Главная страница >  Цитатник 

Загадка спутников Урана

Несмотря на сложность наземных наблюдений таких слабых» далеких объектов, как спутники Урана, астрономы прошлого открыли практически все крупные спутники этой гигантской планеты. Схема их орбит (без новых спутников, обладающих очень малыми размерами) показана на рис. На схеме отражен наклон орбит спутников к плоскости орбиты Урана, составляющий в среднем 97,8°. Сейчас южный полюс системы направлен примерно на Солнце. Следовательно, северные полушария всех спутников находятся в тени, а в южных наблюдается длительный полярный день, достигающий 42 земных лет.

ЗАГАДКА СПУТНИКОВ УРАНА

Узкие кольца планеты, открытые в 1977 г., пристально изучаются в последние годы. Они оказались очень непохожими на кольца. Сатурна, широкие и разделенные узкими «щелями». В случае Урана все наоборот: очень узкие кольца и очень широкие интервалы между ними. Наиболее заметных колец 9, причем самое широкое (несколько десятков километров) — кольцо , имеющее средний радиус 51 150 км. Общей массы материала в кольцах хватило бы лишь на самый маленький спутник, диаметром 15 км (для колец Сатурна объем материала в 1000 раз больше).

Группа новых спутников была открыта в 1985—1986 гг. при сближении космического аппарата с Ураном. Их орбиты располагаются внутри орбиты Миранды, вплоть до внешнего края колец Урана, которые также показаны на рис. 7.

Общее число вновь открытых спутников составило 1 Все они очень малы (не более 40—80 км) и, за одним исключением, обращаются в интервале расстояний от центра Урана от 49 до 80 тыс. км (табл. 5). Это соответствует радиусам орбит от кольца до 0,66 полуоси орбиты спутника Миранда. Наиболее крупный из вновь открытых спутников — 1985 U Он обращается на наибольшем расстоянии от Урана (85,6 тыс. км) и был открыв еще задолго до сближения космического аппарата с планетой — в 1985 г. Может быть, его и удалось бы исследовать подробнее-. если бы не Миранда, которая отняла основное время телевизионной съемки, и, как увидим ниже, не напрасно.

Конечно, кольца Урана представляют очень интересный объект, но здесь мы остановимся только на их связи со спутниками. Спутники 1986 U7 и 1986 U8, небольшие тела размером 15—25 км, открытые в 1986 г. при сближении «Вояджера» с Ураном, оказались такой же группой «сторожевых собак» при кольце , как пара спутников, «стерегущих» кольцо F Сатурна. Таким образом, предположение об их формирующей роли для кольца подтвердилось. Но другие кольца уже, до 300 м, и там спутники не найдены. Что же касается спутников 1986 U7 и 1986 U8, они обращаются в непосредственной близости от кольца в с внешней и внутренней сторон. Орбиты всех новых спутников расположены в плоскости экватора Урана. Рис. Спутниковая система Урана

Спутники Урана

Таблица 5

* В отличие от табл. 1 и 3 здесь указан диаметр небесного тела.

Название или обозначение Радиус орбиты, тыс.км Орбитальн. период, сут Эксцентриситет орбиты Наклон. орбиты к экватору планеты, град. Диаметр* спутника, км. Год открытия 1986 U7 49,1 0,33 - - 15 1986 1986 U8 53,1 0,37 - - 25 1986 1986 U9 58,8 0,43 - - 50 1986 1986 U3 61,4 0,46 - - 80 1986 1986 U6 62,4 0,47 - - 50 1986 1986 U2 64,1 0,49 - - 80 1986 1986 U1 65,8 0,51 - - 95 1986 1986 U4 69,6 0,56 - - 50 1986 1986 U5 74,7 0,62 - - 50 1986 1985 U1 85,6 0,76 - - 160х168 1985 Миранда 128,8 1,41 0,027 4,22 480 1948 Ариэль 190,2 2,52 0,003 0,31 1161 1851 Умбриэль 265,1 4,14 0,005 0,36 1185 1851 Титания 434,0 8,71 0,002 0,14 1586 1787 Оберон 581,9 13,46 0,001 0,10 1546 1787

Но вернемся к спутнику 1985 U По размерам он занимает промежуточное место между классическими и открытыми недавно мелкими спутниками. Было даже предложено отнести его к группе главных. Новый спутник почти такой же черный, как кольца Урана, альбедо которых значительно меньше, чем у сажи, — всего 2— 3%. Высказана гипотеза, объясняющая черноту и колец, и ряда спутников (не только малых) наличием на их поверхности конденсатов углеродсодержащих молекул, вероятнее всего метана (который на поверхности спутников пока не найден). Поскольку спутники находятся в относительно плотной плазмосфере Урана, длительная бомбардировка поверхности заряженными частицами при- водит к разрушению сорбированных (поглощенных) на ней молекул метана и к высвобождению углерода, придающего поверхности черный цвет.

Новый спутник получил предварительное название «Пук» — имя одного из персонажей комедии У. Шекспира «Сон в летнюю ночь». Выбор названия связан с происхождением имен известных главных спутников. Так, имена «Оберон» и «Титания», которым У. Гершель присвоил двум самым крупным лунам Урана, открытым им в 1787 г. (через 6 лет после открытия Урана) взяты именно из этой комедии. А в 1948 г. Дж.Койпер снова обратился к именам из комедий Шекспира («Укрощение строптивой»}, открыв Миранду. Кстати, названия 2-го и 3-го из «старых» спутников (Ариэль и Умбриэль) У.Ласселл в 1851 г. взял из пьесы А. Попа.

Причины таких различий остаются не вполне понятными, хотя существует немало гипотез об ударном разрушении и вторичном объединении образовавшихся осколков. 24 столетия назад Аристотель (а еще ранее Пифагор) учили, что сфера и круг — наиболее совершенные формы, поэтому только сфера может быть формой небесного тела и только она должна заслуживать серьезного внимания. Опираясь на это мнение, не будем сколько-нибудь подробно рассматривать остальные 9 малых спутников несферической формы. Если же говорить всерьез, из-за малых размеров на их снимках не видно почти никаких подробностей. На «малом большом» спутнике 1985 U1 довольно хорошо различаются крупные кратеры, один из которых по диаметру достигает 1/4 диаметра самого спутника.

Кстати, ни у одного спутника, ни у колец не найдено каких- либо цветовых оттенков, хотя, как мы видели, поверхность спутников Юпитера и Сатурна слегка красноватая. Ученых удивила форма нового спутника: при диаметре всего 170 км это почти правильная сфера. Вспомним, что большая по размерам (и более плотная) Амальтея обладает неправильной формой. С другой стороны, правильную форму имеет также Феба, небольшой спутник Сатурна, но другой его спутник — Гиперион (меньший, чем 1985 U1) имеет резко неправильные очертания.

Основные данные о спутниках планеты были приведены в табл. Все они движутся в радиационных поясах планеты, что приводит к постоянной бомбардировке поверхности спутников заряженными частицами, как уже говорилось выше. Строго говоря, действие радиационных поясов имеет сложный периодический характер, потому что магнитосфера Урана «полощется» относительно плоскости орбит спутников (и плоскости экватора планеты). Ось дипольного поля планеты отклонена от оси ее вращения на 60°, поэтому полярность поля магнитосферы меняется за полоборота Урана, т. е. за 8,62 ч. Такое явление пока неизвестно больше ни у одной планеты: у Земли наклон оси диполя к оси вращения 11,7°, у Юпитера 9,6°, у Сатурна 0°. Большой наклон оси дипольного поля для Урана и вызывает периодический характер изменений плотности радиации у поверхности спутников.

Главные спутники. Перейдем теперь к главным (известным по наземным исследованиям) спутникам Урана. Они расположены в следующем порядке (считая от Урана): Миранда, Ариэль, Умбриэль, Титания, Оберон. Система спутников Урана очень компактная: большая полуось орбиты Оберона 582 тыс. км, а период обращения вокруг планеты — всего 13,5 сут (что объясняется, конечно, большой массой планеты). Миранда находится в 4,5 раза ближе к Урану и завершает один оборот за 1,4 сут.

Пришлось воспользоваться методом более сложным: значение масс находились в сравнении с массой Миранды (с которой апппрат сблизился наиболее тесно) по взаимным возмущениям спутников с помощью позиционных наблюдений. В табл. 6 приводятся найденные таким образом средние плотности (близкие к 1,4 г/см3 что указывает примерно на 60% водяного льда в составе спутников). Таким образом, спутники Урана тоже ледяные, но отличаются от спутников Сатурна несколько большей плотностью. По-видимому, в них содержится довольно много гидратированных силикатов; ядро из них может составлять половину диаметра небесного тела или даже больше.

Положение полярной оси Урана, которое ныне близко к направлению на Солнце, сделало чрезвычайно сложной программу телевизионной съемки спутников. В самом деле, аппарат шел сквозь. плоскость орбит спутников, примерно как стрела сквозь мишень. В случае Юпитера и Сатурна движение было совсем другим: можно было выбрать момент удачного расположения спутников, и тогда аппарат последовательно сближался с многими из этих тел. Схема сближения с системой Урана вызывала еще одну проблему: регистрация последовательных гравитационных возмущений от спутников становилась невозможной, а именно таким методом определялись массы (и средние плотности) спутников Юпитера и Сатурна.

Главные спутники Урана Название Масса (предварительное значение), г Средняя плотность, г/см3 Альбедо (предварительное значение) Миранда 7,3х1022 1,26±0,39 0,33 Ариэль 1,4х1024 1,65 ±0,30 0,46 Умбриэль 1,3х1024 1,44 ±0,28 0,18 Титания 3,3х1024 1,59±0,09 0,27 Оберон 2,9х1024 1,50±0,10 0,24

Таблица 6

Полной неожиданностью оказалось темное дно и у крупных «молодых» метеоритных кратеров, окруженных светлыми лучами. Это, почти несомненно, указывает на «вулканическую активность» в водяном варианте, когда сквозь образовавшиеся разрывы в ледяной коре на поверхность изливалась загрязненная вода, которая при застывании образовала темную поверхность. Следует помнить,. что температура на поверхности спутников Урана очень низкая, средние в течение суток значения составляют от 60 К для Умбриэля до 54 К для Ариэля. При таких температурах физические свойства водяного льда очень отличаются от привычных нам — лед, становится минералом.

Оберон оказался первым объектом исследований при выбранной геометрии сближения. Геологи (точнее, астрогеологи; такую специальность породили космические исследования) предсказывал», что будет найдено много метеоритных (ударных) кратеров и почти ничего другого. Действительно, уже на мелкомасштабных телевизионных снимках Оберона угадывались светлые пятна, которые оказались венцами очень светлых лучей вокруг ударных кратеров больших размеров. Природа светлых выбросов — водяной лед, иней, снег. Светлые выбросы контрастируют с очень темной древней поверхностью этого довольно крупного небесного тела. Его диаметр. более 1500 км, составляет почти половину поперечника нашей Луны. Поверхность насыщена старыми ударными кратерами, некоторые из которых имеют очень темное дно.

Не следует, однако, считать, что сведения о присутствии воды (в твердой фазе) на поверхности спутников Урана были получены впервые: об этом говорили наземные спектрометрические исследования и раньше.

Более подробное изучение снимков показало, что через все южное полушарие Оберона проходит широкая долина, свидетельствующая о тектонических процессах ранней геологической истории, спутника. В ряде крупных кратеров видны частично заполнившие их затвердевшие темные потоки. По-видимому, в его истории действовали мощные внутренние силы (и потоки тепла), которые разрушали ледяную кору и вызывали ее движения. Их следы мы видим теперь как разломы поверхности спутника. Но происходило все-это очень давно.

Наиболее многочисленны мелкие ударные кратеры, которые образовались из остатков протопланетного материала, обломков и. других небольших тел, обращавшихся вокруг Урана (не зависимые от него тела образовали бы более крупные кратеры). Что же касается древнего рельефа, то он, по-видимому, был полностью разрушен под действием значительного выделения внутреннего тепла.. Этот разогрев происходил опять-таки в раннюю эпоху жизни Титании. В результате разогрева поверхность плавилась, происходила гравитационная дифференциация материалов (более тяжелые породы тонули), что, в свою очередь, приводило к выделению тепла в, еще больших масштабах. И уже после застывания вновь образовавшейся поверхности и ее многократных перестроек в процессах тектоники образовались те мелкие кратеры, о которых говорилось выше. Такой процесс глобальной переработки поверхности остается пока недоказанным, но очень вероятным.

Титания заметно светлее Оберона и немного больше по размерам, около 1600 км в диаметре. Это самый большой спутник в системе Урана. Снимки Титании, сделанные с высоким разрешением, показали, что древних ударных кратеров здесь значительно меньше, чем на Обероне, причем особенно мало крупных кратеров. Так как они, несомненно, когда-то существовали, действовал какой-то. процесс, который привел к их разрушению. Вся поверхность спутника изрезана системой рифтов и пересекающихся извилистых долин, очень похожих на русла рек. Наиболее длинные достигают почти 1000 км в длину. Некоторые из них окружены системами светлых отложений на поверхности. Интересные сведения были получены в поляриметрическом эксперименте: поверхность покрыта слоем пористого материала. Скорее всего, это водяной иней, конденсировавшийся на поверхности после излияний воды в трещинах (вспомним спутник Юпитера Европу).

Отсутствие контрастных образований и очень темная поверхность выделяют Умбриэль среди других спутников Урана. Как это ни парадоксально, именно отсутствие контрастов делает его самым непонятным. Одно из предложенных объяснений заключается в том, что выделение тепла в недрах Умбриэля (в эпоху его образования) почему-то было недостаточным, чтобы вызвать плавление коры и гравитационную дифференциацию. Поэтому смесь льда и темных каменных пород осталась на поверхности в первозданном виде, а выбросы материала вокруг ударных кратеров неотличимы .от основной поверхности.

Нарастание признаков геологической активности от Оберона к Титании почему-то не находит продолжения на Умбриэле (хотя резко усиливается на Ариэле и Миранде). Поверхность его носит примитивный характер крупных ударных образований с высокой степенью насыщения (многократного наложения кратеров). Умбриэль находится на довольно низкой орбите — всего 265 тыс. км. Умбриэль — очень темное небесное тело. Вокруг его кратеров полностью отсутствуют светлые выбросы. Моноточная, темная поверхность не имеет оттенков, что можно попытаться объяснить именно ее древностью и переработкой под действием заряженных частиц и внедряющихся в поверхность ионов и нейтральных атомов. Но, чтобы еще больше «запутать все дело», найдено несколько крупных кратеров с очень светлым дном. Самый крупный из них находится на экваторе спутника. Как и у Урана, особенность положения оси вращения Умбриэля проявляется в том, что его экватор в наши дни практически постоянно находится на терминаторе спутника (границе дня и ночи).

Орбита следующего спутника, Ариэля, вдвое ниже, чем орбита Луны, а один оборот он завершает всего за 2,5 сут. Как и другие спутники Урана, он постоянно обращен к планете одной стороной. Диаметр его несколько больше 1 тыс. км. Если геологическая активность Титании не вызывает сомнений, но относится ж далекому прошлому, то Ариэль имеет все признаки сравнительно .недавней активности. По-видимому, основной источник его энергии был тот же, что и у Ио: приливное трение, вызванное резонансами с Умбриэлем и Мирандой. Проблема, однако, в том, что сейчас таких резонансов в движении Ариэля нет. Возможно, они были в прошлом. Интересно отметить, что расчеты пока опровергают такую возможность, как, впрочем, отвергает теория и возможность :разогрева спутника Сатурна Энцелада, с которым мы познакомились раньше. Что ж, как говорят, тем хуже для теории.

Как же в таком случае объяснить белое дно некоторых (единичных) кратеров? Можно предположить, что темный слой имеет ограниченную толщину, а под ним находится чистый лед. Тогда наиболее крупные тела могли пробить темную корку и обнажить чистые слои. Наконец, толщина темного слоя может быть различной в разных местах. Словом, гипотез немало, как и аргументированных возражений. Вероятно, решение проблемы потребует времени.

Наиболее вероятно, что рифтовые долины образовались в эпоху интенсивной перестройки ледяной коры Ариэля, сопровождавшейся ее разломами, сжатием и тектоникой. На поверхности спутника очень мало метеоритных кратеров, что опять-таки указывает на ее молодость, в геологических, конечно, масштабах. Впрочем... высказано даже кажущееся фантастическим предположение о возможной современной активности Ариэля. Но тогда источник его энергии становится совершенно непонятным.

Была получена мозаика Ариэля из четырех снимков с высоким разрешением. И если предварительные телевизионные снимки говорили об активности не меньшей, чем у Титании, то здесь ученые увидели поверхность, сплошь изрезанную рифтами (долинами с обрывистыми краями). Глубина рифтов близка к 10 км, а сами долины достигают нескольких сотен километров в длину. Долины ветвятся, образуя причудливую сеть притоков. Ширина рифтов доходит до 25—30 км. Их гладкое дно несет следы какого-то движения, что еще больше напоминает древние образования такого же вида на Марсе.

Поверхность спутника покрыта отложениями очень светлого материала, по-видимому, такого же водяного инея, как на спутнике Юпитера Европе.

В качестве материала, который мог бы заполнять долины и двигаться вдоль них, предлагается, конечно, лед. Чтобы он был достаточно вязким при столь низких температурах, в нем должны присутствовать какие-то примеси. Предполагается, что это аммиак и метан, которые вместе с водой выделялись на поверхность сквозь. разломы. Но так же как и на других спутниках Урана, метан не был обнаружен. Есть и другие предположения о возможной природе этих «ледников неподалеку от абсолютного нуля». Во всяком. случае, «водяной вулканизм» на Ариэле сомнений не вызывает.

Однако если другие спутники наблюдались с большого расстояния, когда собственные движения космического аппарата и. спутников не мешали длительной экспозиции и особой роли не играли, то в случае Миранды эти движения становились трудной проблемой. Впрочем, даже на снимках Ариэля мелкие детали слегка смазаны. Для Миранды расстояние, с которого производилась съемка, было совсем малым, а требовалось получить ряд снимков с высоким разрешением, чтобы затем составить из них мозаичный «портрет» спутника. Каждая экспозиция достигала нескольких секунд. Словом, чтобы осуществить эту съемку, пришлось полностью. изменить обычный порядок работы, когда изображения передавались по радиолинии на Землю сразу после их получения. При съемке Миранды аппарат все время поворачивался, чтобы скомпенсировать размазывание изображений. Но из-за этого его антенна уже не оставалась направленной на Землю, поэтому изображения пришлось записывать на борту, на Землю они были переданы лишь. на следующие сутки. Съемкой удалось охватить почти всю освещенную часть спутника, представив ее на восьми снимках с высоким разрешением.

Миранда — сплошные неожиданности. И все-таки «звездой телеэкрана» оказался не Ариэль. Миранда, спутник диаметром менее 500 км, который, судя по табл. 6 содержит наибольшую долю льда,, баллистически стала самой удобной целью телевизионной съемки... И Миранда оправдала все усилия ученых и инженеров, которым пришлось решить массу технических проблем, чтобы обеспечить эту съемку. Во-первых, у Урана довольно темно, в 370 раз темнее чем на Земле. Освещенность «сцены» была примерно такой, как в хорошо освещенной рабочей комнате при искусственном освещении. Любой фотограф знает, что в таких условиях приходится увеличивать экспозицию. То же относится и к телевизионной съемке с космического аппарата.

Не менее загадочные образования, возможно той же природы, находятся вблизи терминатора; как и у других спутников, из-за положения полярной оси терминатор сейчас постоянно находится в одном и том же географическом поясе Миранды — вблизи ее экватора. Первое из них окантовано такой же системой светлых и темных полос, но более широких, чем у шеврона. Похоже, что отснятая часть этого объекта образует стороны правильного пятиугольника, по площади раз в 5 больше шеврона. Для него, как и для еще одного объекта, о котором речь пойдет ниже, предложено название Цирки Максими, которое древние римляне понимали как «большой стадион». И действительно, на стадион образование очень похоже, хотя второй из них больше напоминает дорожки ипподрома.

В центре полученного изображения ученые увидели почти правильную трапецию, образованную из темных и светлых полос ( ). Трапеция выделяется на фоне окружающей ее поверхности почти полным отсутствием метеоритных кратеров, в то время как окружающий район представляет собой перерезанный небольшими рифтами кратерный рельеф. Трапеция получила условное название «шеврон». Его размеры 140х200 км (на снимках видны детали размерами от 4,6 км и выше). Полосы, образующие шеврон, имеют вид множества параллельных гряд, которые сходятся с другой такой же системой, образуя почти прямой угол. Странное продолжение шеврона — это глубокий, до 20 км, разлом, крутые склоны которого уходят за пределы освещенной части спутника. Шеврон находится у южного полюса Миранды.

Чтобы объяснить природу поверхности Миранды, выдвинуто много гипотез. Одна из них предполагает, что первичное тело было расколото в крупных столкновениях, но части не разошлись, а соединились снова, обнажив внутреннюю структуру небесного тела. Однако остается непонятным, почему сохранились ударные кратеры на остальных частях поверхности спутника. Другая гипотеза допускает, что существовал неравномерный разогрев недр Миранды.

И на «стадионе» и на «ипподроме» почти отсутствуют метеоритные кратеры, т. е. это относительно молодые объекты. Второе образование находится с диаметрально противоположной стороны спутника. Оно напоминает очертания «стадиона» и выглядит, словно след пахоты на краю поля. Это примерно 15—20 параллельных торных гряд, разделенных такими же долинами, повторяющимися через каждые 5—7 км. Вся система поворачивает почти под прямым углом и также уходит за терминатор. Этот «ипподром» очень напоминает систему субпараллельных борозд на Ганимеде. По образному выражению одного из геологов, маленькая Миранда предоставила коллекцию всех геологических форм, какие встречаются в Солнечной системе.

Таким образом, спутниковая система Урана оказалась ничуть не менее интересной, чем система Юпитера и Сатурна. Что ждет «Вояджер-2» у Нептуна в 1989 г.?

Локальное плавление коры обнажило плиты, обладавшие положительной плавучестью, которые мы теперь видим на поверхности спутника.





Далее:
Космос — арена международного сотрудничества.
Монтажники-высотники.
БИТВЫ ЗА УМЫ.
Проект «Спираль» (ОКБ-155).
В КБ БОЛХОВИТИНОВА И КОСТРе.
«ВПЕРЕД, НА МАРС!».
СТАРТ В НЕИЗВЕСТНОСТЬ.
ДОБРОВОЛЬСКИЙ Георгий Тимофеевич.
Ю.Кондратюк «Завоевание межпланетных пространств».


Главная страница >  Цитатник