Міранда

Міранда (Уран V) — найближчий і найменший серед п’яти великих супутників Урана. Супутник відкрито у 1948 році Джерардом Койпером і названо на честь персонажа п’єси Шекспіра „Буря” (Міранда — донька Просперо). Супутник сфотографовано з близької відстані лише одного разу, під час прольоту космічного апарату „Вояджер-2” через систему Урана в січні 1986 року. З усіх супутників Урана Міранду було найкраще вивчено завдяки тому, що вона опинилася найближче до траєкторії „Вояджера-2”. Однак, вивчити вдалося лише південну півкулю, бо північна перебувала в тіні.

Поверхня супутника, ймовірно, складається з водяного льоду, змішаного з силікатами та карбонатами, а також аміаку. Як й інші супутники Урана, Міранда має сезонні цикли, які пов’язані з її обертанням навколо Урана. Швидше за все, Міранда сформувалася з туманності або акреційного диска навколо Урана, який або існував з часів формування планети, або утворився внаслідок якоїсь катастрофічної події, яка, ймовірно, й надала Урану дуже великий нахил вісі обертання. Нахил орбіти супутника до екватора Урана невеликий: 4,338°. На поверхні супутника можна спостерігати просторі горбисті рівнини, посічені кратерами й пронизані мережею крутих розломів і каньйонів, які називають рупесами. На поверхні видно три великі ділянки, так звані корони, чиї діаметри більше 200 км. Ці топографічні утворення, так само як і незвичайний нахил орбіти Міранди, можуть бути результатом геологічної діяльності і складної геологічної історії. На Міранді могли діяти припливні сили, механізми орбітальних резонансів, процес гравітаційної диференціації, конвекційні рухи, розширення її плато і непостійний кріовулканізм.

Міранда була відкрита 16 лютого 1948 року нідерландським та американським (з 1933 року) астрономом Джерардом Койпером в обсерваторії Макдональд у Техасі через 97 років після відкриття Титанії та Оберона. Метою Койпера було отримання точних даних про відносні величини чотирьох відомих до того часу супутників Урана: Аріеля, Умбріеля, Титанії та Оберона.

За пропозицією сина першовідкривача супутників Урана Джона Гершеля всі супутники Урана називають на честь персонажів творів Вільяма Шекспіра та Олександра Поупа. Міранда отримала свою назву на честь персонажа п’єси Вільяма Шекспіра „Буря” (доньки Просперо).

Як і назва супутника, усі назви значних топографічних утворень супутника походять від назв місць, де відбуваються дії творів Вільяма Шекспіра.

Міранда — найближчий до Урана великий супутник. Його форма суттєво відрізняється від кулястої. Орбіта Міранди лежить на відстані близько 129 900 км від Урана, вона має нахил до площини екватора планети. Як і екватор планети, вона лежить не в площині орбіти Урана, а майже перпендикулярно до неї. Ексцентриситет орбіти становить 0,0013, тобто орбіта Міранди практично колова. Такі параметри орбіти, ймовірно, пов’язані з тим, що в Міранди могли бути орбітальні резонанси з іншими супутниками. Наприклад, орбітальний резонанс 3:1 з Умбріелем і, ймовірно, орбітальний резонанс 5:3 з Аріелем. Можливо, саме через орбітальний резонанс з Умбріелем збільшився ексцентриситет орбіти Міранди, сприяючи внутрішньому розігріванню й геологічній активності цього супутника. У той же час орбіта Умбріеля змінилась менше. Через невелике сплющеня Урана й малий розмір (порівняно з іншими його супутниками), останні можуть дуже легко відійти від слабкого (порівняно з Сатурном або Юпітером) резонансу руху. Прикладом тому слугує Міранда, яка ухилилася від резонансу (імовірно через механізм, який і привів її орбіту до аномально високого нахилу).

Орбітальний період становить 1,41347925 земних діб і збігається з періодом обертання навколо власної осі. Орбіта Міранди повністю лежить у магнітосфері Урана, Міранда завжди обернена до Урана одним боком. Завдяки цьому вся півкуля безповітряного супутника, що розташована з боку, спрямованого проти руху супутника по орбіті, постійного бомбардується магнітосферною плазмою, що обертається разом із планетою. Таке бомбардування може призвести до потемніння поверхні півкулі, що й спостерігається на всіх супутниках Урана, за винятком Оберона. При наближенні до супутника „Вояджера-2” ним було зареєстровано помітне зменшення густини іонів магнітосфери Урана.

Оскільки Уран обертається навколо Сонця майже на боці, він і його супутники, що розташовані в екваторіальній площині планети, мають сезонні цикли. Полюс Міранди (північний або південний) протягом 42 років поступово переходить із повної темряви до безперервного дня під час сонцестояння, коли Сонце протягом кількох років перебуває майже в зеніті. Протягом наступних 42 років полюси міняються місцями. Проліт „Вояджера-2” у січні 1986 року збігся з літнім сонцестоянням у південній півкулі Міранди, тоді як на північній півкулі була суцільна ніч.

Кожні 42 роки у системі Урана настає рівнодення і з Землі можна спостерігати взаємні покриття його супутників. Кілька таких подій спостерігалося в 2006-2007 роках, зокрема покриття Аріеля Мірандою 15 липня 2006 року о 00:08 UT та покриття Умбріеля Мірандою 6 липня 2007 о 01:43 UT.

Серед супутників є чіткий поділ за формою. Виходячи з їхнього розміру, можна припустити сферичні вони чи ні. Супутники діаметром понад 400 км мають сферичну форму. При середньому радіусі 235 км, Міранда перебуває на межі між малими й великими супутниками. Вона має найменшу густину серед основних супутників Урана. Її густина — 1,15 ± 0,15 г/см³, що близько до густини водяного льоду. Спостереження поверхні в інфрачервоному діапазоні дозволили виявити на ній наявність водяного льоду, змішаного із силікатами і карбонатами. За допомогою таких спостережень поверхні було виявлено аміак (NH₃) у кількості 3%. На основі отриманих „Вояджером-2” даних вважають, що частка силікатних порід лежить у межах від 20% до 40% загальної маси супутника.

За однією з гіпотез Міранда структурно поділяється на силікатне ядро та мантію, яка складається з водяного льоду. Товщина мантії становить 135 км, а ядро має радіус близько 100 км. За такої будови внутрішнє тепловідведення супутника відбувається шляхом теплопровідності. Проте спостереження за ореолом супутника свідчать про конвекційні рухи на поверхні. Можливо, лід на Міранді є клатратом з пористої замороженої суміші метану й водного льоду. Окрім метану, водні клатрати можуть захоплювати оксид вуглецю й інші молекули, згодом утворюючи речовину з добрими теплоізоляційними властивостями, внаслідок чого теплопровідність клатратів становитиме лише від 2 до 10% теплопровідності звичайного льоду. Ці клатрати можуть утримувати теплову енергію, яка вивільняється під час розпаду радіоактивних елементів у надрах супутника і за такої будови потрібно було б близько 100 млн років для нагрівання льоду до 100 °C. Теплова енергія також поширювалася усередину супутника, що могло призвести до розширення ядра на 1% і до утворення тріщин на поверхні. Крім того, теплова енергія, що передається з надр супутника на його поверхню унаслідок теплопровідності, також пояснювала б часткове диференціювання поверхні.

Для поверхні Міранди характерна різноманітність геологічних структур, які включають тріщини, розломи, долини, кратери, хребти, яри, лощини та урвища.

Цей супутник за розмірами подібний до Енцелада. Деякі ділянки старі й невиразні. На їхній поверхні видно численні ударні кратери. Це пояснюється інертністю й невеликим розміром тіла. Інші регіони вкрито прямокутними або яйцеподібними смугами і вони містять складні переплетення хребтів і рупесів (скельних уступів) та безліч паралельних променів, утворених світлою й темною речовиною. Супутник, швидше за все, складається з водяного льоду, силікатних порід й інших органічних сполук, більш-менш глибоко розташованих в надрах Міранди.

Це привело до припущення, що поверхня цього супутника до 5 разів перебудовувалася за час еволюції. На зображеннях Міранди видно структуру у вигляді латинської букви „V”, поруч розташовуються гірські хребти і долини, старі кратеровані та молоді гладкі області, каньйони в тіні завглибшки до 20 км. Трохи нижче центру лежить великий кратер Алонсо завглибшки 24 км.

Для пояснення планетології Міранди висунуто декілька гіпотез. За однією з них Міранда була розколота у результаті зіткнення з великим небесним тілом, але потім шматки знову з’єдналися. Проте залишається незрозумілим, чому збереглися ударні кратери на інших частинах поверхні супутника. Інша гіпотеза припускає, що мало місце нерівномірне розігрівання надр Міранди.

Регіонам, сфотографованим „Вояджером-2”, дали назви: Регіон Мантуя, Регіон Ефес, Регіон Сицилія і Регіон Дунсінан. Вони є областями на Міранді, які характеризуються чергуванням горбистої поверхні та рівнин з більш-менш вираженими давніми ударними кратерами. Для давніх регіонів також характерні розломи. Більшість схилів розломів сформувались тоді ж, коли й ці старі регіони. Але, припускають, що деякі схили сформувались зовсім недавно. Ймовірно, вони були утворені від корон. Поряд із розломами спостерігаються грабени, що свідчить про наявність у минулому тектонічної активності. Поверхня регіонів практично однорідно темна, окрім прямовисних скель уздовж кратерів, де спостерігаються світліші ділянки поверхні.

Міранда є одним з небагатьох супутників в Сонячної системи, що має корони. Наразі за допомогою „Вояджера-2” було зафіксовано наявність трьох корон: Корона Арден (розташована у півкулі, оберненій у напрямку руху супутника орбітою), Корона Ельсінор (розташована у півкулі, що спрямована у протилежний бік до напрямку руху супутника орбітою) і Корона Інвернесс (розташована на південному полюсі). Велика різниця альбедо (на поверхні Міранди) найпомітніша на Короні Арден та Короні Івернесс.

На поверхні Міранди також є рупеси. Серед них є як старші за корони, так і молодші за них. Рупес Верона розташовується у глибокій долині, край якої не було видно за термінатором.

Вік поверхні твердих небесних тіл співвідноситься з кількістю утворених на ній ударних кратерів — чим більше на ній кратерів, тим вона старіша. Таким чином, підраховуючи кількість кратерів, дослідники визначають вік інертних супутників без атмосфери, наприклад, таких як Каллісто.

Під час прольоту космічної станції „Вояджер-2” було вивчено лише кратери на південній півкулі супутника. Їх діаметри варіюються від 500 м до 50 км. Форма кратерів досить різноманітна. У деяких дуже добре видно краї і часто кратери оперезані складками, за якими визначається характер ударів. В інших кратерів топографія настільки погана, що їх ледь можна ідентифікувати на поверхні. Таким чином, вік кратера на Міранді не може ясно вказувати на вік тієї поверхні, на якій він розташований.

Викиди з надр супутника (після зіткнення з метеороїдом) не часті, і на Міранді вони не спостерігалися навколо кратерів, діаметр яких більший 15 км. Викиди, що інколи оточують кратери діаметром менше 3 км, світліші за оточуючий їх матеріал. З іншого боку, викиди кратерів, діаметри яких у межах від 3 до 15 км, темніші, ніж оточуючий матеріал (альбедо викидів нижче, ніж альбедо матеріалу, що оточує кратери). Також зустрічаються кратери (незалежно від їх діаметру), альбедо викидів навколо яких дорівнює альбедо матеріалу, що оточує ці кратери.

Для пояснення формування й еволюції супутника науковим співтовариством запропоновано декілька теорій. Один з варіантів стверджує, що Міранда сформувалася з газопилової туманності або акреційного диску довкола Урана. Цей диск або існував з часів формування планети, або утворився під час її зіткнення з іншим небесним тілом (можливо, це зіткнення й надало Урану дуже великий нахил осі обертання).

Міранда стала єдиним супутником Урана, знімки якого було отримано „Вояджером-2” у січні 1986 року з високою роздільною здатністю. „Вояджер-2” підійшов до цього супутника на відстань у 31 000 км. Це значно ближче, ніж для інших супутників Урана. Найкращі знімки Міранди відзняті з роздільною здатністю 500 м і охоплюють близько 40% поверхні, проте лише 35% знімків було зроблено з точністю, потрібною для геологічної картографії й підрахунку кратерів.

Під час польоту „Вояджера” південна півкуля Міранди була обернена до Сонця, а північна півкуля на той час була неосвітленою, тому не могла бути вивчена. Жоден інший космічний корабель ніколи не відвідував систему Урана (і Міранду зокрема).

У 2020-х роках, можливо, буде запущена дослідницька програма NASA „Uranus orbiter and probe”. До складу програми входитиме орбітальний апарат і атмосферний зонд. Крім того, група зі 168 учених представила Європейському космічному агенству програму-місію Uranus Pathfinder. У програмі описано подорож до зовнішньої частини Сонячної системи, кінцевою метою якої є планета Уран. Метою перелічених вище програм є уточнення знань про Уран і його супутники (зокрема і про Міранду)