Полная версия

Главная arrow Прочие arrow АСТРОНОМИЯ. СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Кольца и спутники Урана.

В 1977 г. наблюдения Урана с борта самолета во время покрытия Ураном одной из звезд было обнаружено небольшое ослабление яркости этой звезды вблизи Урана с двух сторон от диска планеты, что было интерпретировано, как наличие полупрозрачных колец, охватывающих Уран. Впоследствии кольца Урана были сфотографированы в инфракрасном диапазоне.

Долгое время были известны 9 колец планеты, которые находятся вблизи от облачного слоя, начинаясь на высоте 16 300 км над облаками (от 41 850 до примерно 51 160 км от центра Урана). Все кольца занимают диапазон высот в пределах 9300 км. Порядок обозначений колец от внутренних к внешним таков: 6, 5, 4, а, (3, г, у, 8, 8. Самое узкое кольцо — третье снаружи, обозначенное буквой у, — имеет ширину всего 600 м. Последнее, внешнее, кольцо имеет несколько асимметричную форму и обозначается греческой буквой в; его ширина максимальна среди всех колец планеты — 32 км. Средний радиус этого кольца около 51 150 км, что уже близко к величине радиуса Урана.

Система колец Урана (NASA)

Рис. 13.2. Система колец Урана (NASA)

Наблюдения с помощью космического телескопа «Хаббл» и наземного 10-метрового телескопа «Кек» привели к подтверждению существования еще одного (внутреннего) кольца с радиусом около 40 000 км. Оно в тысячу раз темнее кольца в. С учетом этого открытия можно считать, что кольца начинаются уже на высоте около 14 000 км над облачным слоем Урана.

Если кольца Сатурна широки и разделены сравнительно узкими делениями (щелями), то кольца Урана, наоборот, очень узкие, и разделены широкими интервалами. Общая масса колец невелика: вещества, содержащегося в них, хватило бы на образование микроскопического спутника с диаметром около 15 км (в кольцах Сатурна в 1000 раз больше).

Вещество колец Урана оказалось очень темным (альбедо как у сажи). Наблюдать их крайне сложно не только с Земли, но даже со спутников Урана. Предполагается, что материал, содержащийся в кольцах, приобрел темный цвет под влиянием постоянной бомбардировки заряженными частицами, присутствующими в радиационных поясах Урана. В отличие от колец Сатурна, где много пылевой компоненты, кольца Урана состоят из многочисленных глыб с характерным размером около 10 м. Фрагментов меньших размеров (порядка 10 см) существенно меньше.

В дневнике Вильяма Гершеля есть запись, относящаяся к 1789 г. Здесь изображен Уран с кольцами и подписью — «кольцо короткое, не такое, как у Сатурна». Технические средства того времени не позволяли увидеть кольца Урана. Есть предположение, что два с лишним столетия назад кольца могли быть значительно более мощными и яркими — только в этом случае Гершель мог их заметить. Это означает, что, если запись в дневнике не ошибка и не фальсификация, то свойства колец могут быстро (за несколько десятилетий) существенно менять свои свойства. Эта гипотеза еще ждет своих доказательств или опровержений.

Система спутников Урана

Рис. 13.4. Система спутников Урана

Кольца и некоторые спутники Урана

Рис. 13.5. Кольца и некоторые спутники Урана

Кольца Урана (Фото

Рис. 13.3. Кольца Урана (Фото: «Voyager-2», NASA)

Помимо колец, Уран имеет систему спутников. По состоянию на середину 2018 г., их известно 27. Традицию называть спутники Урана именами персонажей пьес Шекспира заложил Вильям Гершель, открывший в 1787 г. два крупнейших спутника планеты и предложивший для них названия Оберон и Титания. Эту традицию продолжил американский астрофизик Джерард Койпер, открывший в 1948 г. пятый спутник — Миранду.

Группа небольших спутников была открыта во время миссии космического аппарата «Вояджер-2». Затем открытия были возобновлены на рубеже XX—XXI вв.

Принято выделять среди спутников Урана так называемые «главные» — наибольшие по массе небесные тела. К ним относят 5 объектов: Миранду, Ариэль, Умбриэль, Титанию и Оберон. Остальные обычно называются малыми спутниками Урана. Они образуют две группы — внутреннюю (13 объектов) и внешнюю (9 объектов).

Корделия и Офелия (малые спутники, открыты в 1986 г. аппаратом «Вояджер-2») движутся вокруг Урана вблизи внешнего кольца в (пастухи кольца), с внутренней и внешней его сторон. Средние радиусы орбит спутников составляют соответственно 49 800 км и 53 800 км. Размеры спутников невелики — 40 и 43 км, плотность оценена в 1,3 г/см3 (лед с вкраплениями силикатов), информация о параметрах вращения этих спутников отсутствует.

Корделия — дочь короля Лира; Офелия — возлюбленная принца Гамлета (персонажи пьес В. Шекспира «Король Лир» и «Гамлет»).

Бианка, Крессида, Дездемона, Джульетта, Порция, Розалинда, Купидон, Белинда, Пердита — группа малых спутников, располагающихся за пределами системы колец в диапазоне радиусов орбит от 59 200 км до 76 400 км. Их плотность — 1,3 г/см3, размеры — от 20 км (Пердита) до 135 км (Порция). Все они движутся в плоскости экватора Урана (наклоны орбит не превышает долей градуса) по практически круговым орбитам. Характеристики вращений вокруг собственных осей неизвестны.

Все названия этих спутников взяты из пьес Вильяма Шекспира.

Пак (злой дух (эльф) из комедии В. Шекспира «Сон в летнюю ночь»). Спутник на орбите радиусом 86 000 км. Размеры превышают габариты всех предыдущих спутников — его диаметр равен 162 км. Поверхность Пака отличается очень низким альбедо (0,02—0,03), таким же, как у колец Урана. Согласно основной гипотезе, длительная бомбардировка заряженными частицами приводит к разрушению присутствующих здесь молекул метана и образованию частиц углерода, который придает поверхности черный цвет. Если некоторые темные спутники Юпитера слегка красноватые, то черный цвет Пака и колец Урана не имеет цветовых оттенков. Несмотря на сравнительно небольшой размер, Пак отличается правильной сферической формой (подобно близкой по размерам Фебе около Сатурна). На поверхности Пака, сфотографированной «Вояджером-2», видны ударные кратеры, включая один, по диаметру близкий к четверти диаметра самого спутника.

Маб (королева фей, упоминавшаяся в пьесе В. Шекспира «Ромео и Джульетта») — еще один малый (диаметр 32 км) ледяной спутник на орбите высотой 97 700. Спутник замыкает внутреннюю группу из 13 малых спутников, занимающих пространство от внешнего кольца е до примерно 100 000 км от центра Урана.

Миранда. Этот спутник, названный Койпером в честь героини пьесы Шекспира «Буря», сравнительно подробно исследован «Вояджером-2» в 1986 г. Он отличается по своим свойствам от предыдущих спутников. Миранду относят к группе главных спутников Урана, поскольку он существенно крупнее многочисленных малых спутников (диаметр 472 км). Плоскость орбиты Миранды наклонена на 4,34° к плоскости экватора Урана. Среднее расстояние до центра Урана — 129 900 км (втрое меньше радиуса орбиты Луны). Миранда обладает синхронным вращением. Поверхность спутника несет на себе следы мощной тектонической деятельности, причем некоторые структуры трудно объяснить известными геологическим процессами.

На Миранде привлекает внимание необычное образование (шеврон) размером 140 х 200 км в виде почти правильной трапеции вблизи южного полюса. На нем нет ни одного ударного кратера, что свидетельствует об относительной молодости этого района. Шеврон образован системой полос в виде параллельных гряд высотой до 4,6 км, сходящейся с аналогичной системой гряд почти под прямым углом. Шеврон продолжен глубоким (до 20 км) разломом с очень крутыми склонами.

Спутник Урана Миранда (Фото

Рис. 13.6. Спутник Урана Миранда (Фото: «Voyager-2», NASA)

Еще одно похожее образование, расположенное вблизи экватора, отличающееся большей шириной чередующихся светлых и темных полос, имеет форму пятиугольника, превышающего площадь шеврона в 5 раз. Для этой структуры предложено название «Circi Mcucimi» (большой стадион у древних римлян). На диаметрально противоположной стороне спутника обнаружено еще одно подобное образование — второй «стадион». Здесь видны 20 параллельных горных гряд шириной 5—7 км, разделенные долинами такой же ширины. Эта система неожиданно поворачивает под прямым углом, как и в случае шеврона.

На Миранде обнаружены линейные (прямые) структуры, напоминающие сбросы — ледяные стены (обрывы), разделяющие участки разной высоты. Высота стен составляет 2—4 км. На снимках видны также ледяные горы и трещины с большими (в несколько километров) перепадами высот.

Фрагмент поверхности Миранды (Фото

Рис. 13.7. Фрагмент поверхности Миранды (Фото: «1/оус?дег-2», NASA)

Для объяснения природы поверхности Миранды предложен ряд гипотез. Одна из них предполагает, что Миранда была расколота во время мощного столкновения. Часть выбитого вещества могла упасть на Уран, часть сформировала обновленный спутник. Один из вариантов гипотезы — части Миранды не разошлись, а соединились, обнажив в некоторых местах внутреннюю структуру небесного тела.

Еще одна гипотеза рассматривает вариант, связанный с неравномерным разогревом недр спутника, в результате чего локальное плавление коры обнажило плиты, всплывшие на поверхность. Средняя плотность Миранды оценена в 1,2 г/см3. Не исключено, что это свойство связано с большими пустотами (трещинами, разломами) в теле спутника, что как раз и связано с неплотным прилеганием частей небесного тела после катастрофического столкновения. В целом проблема поверхности Миранды далека от разрешения.

Ариэлъ, Умбриэлъ, Титания и Оберон. Вместе с Мирандой эти крупные спутники образуют группы главных спутников Урана. Каждый из них превышает 1 тыс. км в диаметре (соответственно 1158, 1170, 1578 и 1523 км). Для всех них характерно синхронное вращение. Есть указания, что эти спутники несколько различаются по плотности, которая оказалась заметно выше плотности рассмотренных выше 13 малых спутников и Миранды (соответственно, 1,7; 1,4; 1,7; 1,6 г/см3). Это означает, что в недрах этих небесных тел содержится больше тяжелых элементов. Вероятно, они имеют ядра из гидратированных силикатов, составляющие больше половины диаметра спутников.

Поверхности этих спутников несут на себе следы древних метеоритных бомбардировок. Температура на поверхности всех спутников Урана крайне низка — около -210н—220 °С. При таких температурах водяной лед, доля которого превышает половину состава этих небесных тел, приобретает свойства (прочность) камня и является одним из основных минералов, слагающих кору спутников.

Несмотря на низкие температуры и относительную удаленность от Урана (высота орбиты Ариэля — 190 900 км, Оберона — 583 500 км от центра планеты), на поверхности этих спутников присутствуют следы мощных древних тектонических процессов, помимо ударных кратеров. Некоторые кратеры заполнены темным веществом, напоминающим застывшие потоки жидкости. Возможно, сквозь образовавшиеся трещины и разломы в ледяной коре в кратере появлялась «грязная» вода, несущая частицы силикатов либо органических веществ. При застывании формировалась ровная темная поверхность. Не исключено, что, помимо импактных событий, мощные внутренние силы и потоки тепла также разрушали и расплавляли ледяную кору спутников.

На поверхности Титании (самого крупного спутника Урана) кратеров заметно меньше, чем, например, на Обероне. Это означает, что некие процессы привели к их разрушению. На Титании видны системы рифтов (долин с крутыми краями), а также системы извилистых долин, напоминающих русла рек, длиной до 1000 км. Это означает, что какие-то силы в прошлом приводили к интенсивному плавлению льда, формированию мощных потоков жидкости, возможно, связанных с выдавливанием воды через трещины в ледяной коре, подобно ситуации на Европе. В пользу этой гипотезы свидетельствуют результаты поляриметрических измерений светлых отложений на поверхности Титании. Этот эксперимент показал, что светлый материал имеет пористый характер. Наиболее вероятное объяснение — это водяной иней, сконденсировавшийся после прорыва водяных паров через трещины в ледяной коре.

Спутник Урана Ариэль (Фото

Рис. 13.8. Спутник Урана Ариэль (Фото: «Voyager-2», NASA)

Отсутствие крупных импактных кратеров, которые, несомненно, имели место в далеком прошлом Титаник, говорит о том, что активные процессы на этом спутнике в древности изменили кору, переплавили ее, в результате чего следы наиболее древних ударов не сохранились.

Спутник Урана Титания (Фото

Рис. 13.9. Спутник Урана Титания (Фото: «Voyager-2», NASA)

Признаки мощных геологических процессов нарастают от Оберона к Миранде (что естественно по мере приближения к Урану и усилению приливных воздействий с его стороны). Особняком стоит Умбриэль: там наблюдается множество древних кратеров, многократно наложенных друг на друга. Этот факт можно рассматривать как признак отсутствия тектоники в коре спутника: главным рельефообразующим процессом здесь явились импактные события далекого прошлого. На очень темной поверхности Умбриэля нет светлых выбросов, обычных для других спутников. Могла сказаться либо интенсивная обработка со стороны потоков заряженных частиц на том расстоянии от Урана, где движется Умбри- эль, либо вся поверхность спутника представляет собой равномерно перемешанный лед с темным силикатным веществом. В последнем случае цвет выбросов не отличается от цвета окружающего пространства. В то же время обнаружено светлое дно у некоторых крупных кратеров, что обычно интерпретируется как обнажения слоев чистого льда.

Активные процессы, видимо, происходили в прошлом и на Ариэле. На четырех снимках «Вояджера-2» видны рифтовые долины глубиной до 10 км и длиной в сотни километров и шириной до 30 км. Ветвящиеся системы долин образуют целую сеть притоков. По-видимому, локальные плавления льда происходили и там.

Основная версия, объясняющая существование внутренних источников тепла спутников Урана, связана с приливным трением, вызванным резонансными сближениями друг с другом. Проблема состоит в том, что в настоящее время резонансы в движении Ариэля с движением Умбриэля и Миранды не наблюдаются. Возможно, они были в прошлом.

Спутник Урана Оберон (Фото

Рис. 13.10. Спутник Урана Оберон (Фото: «Voyager-2», NASA)

Потоки жидкости, протопившие следы в ледяной коре главных спутников Урана, связаны, несомненно, с движением льда, возможно, в смеси с жидкими аммиаком и метаном, которые обеспечивали пластичность водяного льда. Жидкая вода без примесей при температуре, близкой к -210 °С, должна была бы быстро замерзнуть.

Спутник Урана Умбриэль (Фото

Рис. 13.11. Спутник Урана Умбриэль (Фото: «Voyager-2», NASA)

Некоторые исследователи выдвигали предположение, что под корами Ариэля, Умбриэля, Оберона и Титании могут или могли существовать подледные океаны.

Ариэль и Умбриэль открыл английский астроном Уильям Лассел в 1851 г; названия (имена духов) взяты из пьесы Александра Поупа «Похищение локона».

Франциско, Калибан, Стефано, Тринкуло, Сикоракса, Маргарита, Просперо, Сетебос, Фердинанд. За орбитой Оберона наблюдается большой разрыв в орбитах спутников шириной почти в 3 500 000 км. Дальше, начиная с расстояния до Урана 4 276 000 км, расположены орбиты второй группы малых спутников Урана; первый из них — Франциско диаметром всего 12 км. В эту группу входят 9 спутников. Самый крупный — Сикоракса (диаметр 190 км), самый дальний — Фердинанд (большая полуось орбиты — 20 921 000 км, период обращения вокруг Урана — 2887 земных суток, или почти 8 земных лет. Плотность спутников этой группы составляет 1,5 г/см3, т. е. доля силикатов в ледяной массе несколько меньше, чем в недрах главных спутников, но больше, чем в телах первой группы малых спутников.

Вполне возможно, что в систему Урана входят и иные, пока не зарегистрированные малые спутники. Система Урана остается малоисследованной ввиду крайней удаленности и явной недостаточности единственного опыта изучения планеты с помощью космических аппаратов (уже ставшая давней миссия «Вояджера-2»).

Контрольные вопросы и задания

  • 1. Как можно объяснить отсутствие избыточного внутреннего тепла Урана в отличие от Юпитера и Сатурна?
  • 2. Постройте теорию смены дня и ночи на Уране в течение одного его оборота вокруг Солнца.
  • 3. Какие гипотезы объясняют аномальный наклон оси вращения Урана?
  • 4. Сравните кольца Сатурна и Урана.
  • 5. Чем объясняется темная поверхность Умбриэля?
  • 6. Почему отвергнута гипотеза о водяном океане на Уране?
  • 7. Как можно попытаться объяснить равенство температур на полюсе экваторе Урана?
  • 8. Что такое шеврон?
 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>