Миранда – спутник Урана

Обнаружение и имя спутника Миранда

Миранду обнаружил в 1948 году астроном Дж. Койпер, работавший в обсерватории Макдоналд (США). Ученый проводил измерение блеска открытых на тот момент сателлитов седьмой планеты: Умбриэля, Ариэля, Оберона и Титании.

16 февраля он заметил новое небесное тело на фото, полученном из телескопа, а 1 марта смог воспроизвести его траекторию.

Согласно традиции, положенной сыном Уильяма Гершеля (первооткрывателя сателлитов Оберона и Титании), спутники Урана называют так же, как персонажей произведений У. Шекспира.

Открытый Койпером объект был назван в честь героини пьесы «Буря» — юной герцогини. Элементы ее рельефа позднее получили названия по аналогии с местами, где развиваются события в произведениях драматурга.

На изображении видно, как располагаются спутники Урана на его орбите. Credit: astronomy.ru.

Самые крупные спутники Урана: Маранда и прочие

На текущий момент планета удерживает почти тридцать лун. Астрономы подозревают, что на деле их больше, но пока новых открытий в этой области не сделано.

Самых крупных спутников у Урана пять. Два самых больших были открыты ученым Гершелем вместе с обнаружением им же самой планеты, и произошло это в 1851 г. Первый назван Обероном. Его орбита наиболее удалена от материнской планеты, а сам он имеет диаметр в 1530 км. Отличительная черта – изобилие кратеров, самый большой из которых превышает 200 м в поперечнике. Второй открытый астрономом спутник получил имя Титания. Она еще больше – 1600 км, но несет на себе меньше кратеров, замененных в ее случае сеткой долин и каньонов.

Два других крупных спутника были «найдены» астрономом Ласселом в 1851-м. Один из них – Умбриэль – является самым темным из всего спутникового кольца, второй – Ариэль – самым светлым. По предположениям, он также имеет самый юный возраст среди всех лун.

И последняя – Миранда, спутник, обнаруженный позже всех, в 1948-м, Джерердом Койпером. Благодаря исследовательскому зонду «Вояджер-2» и полученным в 1986 году с него данным, эта луна изучена лучше прочих, составляющих кольцо вокруг Урана.

Происхождение и эволюция

Миранда образована из древней газопылевой туманности, существовавшей с момента зарождения планеты или образованной при столкновении с крупным космическим объектом. После медленного охлаждения на ее поверхности образовались трещины, разделившие мантию на грабены (опущенные участки).

Процесс дальнейшего образования рельефа шел 3 млрд. лет. В нем чередовались фазы нагрева и охлаждения, в недрах шли процессы конвекции. Сдвиги орбиты стали причиной формирования уступов, а изменение эксцентриситета привело к угасанию геологической активности.

Изучая сателлит, астрономы расходятся во мнении, какие процессы ответственны за его образование и формирование поверхности.

Доминируют две основные эволюционные версии:

1. По первой. Объект изначально имел гораздо большие размеры. В результате столкновений с другими небесными телами он постоянно раскалывался, а затем «собирался» заново. Однако эта гипотеза не объясняет наличия старых и крупных кратеров.
2. По другой версии. Текущий ландшафт образовался в результате внутренних процессов. Воздействие гравитации Урана стало причиной вращения и нагревания ядра Миранды. Эти процессы шли неравномерно и вызывали подобие геологической активности. Этим объясняется выраженный рельеф поверхности сателлита.

Спутник отражает не более трети солнечного света. Это свидетельство того, что на его поверхности присутствуют углеродистые материалы. Миранда является почти такой же яркой, как и Ариэль (наиболее крупная луна Урана).

Ее блеск возрастает во время оппозиции, когда наблюдатели с Земли находятся между спутником и Солнцем. Астрономы сделали вывод о пористости поверхности сателлита, что является результатом столкновений с большим количеством микрометеоритов.

Размер масса и орбита

Миранда является наиболее близким спутником Урана. Расстояние от него до планеты 129900 км, что в два раза ближе, чем от Луны до Земли.

В диаметре сателлит достигает 480 км и считается одним из самых маленьких объектов Солнечной системы, которому удалось достичь гидростатического баланса.

По расчетам астрономов, он не менее 5 раз за свое существование менял очертания. Раз в 42 земных года на нем отмечается смена сезонов.

Параметры сателлита:

• значение радиуса — 235,8 ед. (3,69% земного);
• размеры — 240,4×234,2×232,9 км;
• массовая величина — 6,59±0,75⋅1019 кг;
• показатель наклонения оси к экватору — 4,338º;
• среднее орбитальное ускорение — 6,66 м/с;
• отсутствие магнитного поля.

Орбитальный период сателлита составляет 1,41 земных суток и совпадает с периодом ротации. Вращение по траектории синхронизируется с осевым, что ведет к гравитационному блоку сателлита и планеты.

Миранда повернута к Урану только одной стороной, и ее путь лежит только в магнитосфере планеты. Собственной атмосферы у сателлита не обнаружено.

Ведомое полушарие (направленное в сторону, противоположную орбитальному движению) постоянно находится под бомбардировкой высокоскоростных элементов магнитосферной плазмы. Ученые считают, что это является причиной потемнения атакуемой части спутника.

Исследования[ | ]

Снимок, полученный «Вояджером-2» с расстояния 1,38 млн км
«Вояджер-2», изучавший систему Урана в январе 1986 года, сблизился с Мирандой намного теснее, чем с любым другим спутником Урана (на 29 000 км), и поэтому заснял её намного детальнее[33]. Наилучшие фотографии Миранды имеют разрешение 500 м. Заснято около 40 % поверхности, но только 35 % — с качеством, пригодным для геологического картирования и подсчёта кратеров[источник не указан 1330 дней

]. При пролёте «Вояджера» вблизи Миранды Солнце освещало только южное её полушарие, и поэтому северное осталось неизученным[11]. Никакой другой космический корабль никогда не посещал Миранду (и вообще систему Урана). В 2020-х годах, возможно, будет запущен исследовательский аппарат НАСА «Uranus orbiter and probe». В его состав будет входить орбитальный модуль и атмосферный зонд. Кроме того, группа из 168 учёных представила Европейскому космическому агентству программу миссии «Uranus Pathfinder» для путешествия к внешней части Солнечной системы, в котором конечной целью будет Уран[34]. Цель вышеназванных программ — уточнение данных об Уране и его спутниках (в том числе и о Миранде).

Особенности состава и поверхности

Миранда отличается от других сателлитов седьмой планеты Солнечной системы необычной формой рельефа и наименьшей плотностью (1,15 ± 0,15 г/см3).

Информация, полученная в инфракрасном виде, помогла ученым определить, из чего состоит поверхность сателлита.

Здесь присутствуют:

• лед водяного типа — до 60%;
• силикаты;
• аммиак — 3%;
• соединения органической природы.

Температура ледяного мира в среднем составляет -178ºС. В той части, которая погружена во тьму, она падает до -213ºС. На камни приходится до 40% массы сателлита.

Есть гипотеза о наличии силикатного ядра, на поверхности которого присутствует мантия изо льда. Если это так,то отвод тепла из недр спутника происходит за счет явлений теплопроводности.

На поверхности спутника представлены хаотично разделенные склоны глубиной до 20 км, древние и более молодые области. Среди распространенных форм рельефа — разломы, хребты, кратеры.

На фото он выглядит словно склеенный из нескольких разных частей. Присутствуют террасы и скалы, каньоны, равнины и углубления различной высоты. Гравитация низкая, и падение физических тел с пиков может занимать десятки минут.

Учёные полагают, что поверхность, была разбита колоссальным столкновением. Credit: spacegid.com.

Области

В планетной номенклатуре областями называют крупные участки поверхности, отличающиеся по цвету или яркости.

Те из них, которые удалось заснять на Миранде аппарату «Вояджер 2», получили наименования Мантуя, Эфес, Дунсинан и Сицилия.

Внешне подобные участки представляют собой холмистые равнины, изъеденные воронками кратеров. В ряде участков наблюдаются разъемы и впадины, часть которых образовалась относительно недавно.

В разломах присутствуют грабены, что свидетельствует о тектонических процессах, которые остались в прошлом. Поверхности областей однородные, но на их границах отмечены более яркие очаги.

Венцы

Кольцеобразные или овальные элементы на поверхности планетарных спутников называют венцами.

Миранда — один из сателлитов, на котором отмечены подобные образования. Их формирование окончательно завершилось около 100000 лет назад. Моделирование позволило ученым предположить, что в их образовании принимала участие конвенция в недрах.

Согласно современной гипотезе, в прошлом орбита спутника была более вытянутой, из-за чего он подвергался деформации на каждом повороте под воздействием приливных сил Урана. Недра прогревались, и пластичный лед поднимался к поверхности. При взаимодействии с нею образовывались венцы.

Астрономами открыты 3 венца, существования которых подтвердили снимки Voyager 2:

• Инвернесс. Область в форме трапеции занимает площадь до 200 кв.км и располагается возле южного полюса. Она ограничена комплексом разломов, разделенных промежутками длиной в несколько километров. Кратеров немного, что свидетельствует о небольшом возрасте (по сравнению с другими областями)
• Арден. Простирается с востока на запад на внешнем полушарии Миранды. Размеры с севера на юг определить не удалось, поскольку часть площади на снимке спутника скрыта за линией светораздела. Рельеф внутренней зоны гладкий, внешняя часть образована обрывами.
• Эльсинор. Расположен на ведомом полушарии сателлита, по размерам и структуре схож с венцом Арден. Его внутреннюю часть огибает пояс шириной до 100 км. Внутренний рельеф — сложный комплекс возвышенностей и впадин, сегментов с холмами и кратерами.

Уступы

Возраст уступов на поверхности спутника разный. Некоторые из них старше венцов, другие образовались позже.

На краю впадины, уходящей за край светораздела, находится самый изученный уступ — Верона. Его высота (до 15 км) превышает размеры Большого Каньона в Аризоне. Не исключено, что обрыв продолжается на стороне, скрытой от Солнца.

Еще один крупный уступ (Алжир) находится на северо-западной части венца Эвернесс.

Участок поверхности Миранды, на котором хорошо виден уступ Верона. Фотография сделана с аппарата Voyager 2. Credit: NASA/JPL-Caltech.

Ударные кратеры

Астрономы хорошо изучили кратеры на южной стороне спутника. Они имеют разную форму, а диаметр варьируется от 500 м до 50 км.

Некоторые образования рельефны, окружены остатками выброшенного во время катастрофических столкновений вещества. Другие едва видны, стерты со временем.

Все они простые, с дном чашеобразной или плоской формы. Зависимости размеров кратеров от их внешнего вида нет.

Открыты кратеры Гонзало, Просперо, Стефано, Алонзо, Фердинанд.

Снимок с Voyager 2.Сложный массив трещин и кратеров, указывает на активную геологическую историю. Credit: Voyager 2/NASA.

Орбита

Уран со спутниками. Снимок в ближней инфракрасной области (Паранальская обсерватория, 2002)
Миранда — самый близкий к Урану из его крупных спутников: она находится на расстоянии около 129 900 км от планеты. Эксцентриситет у её орбиты невелик (0,0013), а наклонение к плоскости экватора Урана намного больше, чем у орбит всех остальных его регулярных спутников: 4,232°[6][7]. Другими словами, орбита Миранды практически круговая, причём её плоскость (как и плоскость экватора Урана) почти перпендикулярна плоскости орбиты планеты. Большое наклонение орбиты к экватору Урана, возможно, связано с тем, что Миранда могла быть в орбитальном резонансе с другими спутниками — например, в резонансе 3:1 с Умбриэлем и, вероятно, в резонансе 5:3 с Ариэлем[8]. Орбитальный резонанс с Умбриэлем мог увеличить эксцентриситет орбиты Миранды, слабо изменив орбиту Умбриэля. Большой эксцентриситет орбиты приводит к регулярному изменению величины приливных сил и, как следствие, к трению в недрах спутника и их нагреву. Это могло быть источником энергии для геологической активности[8]. Из-за низкой сплющенности и малого размера Урана его спутникам намного легче уйти из орбитального резонанса, чем спутникам Сатурна или Юпитера. Пример тому — Миранда, которая ушла из резонанса (посредством механизма, который, вероятно, и придал её орбите аномально большое наклонение)[9][10].

Орбитальный период составляет 1,41347925 земных суток и совпадает с периодом вращения[11]. Миранда всегда повёрнута к Урану одной стороной, её орбита полностью находится в его магнитосфере[12], а атмосферы у неё нет. Поэтому её ведомое полушарие постоянно бомбардируется частицами магнитосферной плазмы, которые движутся по орбите намного быстрее Миранды (с периодом, равным периоду осевого вращения Урана)[13]. Возможно, это и приводит к потемнению ведомого полушария, которое наблюдается у всех спутников Урана, кроме Оберона[12]. «Вояджер-2» зарегистрировал около спутника явное уменьшение концентрации ионов магнитосферы Урана[14].

Поскольку Уран вращается вокруг Солнца «на боку», а его плоскость экватора примерно совпадает с плоскостью экватора (и орбиты) его крупных спутников, смена сезонов на них очень своеобразна. Каждый полюс Миранды 42 года находится в полной темноте и 42 года непрерывно освещён, причём во время летнего солнцестояния Солнце на полюсе почти достигает зенита[12]. Пролёт «Вояджера-2» в январе 1986 года совпал с летним солнцестоянием в южном полушарии, тогда как почти всё северное находилось в полной темноте.

Раз в 42 года — во время равноденствия на Уране — Солнце (и вместе с ним Земля) проходит через его экваториальную плоскость, и тогда можно наблюдать взаимные покрытия его спутников. Несколько таких событий наблюдалось в 2006—2007 годах, в том числе покрытие Ариэля Мирандой 15 июля 2006 года в 00:08 UT и покрытие Умбриэля Мирандой 6 июля 2007 года в 01:43 UT[15][16].

Карта поверхности спутника

План спутника позволяет оценить расположение ключевых форм рельефа, астрономам доступно только южное ее полушарие.

На карте отмечены южный полюс, крупные области, открытые учеными венцы и уступы, крупные ударные кратеры и рытвины.

Наряду с шевроном (яркой областью в виде буквы V) имеется наложение хребтов и долин, покрытых каньонами, и гладких поверхностей, темных каньонов.