Умбрієль (супутник)

Умбрієль виявлено Вільямом Ласселлом 24 жовтня 1851 року разом з іншим супутником Урана, Аріелем[5][6]. Хоча Вільям Гершель, першовідкривач Титанії та Оберона, заявив наприкінці 18 століття про те, що спостерігав ще чотири супутника Урана[7], його спостереження не були підтверджені, і Гершеля вважатися відкривачем інших супутників Урана заперечується[8].

Усі супутники Урана названо на честь персонажів із творів Вільяма Шекспіра і Александра Поупа. Назви всіх чотирьох супутників Урана, відомих на той час, були запропоновані сином Вільяма Гершеля — Джоном — 1852 року на прохання Вільяма Лассела[9]. Умбрієль названо ім'ям меланхолічного гнома з твору Александра Поупа «Викрадення локона»[10]. Латинське слово «umbra» означає тінь. Супутник також позначається як Уран II[6].

Орбіта Умбрієля пролягає на відстані 266 000 км від Урана. Це третій за віддаленістю із п'яти великих супутників Урана. Нахил орбіти до екватора планети дуже маленький[11]. Орбітальний період Умбрієля дорівнює 4,1 земних діб і збігається з періодом його обертання. Інакше кажучи, Умбрієль — синхронний супутник Урана й завжди обернений до нього одним боком[12]. Орбіта Умбрієля повністю лежить всередині магнітосфери Урана[13], а атмосфери в нього немає. Тому його задня (по ходу орбітального руху) півкуля постійно бомбардується частинками магнітосферної плазми, які рухаються по орбіті набагато швидше Умбрієля (з періодом, який дорівнює періоду осьового обертання Урана)[14]. Можливо, це й призводить до потемніння задньої півкулі, яке спостерігається на всіх супутниках Урана, крім Оберона[13]. Проліт автоматичної міжпланетної станції «Вояджер-2» дозволив виявити поблизу Умбрієля помітне зменшення концентрації іонів магнітосфери Урана[15].

Оскільки Уран обертається навколо Сонця «на боці», а площина його екватора приблизно збігається з площиною орбіт його великих супутників, зміна пір року на них дуже своєрідна. Кожен полюс Умбрієля 42 роки перебуває у повній пітьмі і 42 роки неперервно освітлений, причому під час літнього сонцестояння Сонце на полюсі майже досягає зеніту[13]. Проліт «Вояджера-2» в січні 1986 року збігся з літнім сонцестоянням над південним полюсом, тоді як майже вся північна півкуля перебувала у пітьмі. Раз на 42 роки — під час рівнодення на Урані — Сонце (і разом з ним Земля) проходить через його екваторіальну площину, і тоді можна спостерігати взаємні затемнення його супутників. Декілька таких подій спостерігалося у 2007—2008 роках, зокрема два покриття Титанії Умбрієлем (15 серпня і 8 грудня 2007 року) і покриття Аріеля Умбрієлем (19 серпня 2007 року)[16][17].

Наразі в Умбрієля немає орбітального резонансу з жодним із супутників Урана. Однак, можливо, на початку його існування існував резонанс 1:3 із Мірандою. Можливо, це збільшило ексцентриситет орбіти Міранди, і сприяло внутрішньому нагріванню та геологічній активності цього супутника, у той час як на орбіту Умбрієля це практично не вплинуло[18]. Супутникам Урана легше вийти з орбітального резонансу, ніж супутникам Сатурна чи Юпітера, оскільки сплющеність і розмір Урана менші, ніж у більших планет-гігантів. Прикладом є Міранда, яка вийшла з резонансу (з чим, імовірно, і пов'язаний аномально великий нахил її орбіти)[19][20].

Умбрієль — третій за розміром і четвертий за масою супутник Урана. Його густина — 1,39 г/см³[21]. З цього випливає, що супутник значною мірою складається з водяного льоду, а щільніші компоненти складають близько 40 % його маси[22]. Ці компоненти можуть бути кам'янистими, а також високомолекулярними органічними сполуками, відомими як толіни[12]. За допомогою інфрачервоної спектроскопії на поверхні виявлено водяний лід[13]. Його абсорбційні смуги на передній півкулі виражені сильніше, ніж на задній. Причини такої асиметрії невідомі, але вважається, що це може бути викликано бомбардуванням поверхні зарядженими частинками з магнітосфери Урана, яке діє саме на задню півкулю (внаслідок спільного обертання планети й плазми)[13]. Ці частинки розпилюють лід, розкладаючи метан, який міститься в ньому (і утворюють клатрати) та діють на інші органічні речовини, залишаючи темний залишок, багатий вуглецем[13].

За допомогою інфрачервоної спектроскопії на поверхні Умбрієля, крім води, виявлено вуглекислий газ, який сконцентрований переважно на задній півкулі супутника[13]. Походження вуглекислого газу не до кінця зрозуміло. Він міг утворитися на поверхні з карбонатів чи органічних речовин під дією сонячного ультрафіолетового випромінювання або заряджених частинок, що надходять з магнітосфери Урана. Останнє може пояснити асиметрію в розподілі вуглекислого газу на поверхні супутника, тому що ці частинки бомбардують саме задню півкулю. Інше можливе джерело CO₂ — дегазація водяного льоду в надрах Умбрієля, яка може бути наслідком колишньої геологічної активності супутника[13].

Умбрієль може бути диференційований на кам'яне ядро й крижану мантію[22]. Якщо це так, то радіус ядра (близько 317 км) становить близько 54 % радіуса супутника, а маса ядра — близько 40 % маси супутника (параметри розраховані виходячи зі складу Умбрієля). У цій моделі тиск у центрі Умбрієля становить близько 0,24 ГПа (2,4 кбар)[22]. Сучасний стан крижаної мантії незрозумілий, хоча існування підповерхневого океану вважається малоймовірним[22].

Знімок Умбрієля з використанням фіолетових і світлих фільтрів

Знімок Умбрієля, на якому виділено ділянки з різним альбедо. Темні ділянки позначено червоним кольором, світлі — синім

Поверхня Умбрієля темніша, ніж поверхня всіх інших супутників Урана, і відбиває менше половини того світла, що відбиває Аріель, хоча ці супутники близькі за розмірами[23]. Умбрієль має дуже низьке альбедо Бонда — лише близько 10 % (для порівняння, в Аріеля воно становить 23 %)[24]. Поверхня Умбрієля демонструє опозиційний ефект: при збільшенні фазового кута з 0° до 1° відбивна здатність зменшується з 26 % до 19 %. На відміну від іншого темного супутника Урана — Оберона — поверхня Умбрієля має блакитний відтінок[25]. Молоді ударні кратери (наприклад, кратер Ванда)[26] ще блакитніші. Крім того, передня півкуля трохи червоніша, ніж задня[27]. Це почервоніння, ймовірно, викликане космічним вивітрюванням через бомбардування зарядженими частинками і мікрометеоритами з часів утворення Сонячної системи[25]. Однак асиметрія кольору Умбрієля може бути пов'язана і з акрецією червонуватого матеріалу, що надходить із зовнішньої частини системи Урана (ймовірно, від нерегулярних супутників). Ця речовина має осідати переважно на передній півкулі[27]. Якщо не враховувати цю відмінність півкуль, поверхня Умбрієля відносно однорідна за альбедо та кольором[25].

Поверхня супутника сильно кратерована, але на ній немає кратерів із добре помітними світлими променями, на відміну від інших супутників Урана. Одне із запропонованих пояснень цього полягає в тому, що тепла, яке виділялося в надрах Умбрієля в епоху його утворення, чомусь було недостатньо для плавлення кори і гравітаційної диференціації. Тому склад Умбрієля слабко залежить від глибини, і викиди глибинних порід навколо ударних кратерів не відрізняються від основної поверхні. Однак наявність каньйонів показує, що колись на супутнику відбувалися ендогенні процеси; ймовірно, вони призвели до оновлення поверхні та знищення старих форм рельєфу.

Наразі на Умбрієлі назви мають деталі рельєфу лише одного типу — кратери[28]. Їх на цьому супутнику набагато більше, ніж на Аріелі чи Титанії, що вказує на його меншу ендогенну активність[26]. З усіх супутників Урана лише Оберон має більше кратерів, ніж Умбрієль. Діаметри відомих кратерів становлять від кількох кілометрів до 210 кілометрів (для кратера Воколо)[26][28]. Усі вивчені кратери Умбрієля мають центральний пік[26], але у жодного немає променів[12].

Одна з головних характерних рис Умбрієля — кратер Ванда з незвичайним світлим кругом на його дні. Це найпримітніша геологічна структура — діаметр кратера становить близько 131 км[30][31]. Яскраве кільце на дні кратера, мабуть, складається з порід, вибитих із надр Умбрієля ударною дією[26]. У сусідніх кратерів, таких як Вувер і Скінд, немає таких кілець, але є яскраві центральні піки[12][31]. Дослідження лімба Умбрієля виявило структуру, яка може бути дуже великим кратером (діаметром близько 400 км і глибиною близько 5 км[32]).

Поверхня Умбрієля, як і інших великих супутників Урана, вкрита системою каньйонів, які простягаються з північного сходу на південний захід[33]. Однак вони поки що не мають назв, оскільки роздільність знімків недостатня для якісного геологічного картування[26].

Поверхня Умбрієля не змінювалася після пізнього важкого бомбардування, тому на ній дуже багато кратерів[26]. Єдині ознаки ендогенної активності — каньйони й темні багатокутники (ділянки складної форми діаметром від десятків до сотень кілометрів)[34]. Ці багатокутники були виявлені з допомогою точної фотометрії знімків «Вояджера-2». Вони розподілені більш-менш рівномірно по всій поверхні Умбрієля з переважною орієнтацією з північного сходу на південний захід. Деякі такі ділянки відповідають низовинам до кількох кілометрів у глибину і, можливо, є результатом ранньої тектонічної активності [34]. Наразі немає пояснення, чому поверхня супутника така темна й однорідна. Можливо, вона вкрита тонким шаром темного матеріалу, винесеного на поверхню метеоритними ударами або викинутого вулканами[27]. За іншою версією, кора Умбрієля може повністю складатися з темної речовини, що робить неможливим появу яскравих викидів навколо кратерів. Однак цьому, можливо, суперечить наявність яскравого кільця в кратері Ванда[12].

Як і всі великі супутники Урана, Умбрієль, ймовірно, сформувався з акреційного диска газу й пилу, який або існував навколо Урана протягом якогось часу після формування планети, або з'явився при потужному зіткненні, яке, швидше за все, і дало Урану дуже великий нахил осі обертання[35]. Точний склад туманності невідомий, однак вища густина супутників Урана у порівнянні з супутниками Сатурна вказує на те, що ця туманність, ймовірно, містила менше води[12]. Значні кількості вуглецю і азоту, можливо, були наявні у вигляді монооксиду вуглецю (CO) і молекулярного азоту (N₂), а не аміаку й метану[35]. Супутник, що формувався в такій туманності, повинен містити меншу кількість водяного льоду (з клатратами CO і N₂) і більшу кількість кам'янистих порід, а тому мати вищу густину[12].

Утворення Умбрієля шляхом акреції, ймовірно, тривало протягом кількох тисяч років[35]. Зіткнення, що супроводжували акрецію, викликали нагрівання зовнішніх шарів супутника[36]. Максимальна температура (близько 180 K) була досягнута на глибині близько 3 км[36]. Після завершення формування зовнішній шар охолонув, в той час як внутрішній почав нагріватися через розпад радіоактивних елементів, що містилися в його породах[12]. Поверхневий шар за рахунок охолодження стискався, у той час як внутрішній за рахунок нагрівання розширювався. Це викликало в корі Умбрієля сильні механічні напруження, які могли призвести до утворення розломів[37]. Цей процес мав тривати близько 200 млн років. Таким чином, ендогенна діяльність на Умбрієлі мала припинитися кілька мільярдів років тому[12].

Тепла від початкової акреції і подальшого розпаду радіоактивних елементів могло вистачити для плавлення льоду[36], якщо в ньому є які-небудь антифризи (наприклад, аміак у вигляді гідрату аміаку і сіль[22]). Танення могло призвести до відділення льоду від каменю і формування кам'яного ядра, оточеного крижаною мантією[26]. На межі ядра й мантії міг утворитися шар рідкої води (океан), насичений розчиненим аміаком. Евтектична температура цієї суміші дорівнює 176 К. Якщо температура океану була нижча від цього значення, то він мав давно замерзнути[22]. Серед усіх супутників Урана Умбрієль найменше піддавався дії ендогенних процесів перетворення поверхні[26], хоча ці процеси могли впливати на Умбрієль (як і на інші супутники) на початку його існування[34]. На жаль, відомостей про Умбрієль досі дуже мало і вони значною мірою обмежені дослідженнями, виконаними «Вояджером-2».

Графічна реконструкція часткового покриття Урана Умбрієлем

Єдині на сьогоднішній день зображення Умбрієля крупним планом були отримані «Вояджером-2», який сфотографував супутник під час досліджень Урана у січні 1986 року. Найменша відстань до супутника становила 325 000 км[38], і найдетальніші знімки мають роздільність 5,2 км[26]. Зображення покривають лише 40 % поверхні, і лише 20 % зняті з якістю, достатньою для геологічного картування[26]. Під час прольоту південна півкуля Умбрієля (як і інших супутників) була обернена до Сонця, а північна півкуля не було освітлена і не могла бути вивчена[12]. Ні Уран, ні Умбрієль не відвідували інші міжпланетні зонди, не планується відвідування і в найближчому майбутньому.

• Супутники Урана

• Головні параметри орбіт супутників планет (англ.)