наблюдается у всех лун 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 наблюдал Вояджер-2 в 1986 году. [19]
Поскольку Уран вращается вокруг Солнца почти на боку, а его луны вращаются в экваториальной плоскости планеты, Умбриэль и другие луны подвержены экстремальному сезонному циклу. И северный, и южный полюса проводят 42 года в полной темноте и еще 42 года в непрерывном солнечном свете, причем Солнце поднимается близко к зениту над одним из полюсов в каждое солнцестояние . [8] Пролет Вояджера -2 совпал с летним солнцестоянием южного полушария 1986 года, когда почти все северное полушарие было неосвещенным. Раз в 42 года, когда у Урана равноденствие и его экваториальная плоскость пересекает Землю, становятся возможными взаимные покрытия лун Урана. В 2007–2008 годах наблюдалось несколько таких событий, включая два покрытия Титании Умбриэлем 15 августа и 8 декабря 2007 года, а также покрытие Ариэля Умбриэлем 19 августа 2007 года. [20] [21]
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 была бы затронута меньше. [22] Из-за меньшей сплющенности Урана и меньшего размера относительно его спутников, его луны могут легче выходить из резонанса среднего движения, чем луны Юпитера или Сатурна . После того, как Миранда вышла из этого резонанса (через механизм, который, вероятно, привел к ее аномально высокому наклонению орбиты), ее эксцентриситет был бы затух, отключив источник тепла. [23] [24]
Умбриэль — третий по величине и третий по массивности спутник Урана. Умбриэль — 13-й по величине спутник в Солнечной системе, а также 13-й по массивности. Плотность спутника составляет 1,54 г/см3 , что указывает на то, что он в основном состоит из водяного льда , а плотный неледяной компонент составляет около 40% его массы. [25] Последний может состоять из камня 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 спутника. [8] Полосы поглощения водяного льда сильнее на ведущем полушарии Умбриэля, чем на 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]
За исключением воды, единственным другим соединением, идентифицированным на поверхности Умбриэля с помощью инфракрасной спектроскопии, является углекислый газ , который в основном концентрируется в заднем полушарии. [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 внутри Умбриэля. Утечка CO 2 из недр может быть результатом прошлой геологической активности на этом спутнике. [8]
Умбриэль может быть дифференцирован в скалистое ядро , окруженное ледяной мантией . [25] Если это так, то радиус ядра (317 км) составляет около 54% радиуса луны, а его масса составляет около 40% массы луны — параметры диктуются составом луны. Давление в центре Умбриэля составляет около 0,24 ГПа (2,4 кбар ). [25] Текущее состояние ледяной мантии неясно, хотя существование подповерхностного океана считается маловероятным. [25]
Поверхность Умбриэля является самой темной из лун Урана и отражает менее половины света, чем Ариэль, спутник-сестра схожего размера. [26] Умбриэль имеет очень низкое альбедо Бонда , всего около 10% по сравнению с 23% у Ариэля. [7] Отражательная способность поверхности луны уменьшается с 26% при фазовом угле 0° ( геометрическое альбедо ) до 19% при угле около 1°. Это явление называется оппозиционным всплеском . Поверхность Умбриэля слегка голубоватого цвета, [27] в то время как свежие яркие ударные отложения ( например, в кратере Вунда ) [28] еще более голубые. Может быть асимметрия между ведущим и ведомым полушариями; первое кажется краснее второго. [29] Покраснение поверхностей, вероятно, является результатом космического выветривания от бомбардировки заряженными частицами и микрометеоритами на протяжении жизни Солнечной системы . [27] Однако асимметрия цвета Умбриэля, скорее всего, вызвана аккрецией красноватого материала, поступающего из внешних частей системы Урана, возможно, из нерегулярных спутников , что происходит преимущественно на ведущем полушарии. [29] Поверхность Умбриэля относительно однородна — она не демонстрирует сильных изменений ни в альбедо, ни в цвете. [27]
Ученые до сих пор распознали только один класс геологических особенностей на Умбриэле — кратеры . [30] Поверхность Умбриэля имеет гораздо больше и более крупных кратеров, чем Ариэль и Титания . Он показывает наименьшую геологическую активность. [28] Фактически, среди лун Урана только Оберон имеет больше ударных кратеров, чем Умбриэль. Наблюдаемые диаметры кратеров варьируются от нескольких километров в нижнем конце до 210 километров для самого большого известного кратера, Воколо. [28] [30] Все признанные кратеры на Умбриэле имеют центральные пики, [28] но ни один кратер не имеет лучей . [6]
Около экватора Умбриэля находится наиболее заметная поверхностная особенность: кратер Вунда, диаметр которого составляет около 131 км. [31] [32] На дне Вунды находится большое кольцо яркого материала, которое может быть ударным отложением [28] или отложением чистого льда углекислого газа , который образовался, когда радиолитически образованный углекислый газ мигрировал со всей поверхности Умбриэля, а затем оказался в ловушке в относительно холодной Вунде. [33] Рядом, вдоль терминатора , видны кратеры Вувер и Скайнд , у которых нет ярких ободов, но есть яркие центральные пики. [6] [32] Изучение профилей лимба Умбриэля выявило возможную очень большую ударную особенность диаметром около 400 км и глубиной около 5 км. [34]
Подобно другим лунам Урана, поверхность Умбриэля изрезана системой каньонов, простирающихся с северо-востока на юго-запад. [35] Они официально не признаны из-за плохого разрешения изображений и в целом безликого вида этой луны, что затрудняет геологическое картирование . [28]
Сильно кратерированная поверхность Умбриэля, вероятно, была стабильной со времен Поздней тяжелой бомбардировки . [28] Единственными признаками древней внутренней активности являются каньоны и темные полигоны — темные пятна со сложными формами размером от десятков до сотен километров в поперечнике. [36] Полигоны были идентифицированы с помощью точной фотометрии изображений Voyager 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, были созданы во время раннего эпизода тектонической активности. [36] В настоящее время нет объяснения тому, почему Умбриэль такой темный и однородный на вид. Его поверхность может быть покрыта относительно тонким слоем темного материала (так называемого теневого материала ), вырытого ударом или выброшенного при взрывном извержении вулкана. [f] [29] В качестве альтернативы, кора Умбриэля может полностью состоять из темного материала, который предотвратил образование ярких деталей, таких как кратерные лучи. Однако наличие яркой детали в пределах Вунды, похоже, противоречит этой гипотезе. [6]
Считается, что Умбриэль 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 . [38] Точный состав субтуманности неизвестен, но более высокая плотность лун Урана по сравнению со лунами Сатурна указывает на то, что она могла быть относительно бедна водой. [h] [6] Значительные количества азота и углерода могли присутствовать в форме оксида углерода (CO) и молекулярного азота (N 2 ) вместо аммиака и метана. [38] 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. [6]
Аккреция Умбриэля, вероятно, длилась несколько тысяч лет. [38] Удары, сопровождавшие аккрецию, вызвали нагрев внешнего слоя луны. [39] Максимальная температура около 180 К была достигнута на глубине около 3 км. [39] После окончания формирования подповерхностный слой остыл, в то время как внутренняя часть Умбриэля нагрелась из-за распада радиоактивных элементов в его породах. [6] Остывающий приповерхностный слой сжался, в то время как внутренняя часть расширилась. Это вызвало сильные растягивающие напряжения в коре луны, которые могли привести к растрескиванию. [40] Этот процесс, вероятно, длился около 200 миллионов лет, что подразумевает, что любая эндогенная активность прекратилась миллиарды лет назад. [6]
Первоначальный аккреционный нагрев вместе с продолжающимся распадом радиоактивных элементов могли привести к таянию льда [39] , если присутствовал антифриз , такой как аммиак (в форме гидрата аммиака ) или какая-то соль. [25] 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. Океан, вероятно, замерз давно. [25] Среди лун Урана Умбриэль был наименее подвержен эндогенным процессам обновления поверхности, [28] хотя он, как и другие луны Урана, мог испытать очень раннее событие обновления поверхности. [36]
Единственные крупные планы Умбриэля были получены зондом Voyager 2 , который сфотографировал луну во время пролета мимо Урана в январе 1986 года. Поскольку ближайшее расстояние между Voyager 2 и Умбриэлем составляло 325 000 км (202 000 миль), [41] лучшие изображения этой луны имеют пространственное разрешение около 5,2 км. [28] Изображения покрывают около 40% поверхности, но только 20% были сфотографированы с достаточным качеством для геологического картирования . [28] Во время пролета южное полушарие Умбриэля (как и у других лун) было направлено к Солнцу, поэтому северное (темное) полушарие не могло быть изучено. [6]
Кратер Умбриэль Скайнд.