Миранда (спутник)

Мира́нда (), известная также как Уран V — самый близкий и наименьший из пяти крупных спутников Урана. Открыт в 1948 году Джерардом Койпером и назван в честь Миранды из пьесы Уильяма Шекспира «Буря». Этот спутник был исследован с близкого расстояния лишь одним космическим аппаратом — «Вояджером-2», изучавшим систему Урана в январе 1986 года. С Мирандой он сблизился теснее, чем с другими спутниками Урана, и поэтому заснял её детальнее. Но удалось изучить только южное полушарие, потому что северное было погружено во тьму.

Ось вращения Миранды, как и других крупных спутников Урана, лежит почти в плоскости орбиты планеты, и это приводит к очень своеобразным сезонным циклам. Сформировалась Миранда, скорее всего, из аккреционного диска (или туманности), который либо существовал вокруг Урана в течение какого-то времени после формирования планеты, либо образовался при мощном столкновении, которое, вероятно, и дало Урану большой наклон оси вращения (97,86°). Между тем у Миранды самое большое среди крупных спутников Урана наклонение орбиты к экватору планеты: 4,338°. Поверхность спутника, вероятно, состоит из водяного льда, смешанного с силикатами, карбонатами и аммиаком. Удивительно, что этот маленький спутник обладает большим разнообразием форм рельефа (обычно у тел такого размера поверхность более однородна из-за отсутствия эндогенной активности). Там есть просторные холмистые равнины, усеянные кратерами и пересечённые сетью разломов, каньонов и крутых уступов. На поверхности видны три необычные области размером более 200 км (так называемые венцы). Эти геологические образования, как и удивительно большое наклонение орбиты, указывают на сложную геологическую историю Миранды. На неё могли влиять орбитальные резонансы, приливные силы, конвекция в недрах, частичная гравитационная дифференциация и расширение их вещества, а также эпизоды криовулканизма.

Открытие и наименование

Миранда была открыта 16 февраля 1948 года голландским (с 1933 года проживавшим в США) астрономом Дж. Койпером в обсерватории Макдональд в Техасе через 97 лет после открытия Титании и Оберона. Целью Койпера было измерение относительных звёздных величин четырёх известных на тот момент спутников Урана: Ариэля, Умбриэля, Титании и Оберона.

В соответствии с предложением Джона Гершеля — сына первооткрывателя Титании и Оберона — все спутники Урана называют именами персонажей произведений Уильяма Шекспира и Александра Поупа. Миранда получила имя персонажа пьесы У. Шекспира «Буря» (дочери Просперо). Все детали рельефа этого спутника названы в честь мест, где происходят действия произведений Уильяма Шекспира.

Орбита

Миранда — самый близкий к Урану из его крупных спутников: она находится на расстоянии около 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°. 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. 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. 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).

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

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. 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.

Состав и внутреннее строение

Форма спутников тесно связана с их размером: шарообразную форму обычно имеют объекты диаметром более 400 км. Диаметр Миранды — около 470 км и, таким образом, она находится на границе между малыми и крупными спутниками. Её плотность наименьшая среди основных спутников Урана: , что довольно близко к плотности льда. Наблюдения поверхности в инфракрасном диапазоне позволили обнаружить водяной лёд, смешанный с силикатами и карбонатами, а также аммиак (NH3) в количестве 3 %. На основании данных, полученных «Вояджером-2», был сделан вывод, что камни составляют 20—40 % массы спутника.

Миранда, возможно, частично дифференцирована на силикатное ядро, покрытое ледяной мантией. Если это так, толщина мантии составляет около 135 км, а радиус ядра — около 100 км. В этом случае отвод тепла из недр происходит путём теплопроводности. Однако наличие на спутнике венцов может свидетельствовать о конвекции. По одной из гипотез, лёд на Миранде образует клатрат с метаном. Помимо метана, водные клатраты могут захватывать окись углерода и другие молекулы, образуя вещество с хорошими теплоизоляционными свойствами — теплопроводность клатратов составит лишь от 2 до 10 % теплопроводности обычного льда. Таким образом, они могут препятствовать оттоку из недр спутника тепла, которое выделяется там при распаде радиоактивных элементов. В таком случае понадобилось бы около 100 млн лет для нагревания льда до 100 °C. Тепловое расширение ядра могло достигнуть 1 %, что привело бы к растрескиванию поверхности. Её неоднородность, возможно, объясняется неоднородностью потока тепловой энергии из недр. В 2023 году группа учёных из лаборатории прикладной физики заявила, что на основе анализа старых данных от аппарата «Вояджер-2» с поверхности спутников Ариэль и/или Миранда происходят выбросы в космическую среду, косвенно свидетельствующие о наличии подповерхностного океана.

Поверхность Миранда обладает уникальной в своём роде поверхностью с большим разнообразием форм рельефа. Это трещины, разломы, долины, кратеры, хребты, углубления, скалы и террасы. Поверхность этого спутника размером с Энцелад — удивительная мозаика из весьма разнообразных зон. Некоторые регионы стары и невыразительны. Они испещрены многочисленными ударными кратерами, что и следовало ожидать от небольшого инертного тела. Другие регионы пересечены сложными переплетениями хребтов и уступов и покрыты прямоугольными или яйцевидными системами светлых и тёмных полос, что указывает на необычный состав Миранды. Скорее всего, поверхность спутника состоит из водяного льда, а более глубокие слои — из силикатных пород и органических соединений.

+ Наименование деталей рельефа на заснятой стороне Миранды(названия взяты из произведений Уильяма Шекспира) № Наименование Тип Длина(диаметр),км Широта (°) Долгота (°) Названо в честь 1 ИнвернессВенец 234 −66,9 325,7 Замок из произведения «Макбет» 2 Арден 318 −29,1 73,7 Леса Франции и Бельгии, где разворачиваются события в произведении «Как вам это понравится» 3 Эльсинор 323 −24,8 257,1 Хельсингёр, место действия пьесы «Гамлет» 4 ВеронаУступ 116 −18,3 347,8 Город Италии, где разворачивается сюжет произведения «Ромео и Джульетта» 5 Алжир 141 −43,2 322,8 Регион Франции, в котором происходят действия пьесы «Буря» 6 ДунсинанОбласть 244 −31,5 11,9 Холм, упоминаемый в пьесе «Макбет» 7 Эфес 225 −15 250 Дом близнецов в Турции из произведения «Комедия ошибок» 8 Мантуя 399 −39,6 180,2 Регион Италии, упоминается в произведении «Два веронца» 9 Сицилия 174 −30 317,2 Регион в Италии из произведения «Зимняя сказка» 10 СтефаноКратер 16 −41,1 234,1 Дворецкий из произведения «Буря» 11 Франциско 14 −73,2 236 Придворный из произведения «Буря» 12 Фердинанд 17 −34,8 202,1 Сын короля Неаполя из произведения «Буря» 13 Тринкуло 11 −63,7 163,4 Шут из произведения «Буря» 14 Алонсо 25 −44 352,6 Король Неаполя из произведения «Буря» 15 Просперо 21 −32,9 329,9 Законный герцог Миланский из произведения «Буря» 16 Гонзало 11 −11,4 77 Советник короля Неаполя из произведения «Буря» 17 НеапольРытвины 260 32 260 Город, в котором происходят действия пьесы «Буря» 18 Сиракузы 40 15 293 Регион Италии, где разворачивается сюжет произведения «Комедия ошибок»

Это привело к предположению, что поверхность этого спутника на протяжении его истории перестраивалась до 5 раз. На изображениях Миранды видна структура в виде латинской буквы «V», рядом находятся горные хребты и долины, старые кратерированные и молодые гладкие области, затенённые каньоны глубиной до 20 км. Немного ниже центра находится большой кратер Алонсо глубиной 24 км.

Для объяснения сильной неоднородности поверхности Миранды выдвинуто несколько гипотез. По одной из них, Миранда была расколота в результате столкновения с крупным небесным телом, но потом куски снова воссоединились. Однако остаётся непонятным, почему сохранились ударные кратеры на остальных частях поверхности спутника. Другая гипотеза допускает, что имел место неравномерный разогрев недр Миранды.

Области Большие участки поверхности, которые отличаются от соседних по цвету или яркости, в планетной номенклатуре называют областями (, мн. ч. regiones). Области Миранды, которые видно на снимках «Вояджера-2», получили названия «область Мантуя», «область Эфес», «область Сицилия» и «область Дунсинан». Это более или менее сильно кратерированные холмистые равнины. Кое-где на них есть разломы и уступы, некоторые из которых столь же стары, как и сами области, а другие, как предполагается, появились совсем недавно — при образовании венцов. Эти разломы сопровождаются грабенами, что указывает на наличие в прошлом тектонической активности. Поверхность областей практически однородно тёмная, но на склонах кратеров видны более яркие породы.

Венцы

Миранда — один из немногих спутников в Солнечной системе, обладающих венцами (, мн. ч. coronae) — своеобразными кольцевыми или овальными деталями поверхности. Моделирование показало, что они могли возникнуть из-за конвекции в недрах. Предполагается, что в прошлом Миранда имела более вытянутую орбиту и на каждом обороте подвергалась деформации из-за изменения величины приливных сил от Урана. Это вызывало нагрев её недр, и тёплый пластичный лёд несколькими потоками поднимался к поверхности. Взаимодействуя с ней, эти потоки и образовали венцы.

Сейчас известны три венца, обнаруженные «Вояджером-2»: венец Арден (расположен на ведущем полушарии), венец Эльсинор (на ведомом полушарии) и венец Инвернесс (расположен на южном полюсе). Контрасты альбедо на поверхности Миранды наиболее ярко выражены на венцах Арден и Инвернесс.

Венец Инвернесс