Умбриэ́ль^[1] — спутник планеты Уран, открытый Уильямом Ласселом 24 октября 1851 года. Назван в честь гнома — персонажа поэмы английского поэта Александра Поупа «Похищение локона».

Умбриэль в основном состоит изо льдов с существенной долей горных пород. Вероятно, он принадлежит к числу спутников с каменным ядром, которое покрывает ледяная мантия. По размерам Умбриэль занимает третье место среди спутников Урана и обладает самой тёмной поверхностью, отражая всего 16 % падающего света. Поверхность сильно кратерирована, но на ней нет кратеров с хорошо заметными светлыми лучами, в отличие от других спутников Урана. Одно из предложенных объяснений этому состоит в том, что тепла, выделявшегося в недрах Умбриэля в эпоху его образования, почему-то было недостаточно для плавления коры и гравитационной дифференциации. Поэтому смесь льда и тёмных каменных пород осталась на поверхности в первозданном виде, а выбросы глубинных пород вокруг ударных кратеров неотличимы от основной поверхности. Однако наличие каньонов предполагает, что на спутнике раньше протекали эндогенные процессы; вероятно, старая поверхность была уничтожена в результате вызванной ими смены поверхности.

Умбриэль, покрытый многочисленными ударными кратерами, достигающими 210 километров в диаметре, занимает второе место среди спутников Урана по количеству кратеров (после Оберона).

Одна из главных отличительных особенностей Умбриэля — необычный светлый круг около 140 км в диаметре на дне кратера Ванда. Его происхождение неизвестно, предположительно, это могут быть отложения инея, образовавшиеся на месте удара. Умбриэль, как и все спутники Урана, предположительно образовался в аккреционном диске, окружавшем планету сразу после ее формирования. Система Урана лишь один раз изучалась с близкого расстояния пролётным межпланетным зондом «Вояджер-2». Пролёт состоялся в январе 1986 года. Несколько снимков Умбриэля позволили изучить и картировать примерно 40 % его поверхности.

Открытие и наименование

Умбриэль, наряду с другим спутником Урана, Ариэлем, был обнаружен Уильямом Ласселом 24 октября 1851 г.^[2][3] Хотя Уильям Гершель, первооткрыватель Титании и Оберона, заявил в конце 18 века о том, что наблюдал еще четыре спутника Урана^[4], его наблюдения не были подтверждены, и право Гершеля считаться открывателем остальных спутников Урана оспаривается^[5].

Все спутники Урана названы в честь персонажей произведений Вильяма Шекспира и Александра Поупа. Наименования всех четырёх на тот момент известных спутников Урана были предложены сыном Уильяма Гершеля — Джоном в 1852 году по просьбе Уильяма Лассела^[6]. Умбриэль назван в честь меланхоличного гнома из произведения Александра Поупа «Похищенный локон»^[7]. При переводе с латыни «umbra» обозначает тень. Спутник также обозначается как Уран II^[3].

Орбита

Орбита Умбриэля находится в 266 000 километрах от Урана, это третий по удаленности из пяти основных спутников Урана. Плоскость орбиты слабо наклонена относительно экватора планеты^[8]. Орбитальный период Умбриэля равен 4,1 земных суток и совпадает с периодом его вращения. Другими словами, Умбриэль — синхронный спутник Урана и всегда повернут к нему одной и той же стороной^[9]. Орбита Умбриэля полностью проходит внутри магнитосферы Урана^[10]. По этой причине вся задняя (по ходу орбитального движения) полусфера лишенного атмосферы спутника, находится под воздействием магнитосферной плазмы, вращающейся совместно с планетой^[11]. Такое воздействие может привести к потемнению задней полусферы, которая и наблюдается на всех спутниках Урана, за исключением Оберона^[10]. Пролёт автоматической межпланетной станции «Вояджер-2» позволил обнаружить явное уменьшение плотности ионов магнитосферы Урана вблизи Умбриэля^[12].

Поскольку Уран обращается вокруг Солнца почти на боку, то и сама планета, и её спутники, орбиты которых находятся в экваториальной плоскости, испытывают сезонный цикл. Оба полюса (северный и южный) 42 земных года находятся в полной темноте и 42 года освещены солнечным светом. При каждом солнцестоянии^[10] солнце проходит на полюсе вблизи зенита. Пролет «Вояджера-2» в январе 1986 года совпал с летним солнцестоянием над Южным полюсом, при этом почти все Северное полушарие находилось в полной темноте. Каждые 42 года, когда Солнце (и вместе с ним, Земля) проходят вблизи экваториальной плоскости Урана, на Уране наступает равноденствие. При этом становятся возможными взаимные затмения его спутников. Несколько таких событий наблюдалось в 2007—2008 годах, в том числе два покрытия Титании Умбриэлем 15 августа и 8 декабря 2007 года и покрытие Ариэля Умбриэлем 19 августа 2007 года^[13].

В настоящее время у Умбриэля нет орбитального резонанса ни с одним из спутников Урана. Однако, вероятно, в начале своего существования у него существовал резонанс 1:3 с Мирандой. Возможно, это увеличило эксцентриситет орбиты Миранды, способствуя внутреннему нагреванию и геологической активности этого спутника, в то время как на орбиту Умбриэля это практически не повлияло^[14]. Спутники Урана могут легко выходить из более слабого (по сравнению с Сатурном или Юпитером) резонанса вследствие небольшой сплющенности Урана и его малого размера по сравнению с более крупными планетами-гигантами. Пример тому — Миранда, которая вышла из резонанса (что, вероятно, значительно увеличило наклонение её орбиты)^[15][16].

Состав и внутреннее строение

Умбриэль является третьим по размеру и четвертым по массе спутником Урана. Его плотность составляет 1,39 г/см^3[17]. Из этого следует, что спутник, в значительной степени, состоит из водяного льда, а более плотные компоненты составляют порядка 40 % его массы^[18]. Эти компоненты могут представлять собой горные породы, а также тяжелые органические соединения, известные как толины^[9]. Присутствие водяного льда подтверждено инфракрасными спектроскопическими наблюдениями, которые показали наличие кристаллов водного льда на поверхности спутника^[10]. Абсорбционные полосы водяного льда на переднем полушарии выражены сильнее, чем на заднем полушарии. Причины такой асимметрии неизвестны, но предполагается, что это может быть вызвано бомбардировкой поверхности заряженными частицами из магнитосферы Урана, которая более выражена в заднем полушарии (вследствие совместного вращения планеты и плазмы)^[10]. Высокоэнергичные частицы, как правило, распыляют водяной лёд, разлагая содержащийся в нем метан на клатрат гидрата и затемняют другие органические вещества, оставляя после себя темный остаток, богатый углеродом^[10].

При помощи инфракрасной спектроскопии на поверхности Умбриэля, помимо воды, обнаружен углекислый газ, который сконцентрирован, в основном, на заднем полушарии спутника^[10]. Происхождение углекислого газа не вполне ясно. Возможно, он образовался на спутнике из карбонатов или органических веществ под влиянием заряженных частиц, попадающих на поверхность из магнитосферы Урана, или под воздействием солнечного ультрафиолетового излучения. Эта гипотеза объяснила бы несимметричное распределение углекислого газа по полушариям: повышенная концентрация углекислоты на заднем полушарии может быть вызвана тем, что оно подвержено более интенсивному влиянию магнитосферы по сравнению с передним полушарием. Другая возможная причина появления углекислоты на поверхности — дегазация мантии с выделением первичного CO₂, смешанного с водяным льдом в недрах спутника. Выделение CO₂ из недр спутника может быть результатом геологической активности спутника в прошлом^[10].

Умбриэль может быть дифференцирован и иметь каменное ядро с окружающей его ледяной мантией^[18]. Если это так, то радиус ядра (около 317 км) составляет примерно 54 % радиуса спутника, а масса ядра составляет приблизительно 40 % массы спутника (параметры расчитаны, исходя из состава Умбриэля). В этой модели давление в центре Умбриэля составляет приблизительно равно 0,24 ГПа (2,4 кбар)^[18]. Нынешнее состояние ледяной мантии неясно, хотя существование подповерхностного океана считается маловероятным^[18].

Поверхность

Поверхность Умбриэля темнее, чем поверхности всех других спутников Урана, и отражает менее половины света, который отражает Ариэль, хотя эти спутники близки по размеру^[19]. Умбриэль имеет очень низкое бондовское альбедо (всего около 10 %) по сравнению с Ариэлем (у которого бондовское альбедо равно 23 %)^[20]. Отражательная способность (геометрическое альбедо) поверхности спутника уменьшается с 26 % в фазе 0° до 19 % в фазе около 1°. Этот феномен называется оппозиционным эффектом. В отличие от другого тёмного спутника Урана — Оберона, поверхность Умбриэля слегка голубого цвета^[21]. Молодые ударные кратеры (например, кратер Ванда)^[22] еще голубее. Также наблюдается и цветовая асимметрия между передним и задним полушариями — первое краснее второго^[23]. Покраснение поверхности, вероятно, является следствием космического выветривания из-за бомбардировки заряженными частицами и микрометеоритами, возраст которых может быть старше возраста Солнечной системы^[21]. Однако асимметрия цвета Умбриэля также может быть связана с аккрецией красноватого материала, поступающего из внешней части системы Урана, вероятно, от нерегулярных спутников. В данном случае аккреция будет происходить на переднем полушарии Умбриэля^[23]. Поверхность Умбриэля в основном однородна и не демонстрирует сильного изменения альбедо или цвета, если не считать асимметрии полушарий^[21].

В настоящее время по снимкам «Вояджера-2» выявлен лишь один тип геологических структур — кратеры^[24]. На поверхности Умбриэля намного больше крупных кратеров, чем на Ариэле и Титании, однако у Ариэля и Титании менее выражена геологическая активность^[22]. Из всех спутников Урана только Оберон превосходит Умбриэль по числу кратеров. Диаметры известных кратеров составляют от нескольких километров до 210 километров (для кратера Воколо)^[22][24]. Все изученные кратеры Умбриэля имеют центральные пики^[22], но практически ни у одного кратера, кроме кратера Ванда, нет лучей ^[9].

Вблизи экватора Умбриэля находится самая видная геологическая структура — кратер Ванда, диаметр которого составляет около 131 километра^[26][27]. На дне Ванда имеется кольцо, состоящее из светлых пород, которые, по-видимому, были выбиты из недр Умбриэля вследствие внешнего воздействия^[22]. У соседних кратеров, таких как Вувер и Скинд, не замечено светлых окружностей, но зато они обладают светлыми центральными пиками^[9][27]. Исследование лимба Умбриэля выявило вероятность того, что на поверхности имеется очень большое образование (диаметром около 400 километров и глубиной около 5 километров^[28]).

Как и на других спутниках Урана, поверхность Умбриэля испещрена системой каньонов, направленных с северо-востока на юго-запад^[29]. Однако они официально не признаны в качестве геологических структур Умбриэля, поскольку снимки имеют недостаточное разрешение, затрудняющее геологическое картирование^[22].

Поверхность Умбриэля не изменялась после поздней тяжелой бомбардировки, поэтому на ней очень много кратеров^[22]. Единственные признаки древней активности — каньоны и темные участки сложной формы диаметром от десятков до сотен километров^[30]. Многоугольные структуры были обнаружены при помощи точной фотометрии снимков «Вояджера-2». Эти структуры распределены более или менее равномерно по всей поверхности Умбриэля с преимущественной ориентацией с северо-востока к юго-западу. Некоторые такие участки соответствуют низинам до нескольких километров в глубину и, возможно, являются результатом ранней тектонической активности Умбриэля^[30]. В настоящее время нет объяснения, почему поверхность спутника имеет такой тёмный цвет и так однородна. Вероятно, поверхность покрыта тонким слоем тёмного материала, вынесенного на поверхность вследствие метеоритных ударов, или выброшенного при извержениях вулканов^[23]. Альтернативная теория состоит в том, что кора Умбриэля может полностью состоять из тёмной материи, которая мешает образованию заметных лучей у кратеров. Однако наличие таких лучей у кратера Ванда противоречит этой теории^[9].

Происхождение и эволюция

Умбриэль, как и другие спутники Урана, предположительно сформировался из аккреционного диска или туманности; диск газа и пыли вокруг Урана существовал некоторое время после формирования последнего или, возможно, появился при столкновении с крупным телом, в результате которого, вероятно, планета приобрела большой наклон оси к плоскости эклиптики^[31]. Точный состав туманности неизвестен, однако более высокая плотность спутников Урана по сравнению со спутниками Сатурна указывает, что туманность, вероятно, содержала малое количество воды^[9]. Значительные количества углерода и азота, возможно, были представлены в виде оксида углерода (CO) и молекулярного азота (N₂), а не аммиака и метана^[31]. Спутник, формировавшийся в такой туманности, должен содержать меньшее количество водяного льда (с клатратами CO и N₂) и большее количество каменистых пород, а потому иметь более высокую плотность^[9].

Образование Умбриэля путем аккреции, вероятно, продолжалось в течение нескольких тысяч лет^[31]. Столкновения, сопровождавшие аккрецию, вызывали нагрев наружных слоев спутника^[32]. Максимальная температура (около 180 кельвинов) была достигнута на глубине приблизительно 3 километра^[32]. После завершения формирования внешний слой остыл, в то время как внутренний стал нагреваться из-за распада радиоактивных элементов, заключенных в его породах^[9]. Поверхностный слой за счет охлаждения сжимался, в то время как нагревающийся внутренний расширился. Это вызвало обширные пространственные изменения в коре Умбриэля, которые сопровождались многочисленными разломами^[33]. Существующая система каньонов может быть результатом этого процесса, длившегося около 200 миллионов лет. Таким образом, эндогенная деятельность на Умбриэле должна была прекратиться несколько миллиардов лет назад^[9].

Изначальная аккреция частиц, разогревающая спутник, и продолжающийся далее распад радиоактивных элементов могли быть достаточны для расплавления льда^[32] в присутствии некоторых антифризов (например, аммиака в форме гидрата аммиака и солей^[18]). Дальнейшее таяние, вероятно, привело к отделению льда от горных пород и формированию каменного ядра, окруженного ледяной мантией^[22]. На границе ядра с мантией мог образоваться слой жидкой воды (океан), насыщенный растворенным аммиаком. Эвтектическая температура этой смеси составляет 176 К. Если температура океана была ниже этого значения, то он должен был давно замерзнуть^[18]. Среди всех спутников Урана Умбриэль был наименее подвержен эндогенным процессам преобразования поверхности^[22], хотя эти процессы могли оказать свое влияние на Умбриэль (как и на другие спутники) в начале его существования^[30]. К сожалению, сведения об Умбриэле до сих пор очень скудны и в значительной мере ограничены исследованиями, проведенными «Вояджером-2».

Исследования

До сих пор единственное изображение Умбриэля крупным планом было получено «Вояджером-2», который сфотографировал спутник во время исследований Урана в январе 1986 года. Так как наименьшее расстояние до спутника составляло 325 000 километров (202 000 миль)^[34], то снимки спутника имеют разрешение приблизительно 5,2 километра^[22]. Изображения покрывают только 40 % поверхности, и лишь 20 % снимков были пригодны для геологического картирования^[22]. Во время пролета южное полушарие Умбриэля (как и других спутников) было обращено к Солнцу, поэтому северное полушарие, которое в тот момент не было освещено Солнцем, не могло быть изучено^[9]. Ни Уран, ни Умбриэль не посещались другими межпланетными зондами, не планируются посещения и в обозримом будущем.

См. также

• Уран
• Спутники Урана

Примечания